Failure mechanisms of laminated carbon-carbon composites—II. Under shear loads

Abstract

Failure mechanisms under both interlaminar and in-plane shear loading are determined for two-dimensional carbon-carbon composites by using a direct shear set-up. This set-up is applicable for both types of shear loading, “as manufactured” laminate thickness can be tested without the need to make long samples by gluing different pieces together. A detailed finite element analysis, which considers the microstructure of the composite shows that for woven laminates, the initial crimp angle morphology does not allow the composite to deform in a state of simple shear. In fact, normal tensile and compressive stresses of almost twice the magnitude of the peak shear stress are produced in the vicinity of the crimped bundles. Consistent with these predictions, we observed the shear fault following the crimp boundaries in 0°/90° and quasi-isotropic laminates. Therefore, experimental techniques which can secure a state of pure shear stress in aligned, unkinked, uniaxial fiber composites cannot do so in woven laminated composites. Les mécanismes de rupture en cisaillement interlaminaire et dans le plan, pour les comosites carbone-carbone bidimensionnels ont été déterminés en utilisant une procédure par cisaillement direct. Cette procédure est applicable pour les deux types de chargement en cisaillement, et des èpaisseurs de lamelles similaires à celles fabriquées peuvent être testées sans avoir besoin de fabriquer de longs échantillons par collage de différents pièces. Une analyse détaillée aux éléments finis, qui prend en compte la microstructure de composite, montre que pour des lamelles tissées la morphologie initiale de l'angle des boucles de tissage ne permet pas au composite de se déformer en cisaillement simple. En fait, des contraintes normales de traction et de compression environ deux fois plus grandes que la contrainte pic cisaillement apparaissent aux voisinage des boucles de tissage. En accord avec ces prédictions, on observe des bandes de cisaillement suivant les joints des boucles de tissage a 0°/90° et les lamelles quasi-isotropiques. De ce fait, les techniques expérimentales qui peuvent assurer un état de cisaillement pur dans les fibres composites uniaxiales alignées et non flambées, ne peuvent faire la méme chose pour des composites laminaires tressés. Versagungsmechanismen von zwei-dimensionalen Carbon-Carbon Laminaten wurden bestimmt für interlaminare als auch planare Schublasten mit Hilfe eines direkten Schubeinleitungsmechanismus. Dieser Testaufbau ist für beide Arten von Schubeinleitung brauchbar und fertige Laminatproben können getested werden ohne daß man lange Streifen von verschiedenen Proben zusammenkleben muss. Eine detaillierte Finite Elemente Analyse, welche die Microstruktur eines gewebten Compsitmaterials berücksichtigt, zeigte, daß die anfängliche Faltwinkelmorphologie keine Deformation unter reinem Schub ermöglicht. In der Tat treten in der Nähe der Faltbündel Normalzugund druckspannungen auf, die fast das zweifache der maximalen Schubspannungen betreffen. In Übereinstimmung mit diesen Vorhersagen haben wir bestimmt, daß der Scherbruch den Faltgrenzen in 0°/90° und quasi-isotropen Laminaten folgt. Daher können experimentelle Verfahren, welche reine Schubspannungen für axial ausgerichtete, gerade, einachsige Fasercomposite erhalten, nicht für gewobene Laminatcomposite verwendet werden.