Towards the industrialization of bio-inspired multiscale hierarchical carbon fibre-reinforced polymer composites

Resumen

Los polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP) son ampliamente utilizados en la industria aeroespacial debido a su excelente relación resistencia-peso. Sin embargo, la región interlaminar relativamente débil de la estructura laminada puede ocasionar fallos catastróficas y delaminación. Ante esto, la biomimética ha surgido como un nuevo enfoque para mejorar la tolerancia al daño de los CFRP. Entre los diferentes materiales biológicos, el nácar destaca por su balance entre tenacidad y resistencia. La razón detrás del rendimiento mecánico del nácar es su estructura discontinua jerárquica y multiescalar (conocida como "pared de ladrillo"). En este trabajo se implementan dos enfoques biomiméticos en materiales compuestos. En primer lugar, la introducción de una estructura de "pared de ladrillo" mediante la realización de cortes en los pre-impregnados que forman los laminados, dando como resultado "CFRP jerárquicos". En segundo lugar, la introducción de una escala adicional mediante la adición de nano-refuerzos (materiales relacionados con el grafeno, GRM), produciendo “CFRP multiescalares”. Finalmente, se desarrollaron “CFRP jerárquicos y multiescalares” mediante la combinación de ambos enfoques. Con el fin de evaluar la posible aplicabilidad y escalabilidad de dichas estructuras, los composites bioinspirados se han desarrollado utilizando procedimientos de fabricación y equipos ya existentes en la industria y usando materiales comerciales. En este trabajo se presenta una evaluación de dichos procesos de fabricación. Para los "CFRP jerárquicos", se ha investigado la influencia de la estructura de "pared de ladrillo" en el rendimiento mecánico de los materiales en términos de resistencia a la fractura y comportamiento a tracción. Asimismo, para los “CFRP multiescalares” se ha estudiado la influencia de la adición de GRM en sus propiedades físico-químicas y mecánicas. Finalmente, se evaluó la combinación de ambas estrategias para los “CFRP jerárquicos y multiescalares”. Los resultados mostraron una mejora en la tenacidad a la fractura y un cambio en el comportamiento de fractura de los compuestos mediante la implementación de tales estrategias. ----------ABSTRACT---------- Carbon fibre-reinforced polymers (CFRPs) are widely used in the aerospace industry because of their outstanding strength-to-weight ratios. They present high stiffness and low density for their high strength. Nevertheless, due to the relatively weak interlaminar region of the laminated structure, these materials present poor mechanical properties in the direction perpendicular to the fibres, leading to catastrophic failure and delamination. Biomimetics has arisen as an interesting approach to improve damage tolerance of CFRPs. Among the different biological materials, nacre stands out due to its toughness and strength balance. The reason behind the nacre’s mechanical performance is its hierarchical and multiscale discontinuous staggered structure (known as ‘brick-and-mortar’). In this work two biomimetics approaches are implemented into CFRP composites. First, the introduction of a ‘brick-and-mortar’ structure by performing specific cuts into the prepregs forming the composites, resulting in “hierarchical CFRPs”. Second, the introduction of an additional scale by the addition of nanoreinforcements (graphene-related materials, GRMs), producing “multiscale CFRPs”. Finally, “hierarchical and multiscale CFRPs” were developed by the combination of both approaches. In order to evaluate the potential applicability and scalability of such structures, the bio-inspired composites have been developed using manufacturing procedures and equipment already existing in the industry while using commercial materials. An evaluation of such manufacturing processes is presented in this work. For the “hierarchical CFRPs” the influence of the ‘brick-and-mortar’ structure in the mechanical performance of the composites has been investigated in terms of fracture toughness and behaviour under tensile loading. Similarly, for the “multiscale CFRPs” it has been studied the influence of the addition of GRMs on its physical-chemical and mechanical properties. Finally, the combination of both strategies was evaluated for the “hierarchical and multiscale CFRPs”. An enhancement in the fracture toughness and a change in the fracture behaviour of composites was obtained by implementing such strategies.