Prediction of the mechanical behavior of carbon fiber-reinforced plastic and steel laminate composites using a micromechanical approach

Abstract

Carbon fiber-reinforced plastics (CFRPs) have received great attention in the field of structural materials due to their high strength and light properties, but they have limitations in applications due to brittle fracture behavior. Metals have excellent mechanical properties such as ductility and impact resistance, while high density is a disadvantage. In order to obtain the advantages of both materials at the same time, researches have been conducted to produce a laminate composite by mixing the two materials. In this study, experimental and theoretical studies were conducted to predict the mechanical properties of CFRP and steel laminate composites. Firstly, Synergistic effects of carbon fiber-reinforced plastic (CFRP) and steel hybrid laminate composites were investigated systematically by static and dynamic tensile testing. Various hybrid laminate composites were prepared by varying the adhesion between the CFRP and steel, the layup sequence, and the volume fraction of the CRFP. The fracture strain of the CFRP within the hybrid laminate composites increased, e.g., from 1.94% for pure CFRPs to 2.21% for the steel/CFRP/steel case. Finite element analysis and fractography established that transverse compressive stress was the main source of the improvement. Different Poissons ratios led to transverse compressive stress on the CFRP layer after yielding of the steel during the tensile test. This stress delayed the fiber-splitting behavior of the CFRP, leading to further deformation and thus increasing the breaking strain and tensile strength of the CFRP within the hybrid laminate composites. Our results provide insight into the design of ductile composites using CFRP and steel through optimization of the laminate structure. Secondly, a micromechanical model was developed to explain the phenomenon and to predict the mechanical behavior of CFRP/steel hybrid laminate composites. First, the stress distributions on fibers and matrix material in a CFRP was calculated under multiaxial stress conditions using shear lag theory considering transverse compressive stress. Then, the deformation behavior of CFRP was predicted using average stress in the ineffective region and the Weibull distribution of carbon fibers. Finally, the mechanical properties of CFRP/steel hybrid laminate composites were predicted by considering the thermal residual stress generated during the manufacturing process. The micromechanical model revealed that increased transverse compressive stress decreases the ineffective lengths of partially broken fibers in the CFRP and results in increased fracture strain of the CFRP, demonstrating the validity of the current micromechanical model. Lastly, developed predictive model was applied to failure criterion of CFRP to analyze the behavior under multiaxial stress conditions. For this purpose, the effects of CFRP transverse stress on transverse fracture were analyzed. In addition, the transverse fracture of CFRP is affected by axial stress as well as transverse stress. To reflect this effect, criterion for transverse fracture was obtained by using the information on the ineffective region obtained from the predictive model. Finally, failure mode suitable for a given stress condition was analyzed and failure criterion based on micromechanical approach was developed and verified.

탄소섬유 복합재료(CFRP)는 고강도 및 가벼운 특성으로 인해 구조재료분야에서 큰 주목을 받았지만 부족한 내충격성과 취성 파괴거동으로 인해 더 많은 적용분야로의 확장에는 한계점으로 작용하고 있다. 금속은 연성 및 내충격성과 같은 우수한 기계적 물성을 갖지만 비중이 크다는 점이 단점으로 작용한다. 두 재료의 장점을 동시에 발현할 수 있는 재료를 얻기 위해 두 재료를 혼합함으로써 라미네이트 복합재료를 제조하는 연구가 수행되어 왔다. 본 연구에서는 CFRP/스틸 라미네이트 복합재료의 기계적 물성을 예측하기 위해 실험적, 이론적 연구를 수행하였다. 우선 CFRP/스틸 라미네이트 복합재료의 시너지 효과에 대해 정적 및 동적 시험을 통해 체계적으로 분석하였다. 다양한 조건(CFRP와 스틸 사이의 접착력, 적층 순서, 각 재료의 부피분율에서 시편을 제조하고 기계적 물성을 평가하였다. 순수한 CFRP의 파괴변형율은 1.94%로 측정되었으며, 라미네이트 복합재료를 구성하는 CFRP의 파괴변형율은 2.21%로 증가한 것을 확인하였다. 원인을 분석하기 위해 유한요소해석 및 파단면 분석을 진행하였으며, 그 결과 라미네이트 복합재료 내의 CFRP에 발생한 횡방향 압축응력이 주 원인이라고 판단했다. CFRP에 발생한 횡방향 압축응력은 스틸과의 푸아송비 차이에서 기인하며, 이 응력이 CFRP 내부의 섬유 파괴의 영향을 국소화 시킴으로써 CFRP의 기계적 물성을 향상시킨다. 더불어 앞서 발견한 라미네이트 복합재료 내 CFRP의 파괴변형률 증가 현상을 정량적으로 분석함으로써 기계적 물성을 예측하기 위한 연구를 진행하였다. 첫 번째로, CFRP와 스틸 사이의 상호작용인 횡방향 응력의 크기를 상용 유한요소해석 소프트웨어를 이용하여 계산하였다. 두 번째로, 라미네이트 복합재료의 축방향 변형에 따라 CFRP에 발생하는 횡방향 압축응력이 CFRP의 longitudinal splitting 거동에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 이 과정에서 CFRP 내부의 파괴섬유 주변의 응력분포를 계산하기 위해 shear lag theory를 사용하였으며, 비효율 구간에서의 응력분포와 global load sharing model을 통해 CFRP의 변형거동을 예측하였다. 최종적으로 제조과정에서 발생하는 열적잔류응력을 고려하였으며, 혼합 법칙을 통해 CFRP/스틸 라미네이트 복합재료의 기계적 물성을 예측하는 모델을 개발했다. 마지막으로 다축 응력 조건에서 CFRP의 파괴 여부를 예측하기 위한 파손 기준을 개발된 예측 모델을 이용하여 정립했다. 이를 위해 CFRP의 횡방향 응력이 횡방향 파괴에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 CFRP의 횡방향 파괴는 횡방향 응력뿐만 아니라 축방향 응력의 영향도 받는데, 이 영향을 반영하기 위해 예측 모델에서 얻은 비효율 구간에 대한 정보를 이용하여 횡방향 파단에 대한 기준을 정립했다. 최종적으로 주어진 응력 조건에서 적합한 CFRP의 파괴 모드를 분석하고 미소 역학적 접근법에 기반한 파손 기준을 개발하고 검증하였다.