Trends in composite materials and their design : special topic volume with invited peer reviewed papers only

285 Pages·2010·25.936 MB·English

by  Mohamed A Taha

Trends in
Composite Materials
and their Design
Trends in
Composite Materials
and their Design
Special topic volume with invited peer reviewed papers only.
Edited by
Mohamed A. Taha, Ahmed M. El-Sabbagh
and Iman M. Taha

TRANS TECH PUBLICATIONS LTD

Switzerland • UK • USA
Copyright  2010 Trans Tech Publications Ltd, Switzerland

All rights reserved. No part of the contents of this publication may be
reproduced or transmitted in any form or by any means without the
written permission of the publisher.

Trans Tech Publications Ltd
Laubisrutistr. 24
CH-8712 Stafa-Zurich
Switzerland
http://www.ttp.net
Volume 425 of
Key Engineering Materials
ISSN 1013-9826
Full text available online at http://www.scientific.net

Distributed worldwide by and in the Americas by
Trans Tech Publications Ltd. Trans Tech Publications
Inc.
Laubisrutistr. 24 PO Box 699, May Street
CH-8712 Stafa-Zurich Enfield, NH 03748
Switzerland USA
Phone: [phone]
Fax: [phone] Fax: [phone]
e-mail: [email protected] e-mail: [email protected]

Printed in the Netherlands
Preface
Composite materials are increasingly finding use in diverse applications with a wide range of
property and performance requirements. Light weight, high specific strength and stiffness
represent the main features that make composite materials most suitable for structural
applications. This refers to the concurrent manipulation of the materials composition and
internal architecture of a composite material to achieve the desired properties. The ability to
optimally tailor composite materials is of much importance for structural applications. A
systematic approach to optimal tailoring of composite materials is a challenging design
problem. Focus on the practical design aspects should be considered, and this is what is being
addressed in this special topic volume.
For structural applications, polymer- and metal- matrix composites are considered, due to
their plasticity. Ceramic-matrix composites exhibit low strain capability, and therefore they
are generally not suitable and rarely considered for structural applications. Accordingly, most
research work and applications have been focused on polymer matrix composites, while less
focus has been paid to metal matrix composites.
Practically, polymer-matrix composites are far more popular compared to metal- and ceramic-
based composites, being attractive due to several reasons such as low density, easy
processaibility combined with low manufacturing costs and substantially due to low energy
input requirements. This makes them all the most attractive from the point of view of
composite development for property tailoring. Due to their outstandiung properties,
especially, fibre-reinforced polymers, have gained importance in industry and are now being
used along with metals in various fields such as aeronautical and automotive applications.
The application of natural fibres for polymer reinforcement is of extreme interest, especially
in combination with biodegradable polymers. Such “green” composite represent a step
forward to echo-design and to environmentally friendly applications. A main drawback
related to polymer composites is, however, the low and limited temperature range of
application.
Metal matrices, on the other hand, can widen the scope of using composites over a wide range
of temperatures. They are also characterized by positive features such as high strength and
stiffness, low thermal expansion, good thermal stability, improved wear resistance, better
transverse properties and higher toughness compared to polymer composites, minimum
moisture absorption, higher electrical and thermal conductivities, in addition to non-
flammability. However, metal matrix composites are usually more expensive than polymer
matrix composites, and the fabrication processes are much more limited, especially for
complex structural shapes. Therefore, commercial applications for metal matrix composites
are sparse. Metal matrices of interest, for light weight structural components, are aluminium,
magnesium and titanium based alloys.
Nanocomposites are nowadays considered as the future materials, which have super improved
mechanical properties. Rubber nanocomposites, represent an important class of polymer base
materials, which play an important role in engineering, construction and aerospace
applications. Carbon nanotubes are one of the most exciting discoveries of nanosized
materials of the 20th century. Aluminium and magnesium based materials are among the
metals that can benefit from the incorporation of carbon nanotubes to produce composites
with increased strength without having a significant detrimental effect on ductility.
The design of structural composites requires that a balance be struck between processing
technology, mechanical testing, and numerical simulation, in order to obtain the optimum
results of weight-strength-stiffness for given applications and industrial requirements. There is
a variety of manufacturing processes and tests to characterize mechanical properties of
assorted models. Despite the complexity of composite structures and the different possibilities
offered by materials, this special topic volume shows that certain techniques and rules can be
used to evaluate their behaviour and design their structure.
A number of articles are included in this special topic volume, namely nine articles on
polymer matrix composites, three articles on metal matrix composites, one article on polymer
composite-grid-reinforced concrete, and one article on metal-polymer sandwich hybrid
system.
These articles cover the above described aspects. The knowledge gained can be used to
design better composites with improved mechanical properties.
Mohamed A. Taha,
Ahmed M. El-Sabbagh, and
Iman M. Taha

Faculty of Engineering, Ain-Shams University,
Cairo – Egypt,
August 2009.
Table of Contents
Preface
Composite Design and Technology
L. Marks and G. Ziegmann 1
Numerical Optimization of the Structure of Fiber-Reinforced Composites
B. Wielage, T. Müller, D. Weber and T. Maeder 19
Modeling of Fiber Jamming Phenomena during Processing of Fiber Reinforced Composite
Parts
A. Londoño-Hurtado and T.A. Osswald 31
Performance of Non-Crimp Fabric Composites in Shear
R. Joffe 45
Design, Development and Testing of Rubber Nanocomposites
A. Saritha, J. Kuruvilla and T. Sabu 61
Thermo-Mechanical Monitoring of Composite Materials during the Pyrolysis of C/C
Composites
B. Wielage, D. Weber, T. Müller and H. Steger 95
Recent Advances in Green Composites
G. Gejo, J. Kuruvilla, A. Boudenne and T. Sabu 107
Potential of Sisal Reinforced Biodegradable Polylactic Acid and Polyvinyl Alcohol
Composites
I.M. Taha and G. Ziegmann 167
Vibration Damping Behavior of Fiber Reinforced Composites: A Review
A.M. Kamal and I.M. Taha 179
Confinement of the Concrete Structures by Embedded Composite Grids
K. Ait Tahar and C. Alaa 195
Manufacturing of Light Metal Matrix Composites by Combined Thermal Spray and
Semisolid Forming Process – Summary of the Current State of Technology
M. Wenzelburger, M. Silber and R. Gadow 217
Magnesium and Aluminium Carbon Nanotube Composites
C.S. Goh, M. Gupta, A.W.E. Jarfors, M.J. Tan and J. Wei 245
Anelastic Phenomena at the Fibre-Matrix Interface of the Ti6Al4V-SiC Composite
f
P. Deodati, R. Donnini, S. Kaciulis, A. Mezzi, R. Montanari, C. Testani and N. Ucciardello 263
Press Joining Rolling Process for Hybrid Systems
A. Carrado, O. Sokolova, G. Ziegmann and H. Palkowski 271
Key Engineering Materials Vol. 425 (2010) pp 1-17
© (2010) Trans Tech Publications, Switzerland
doi:10.4028/www.scientific.net/KEM.425.1
CCoommppoossiittee DDeessiiggnn aanndd TTeecchhnnoollooggyy
LLeennaa MMaarrkkss11,,aa aanndd GGeerrhhaarrdd ZZiieeggmmaannnn11,,bb
11
IInnssttiittuuttee ooff PPoollyymmeerr MMaatteerriiaallss aanndd PPllaassttiiccss EEnnggiinneeeerriinngg,, CCllaauusstthhaall UUnniivveerrssiittyy ooff TTeecchhnnoollooggyy,,
AAggrriiccoollaa SSttrr..66,, 3388667788,, CCllaauusstthhaall--ZZeelllleerrffeelldd,, GGeerrmmaannyy
aazziieeggmmaannnn@@ppuukk..ttuu--ccllaauusstthhaall..ddee
bblleennaa..eebbbbaa..mmaarrkkss@@ttuu--ccllaauusstthhaall..ddee

KKeeyywwoorrddss:: ccoommppoossiitteess,, aanniissoottrrooppyy,, llaammiinnaattee tthheeoorryy

AAbbssttrraacctt.. IInn rreecceenntt yyeeaarrss ffiibbrree rreeiinnffoorrcceedd ppllaassttiiccss ppllaayy aa ccoonnssttaannttllyy iimmpprroovviinngg rroollee iinn aa ggrroowwiinngg
ffiieelldd ooff aapppplliiccaattiioonnss.. FFrroomm tthhee cchheemmiiccaall iinndduussttrryy tthhrroouugghh ssppoorrttss eeqquuiippmmeennttss uupp ttoo aaiirrccrraafftt
pprroodduuccttiioonn -- ccoommppoossiitteess ccaann bbee uusseedd iinn aallll tthheessee iinndduussttrriiaall aarreeaass.. AAlltthhoouugghh mmaatteerriiaallss lliikkee ggllaassss ffiibbrree
rreeiinnffoorrcceedd oorr ccaarrbboonn ffiibbrree rreeiinnffoorrcceedd ppllaassttiiccss hhaavvee aa lloott ooff aapppplliiccaattiioonnss iinn ssttrruuccttuurraall ppaarrttss tthhee
kknnoowwlleeddggee aabboouutt ddiimmeennssiioonniinngg aanndd pprroocceessssiinngg tteecchhnniiqquueess iiss nnoott eexxppllooiitteedd ffoorr tthhee ddeessiiggnn ooff
ccoommppoossiittee ssttrruuccttuurreess.. IIff tthhee ppaarrttss aanndd ssttrruuccttuurreess aarree nnoott bbuuiilltt ffoorr hhiigghh ppeerrffoorrmmaannccee aapppplliiccaattiioonnss ssuucchh
aass iinn aaiirrccrraaffttss,, oofftteenn pprriinncciipplleess aanndd tthheeoorriieess bbaasseedd oonn mmeettaall ddeessiiggnn aarree uusseedd ttoo ddeessiiggnn tthhee ppaarrttss..
IInn tthhiiss aarrttiiccllee tthhee bbaassiiccss ooff ssttrruuccttuurraall mmeecchhaanniiccss ffoorr ccoommppoossiittee mmaatteerriiaallss aarree pprreesseenntteedd.. AAnn oovveerrvviieeww
aabboouutt hhooww ttoo wwoorrkk wwiitthh aanniissoottrrooppiicc mmaatteerriiaall iinn ddeessiiggnn aass wweellll aass iinn pprroocceessssiinngg iiss ggiivveenn aanndd tthhee mmoosstt
iimmppoorrttaanntt CCAAEE ttoooollss ffoorr ccoommppoossiittee ddeessiiggnn aarree sshhoorrttllyy pprreesseenntteedd..
IInnttrroodduuccttiioonn
IInn tthhee hhiissttoorryy ooff mmaannkkiinndd mmaatteerriiaallss aarree aallwwaayyss iinn tthhee cceennttrree ooff ddeevveellooppmmeenntt aanndd aapppplliiccaattiioonn.. TThheerree
aarree eeppoocchhss ddoommiinnaatteedd bbyy ssttoonnee,, bbrraassss oorr iirroonn eettcc.. BBeessiiddeess tthhoossee ttrraaddiittiioonnaall mmaatteerriiaallss,, ffiibbrree
rreeiinnffoorrcceedd ssyysstteemmss ((ccoommppoossiitteess)) mmaaiinnllyy bbaasseedd oonn ppoollyymmeerr mmaattrriicceess aarree iimmpprroovviinngg tthheeiirr ffiieellddss ooff
aapppplliiccaattiioonn iinn aa ddrraammaattiicc wwaayy dduuee ttoo tthheeiirr eexxcceelllleenntt bbeehhaavviioouurr.. CCoommppoossiitteess aarree iinn ggeenneerraall
cchhaarraacctteerriizzeedd bbyy tthhee ccoommbbiinnaattiioonn ooff ffiibbrreess aanndd mmaattrriicceess iinn ddiiffffeerreenntt sshhaappeess ttoo ooffffeerr iimmpprroovveedd
pprrooppeerrttiieess wwhhiicchh ccaannnnoott bbee eexxppeecctteedd bbyy tthhee ssiinnggllee mmaatteerriiaall ccoommppoonneenntt [[11]]..
DDuuee ttoo tthhee oorriieennttaattiioonn ooff tthhee ffiibbrreess iinn tthhee mmaattrriixx aanniissoottrrooppiicc pprrooppeerrttiieess iinn tthhee ssttrruuccttuurreess ccaann bbee
mmooddeelllleedd iinn oorrddeerr ttoo ssaavvee wweeiigghhtt iinn ccoommppaarriissoonn ttoo iissoottrrooppiicc mmaatteerriiaallss ssuucchh aass aalluummiinniiuumm,, ttiittaanniiuumm
eettcc.. AA ccoommppaarriissoonn bbeettwweeeenn ddiiffffeerreenntt ttyyppeess ooff mmaatteerriiaallss ccaann bbee ddoonnee vveerryy eeffffeeccttiivveellyy bbyy sshhoowwiinngg
ssppeecciiffiicc vvaalluueess –– mmeecchhaanniiccaall pprrooppeerrttiieess rreellaatteedd ttoo tthhee ddeennssiittyy ooff tthhee mmaatteerriiaall –– iinn aa ggrraapphh ((ffiigg.. 11)) [[22--
55]]..
AAss ccaann bbee sseeeenn iinn ffiigg.. 11 tthhee ssppeecciiffiicc ssttrreennggtthh ((bbrreeaakkiinngg lleennggtthh,, aatt tthhiiss lleennggtthh aa ffiibbrree wwiillll bbrreeaakk uunnddeerr
iittss oowwnn wweeiigghhtt)) aanndd tthhee ssppeecciiffiicc mmoodduulluuss ooff ccoommppoossiitteess aarree ooffffeerriinngg aa wwiiddee rraannggee ooff vvaalluueess bbeeiinngg
mmuucchh ssuuppeerriioorr ttoo mmeettaalllliicc mmaatteerriiaallss rreessuullttiinngg iinn aa ssiiggnniiffiiccaanntt wweeiigghhtt ggaaiinn iinn ccoommppaarriissoonn ttoo mmeettaalllliicc
ssttrruuccttuurreess..
OOnn tthhee ootthheerr hhaanndd aanniissoottrrooppiicc bbeehhaavviioouurr ooff ccoommppoossiitteess rreeqquuiirreess aa ddiiffffeerreenntt aapppprrooaacchh iinn tthhee
ccaallccuullaattiioonn ooff tthhee ssttrruuccttuurraall cchhaarraacctteerriissttiiccss ooff ccoommppoossiittee mmaatteerriiaallss.. TThhee llaammiinnaattee ––bbuuiilltt uupp llaayyeerr bbyy
llaayyeerr wwiitthh ffiibbrreess oorriieenntteedd iinn ddiiffffeerreenntt ddiirreeccttiioonnss –– ggiivveess aa ddrraammaattiicc ddeeggrreeee ooff ffrreeeeddoomm iinn ooppttiimmiissiinngg
tthhee rreellaattiioonnsshhiipp bbeettwweeeenn eeffffiicciieennccyy ooff ssttrruuccttuurraall bbeehhaavviioouurr aanndd wweeiigghhtt.. TThhee hhiigghh fflleexxiibbiilliittyy iinn
ccoommbbiinniinngg ffiibbrreess aanndd rreessiinnss rreeqquuiirreess mmuucchh mmoorree eeffffoorrtt wwhheenn ccaallccuullaattiinngg tthhee bbeehhaavviioouurr ooff tthhee
ssttrruuccttuurree.. TThhee mmeecchhaanniiccaall pprrooppeerrttiieess iinn tthhee ffiibbrree ddiirreeccttiioonn aarree ddoommiinnaatteedd bbyy tthhee cchhaarraacctteerriissttiiccss ooff
tthhee ffiibbrree,, wwhheerreeaass ppeerrppeennddiiccuullaarr ttoo tthhee ffiibbrree tthhee mmaattrriixx aanndd//oorr tthhee iinntteerrffaaccee bbeettwweeeenn ffiibbrree aanndd mmaattrriixx
ddoommiinnaattee tthhee bbeehhaavviioouurr ooff tthhee llaammiinnaattee..
2 Trends in Composite Materials and their Design

FFiigg.. 11:: SSppeecciiffiicc mmoodduulluuss aanndd ssttrreennggtthh ooff ddiiffffeerreenntt ccoommppoossiitteess

IItt iiss aann iimmppoorrttaanntt ttaasskk ffoorr ccaallccuullaattiioonn aanndd ddeevveellooppmmeenntt eennggiinneeeerrss ttoo uunnddeerrssttaanndd tthhee ccoommpplleexx
pprrooppeerrttiieess ooff tthhoossee aanniissoottrrooppiicc mmaatteerriiaallss aanndd ttoo ttrraannssffeerr tthhee aaddvvaannttaaggeess iinnttoo tthhee ddeessiiggnneedd ppaarrttss.. TThhee
ccaallccuullaattiioonn ooff ccoommppoossiitteess iiss qquuiittee wweellll ddeevveellooppeedd ttooddaayy aanndd tthhee rreessppoonnssee ooff tthhee ssttrruuccttuurree dduuee ttoo iittss
ddiiffffeerreenntt ttyyppeess ooff ddeeffoorrmmaattiioonn cchhaarraacctteerriissttiiccss aanndd ddaammaaggee//ffrraaccttuurree bbeehhaavviioouurr iiss wweellll uunnddeerrssttoooodd..
TTooddaayy tthheerree aarree ssooffttwwaarree ppaacckkaaggeess oonn tthhee mmaarrkkeett hhaannddlliinngg tthhee ssttrreennggtthh//ssttiiffffnneessss aanndd tthhee ffaaiilluurree
mmeecchhaanniissmm ooff ccoommppoossiittee ssttrruuccttuurreess iinn aann eexxcceelllleenntt wwaayy.. NNeevveerrtthheelleessss tthhee uunnddeerrssttaannddiinngg ooff
aanniissoottrrooppiicc tthhiinnkkiinngg hhaass ttoo bbee wweellll ddeevveellooppeedd aass sshhoowwnn iinn tthhee ffoolllloowwiinngg cchhaapptteerrss..
TTyyppeess ooff AAnniissoottrrooppyy
TThhee wweellll kknnoowwnn rreellaattiioonnsshhiipp bbeettwweeeenn ssttrreessss aanndd ssttrraaiinn iinn lliinneeaarr eellaassttiicc iissoottrrooppiicc mmaatteerriiaallss,, HHooookkee’’ss
llaaww,, iiss nnoott aapppplliiccaabbllee aannyymmoorree iinn aanniissoottrrooppiicc mmaatteerriiaallss.. WWhhiillee ddeeaalliinngg wwiitthh oonnee YYoouunngg’’ss MMoodduulluuss
aanndd oonnee PPooiissssoonn’’ss rraattiioo iinn ccaassee ooff iissoottrrooppyy,, uupp ttoo 2211 iinnddeeppeennddeenntt ccoonnssttaannttss hhaavvee ttoo bbee ccoonnssiiddeerreedd
wwiitthh aanniissoottrrooppiicc mmaatteerriiaallss [[66,,77]].. TToo mmaakkee tthhiiss rreellaattiioonnsshhiipp eeaassiieerr ttoo hhaannddllee mmaattrriixx vveeccttoorr
mmuullttiipplliiccaattiioonn iiss uusseedd.. TThhee 33xx33 ssyymmmmeettrriicc tteennssoorrss ooff ssttrreessss aanndd ssttrraaiinn aarree ttrraannssffoorrmmeedd ttoo aa ssiixx
ddiimmeennssiioonnaall vveeccttoorr aanndd HHooookkee’’ss llaaww bbeeccoommeess::

CC CC CC CC CC CC 
σσ   1111 1122 1133 1144 1155 1166 εε 
11 11
   CC CC CC CC CC   
σσ 2233 2255 εε
 22  2222 2244 2266  22 
ττσσ223333== CC3333 CCCC44334444 CCCC44335555 CCCC44336666⋅⋅γγεε223333 ((11))
ττ   SSyymmmmeettrryy CC CC  γγ 
 1133  5555 5566  1133
ττ2233  CC  γγ1122
 6666

TThhiiss ggeenneerraall ffoorrmmuullaattiioonn ooff tthhee aanniissoottrrooppiicc HHooookkee’’ss llaaww ccaann bbee rreedduucceedd ttoo aa ffoorrmmuullaattiioonn wwiitthh nniinnee
iinnddeeppeennddeenntt ccoonnssttaannttss iiff tthhee ggeenneerraall pprrooppeerrttiieess ooff tthhee mmaatteerriiaall aarree ooff aa cceerrttaaiinn ttyyppee..
Key Engineering Materials Vol. 425 3

FFiigg.. 22:: SSyymmmmeettrryy ppllaanneess aanndd mmaaiinn ddiirreeccttiioonnss ooff oorrtthhoottrrooppiicc mmaatteerriiaallss

DDuuee ttoo tthhee ssttrruuccttuurree ooff ssoommee mmaatteerriiaallss ssyymmmmeettrryy ppllaanneess eexxiisstt,, wwhheerree eellaassttiicc pprrooppeerrttiieess iinn aa cceerrttaaiinn
ddiirreeccttiioonn aarree tthhee ssaammee aass iinn tthhee ddiirreeccttiioonn rreefflleecctteedd aatt tthhee ssyymmmmeettrryy ppllaannee.. IIff tthhrreeee oorrtthhooggoonnaall
ssyymmmmeettrryy ppllaanneess eexxiisstt iinn aann aanniissoottrrooppiicc mmaatteerriiaall,, tthhee mmaatteerriiaall iiss ccaalllleedd oorrtthhoottrrooppiicc [[66]].. TThhiiss rreessuullttss
iinn nniinnee iinnddeeppeennddeenntt ccoonnssttaannttss ffoorr tthhee ssttrreessss ssttrraaiinn rreellaattiioonnsshhiipp..
OOrrtthhoottrrooppyy hhaass tthhrreeee mmaaiinn ddiirreeccttiioonnss wwhhiicchh aarree nnoorrmmaall ttoo tthhee ssyymmmmeettrryy ppllaanneess.. NNoorrmmaall ssttrreesssseess aass
wweellll aass ssttrraaiinnss aanndd sshheeaarr ssttrreesssseess aass wweellll aass ssttrraaiinnss aarree uunnccoouupplleedd dduuee ttoo tthhee ssyymmmmeettrryy.. LLoonnggiittuuddiinnaall
aanndd ttrraannssvveerrssaall ssttrraaiinnss aarree ccoouupplleedd bbyy tthhee PPooiissssoonn’’ss rraattiiooss.. TThhee rreessuullttiinngg ssttrreessss--ssttrraaiinn--rreellaattiioonnsshhiipp
rreessuullttss aarree::

 11 υυ υυ 
 −− 1122 −− 1133 00 00 00 
EE EE EE
 11 11 11 
 υυ 11 υυ 
εε  −− 2211 −− 2233 00 00 00 σσ 
 
1111 EE EE EE 1111
   22 22 22   
εε2222 −−υυ3311 −−υυ3322 11 00 00 00  σσ2222
εε   EE EE EE  σσ  ((22))
 3333== 33 33 33 ⋅⋅ 3333
 
γγ  11 σσ 
2233  00 00 00 00 00  2233
γγ   GG  σσ 
 3311 2233  1133
 11 
γγ  00 00 00 00 00 σσ 
2211   1122
GG
 3311 
 11 
00 00 00 00 00
 GG 
1122

TThhee nniinnee iinnddeeppeennddeenntt ccoonnssttaannttss aarree

33 YYoouunngg’’ss mmoodduullii EE ,, EE ,, EE
--
11 22 33
33 sshheeaarr mmoodduullii GG ,, GG ,, GG
--
1122 2233 3311
υυ ,, υυ ,, υυ
-- 33 PPooiissssoonn’’ss rraattiiooss 1122 2233 3311

DDuuee ttoo tthhee ssyymmmmeettrryy ooff tthhee ccoommpplliiaannccee tteennssoorr aaddddiittiioonnaall ccoonnddiittiioonnss hhaavvee ttoo bbee ffuullffiilllleedd,, tthhaatt lleeaaddss
ttoo MMaaxxwweellll--BBeettttii’’ss llaaww::