Analysis of different mechanical properties of composites and design of a hands-on activity for Bachelor's degree

Abstract

Incluso aunque el mercado aeroespacial solo sea alrededor del 1% del mercado total de materiales compuestos, estos materiales siguen siendo muy importantes para toda la industria debido a su imagen de alta tecnología y los desarrollos tecnológicos que continúan surgiendo, siendo la industria aeroespacial el mayor consumidor. En la industria aeroespacial, los materiales compuestos de fibra de carbono se han utilizado para fabricar las carcasas de los motores de cohetes, los tubos de lanzamiento desde los que se disparan los misiles, la carcasa del motor de misiles, muchos componentes de las estructuras de las aeronaves, etc. Además, algunos vehículos espaciales, como el transbordador espacial, usa compuestos de carbono-carbono cuando la resistencia al calor es crítica para su rendimiento. Al principio, los compuestos de fibra de carbono se utilizaron en algunos componentes no críticos de las aeronaves, como puertas de acceso y los capós de motores. Los aviones militares adoptaron componentes de fibra de carbono más rápidamente que los aviones comerciales como el F-16 o el F-18. La mayoría de las palas de los helicópteros están hechas de fibra de vidrio o combinaciones de fibra de vidrio y fibra de carbono y muchos de los fuselajes de muchos helicópteros también están hecho de materiales compuestos. En detalle, los objetivos principales de esta tesis son: 1) el estudio de los materiales compuestos para adquirir conocimiento para entender los resultados experimentales y numéricos; 2) fabricar las muestras de materiales compuestos y probar experimentalmente las muestras resultantes con el equipo apropiado y simular estas muestras a través de un software apropiado; 3) analizar los resultados experimentales y analíticos y confirmar qué material tiene mejores propiedades mecánicas; 4) realizar diferentes actividades prácticas para futuros estudiantes de Ciencia y Tecnología de los Materiales (CTM), una asignatura de segundo grado de la carrera universitaria en Ingeniería Aeroespacial. A través del estudio experimental y numérico de esta tesis, se puede confirmar que las muestras de fibra de carbono tienen mejores propiedades mecánicas que las muestras de fibra de vidrio. En particular, la rigidez y la máxima resistencia a la tracción de las muestras de fibra de carbono es significativamente mayor que la resistencia de las muestras de fibra de vidrio. Por lo contrario, las muestras de fibra de vidrio poseen más ductilidad, ya que pueden absorber más energía de deformación que las muestras de fibra de carbono. A través de la realización de este proyecto, se puede confirmar que, debido a los requisitos de la industria aeroespacial, el uso de materiales compuestos de fibra de carbono para aplicaciones aeroespaciales predomina sobre los materiales compuestos de fibra de vidrio, si el coste es secundario, ya que los materiales compuestos de fibra de carbono tienen mejores resultados que se adaptan mejor a la mayoría de las aplicaciones de esta gran industria. Por lo tanto, es importante que los estudiantes del grado en Ingeniería Aeroespacial obtengan valiosos conocimientos sobre estos materiales mediante, por ejemplo, las actividades prácticas propuestas en este trabajo.

Even though the aerospace market is only about 1% of the total composites market, it remains highly important for the entire composites industry because of its hightech image and the associated technological developments. In the aerospace industry, carbon-fiber composites have been used to make the casings of rocket motors, the launch tubes from which the missiles are fired, the missile motor housing, many components of the aircraft airframes, etc. Moreover, some space vehicles, such as the space shuttle, use carbon-carbon composites when the heat resistance is critical to its performance. At first, carbon-fiber composites were used in some non-critical components of aircraft, such as access doors and engine cowlings. Military aircraft adopted carbon-fiber composites earlier than commercial aircraft due to the lower safety requirements, like the F-16 or F-18. Aircraft like the B-2 and F-22 are entirely made of composites. Most helicopter blades are made of fiberglass or combinations of fiberglass and carbon-fiber, and the fuselage of many helicopters is also made of composites. In detail, the main goals of this thesis are: 1) study the basis of composite materials in order to understand the experimental and numerical results; 2) fabricate composite samples and test experimentally these samples with appropriate equipment, and simulate these samples through appropriate software; 3) analyze the experimental and model results and confirm which material has better mechanical properties; and 4) design hands-on activities for future students of Science and Technology of Materials (CTM), a 2nd grade subject of the Bacherlor’s degree in Aerospace Engineering. Through the experimental and numerical study of this thesis, it can be confirmed that carbon-fiber samples have better mechanical properties than glass-fiber samples. Particularly, the stiffness and the ultimate tensile strength of the carbonfiber samples is significantly higher than those of the glass-fiber samples. On the contrary, glass-fiber samples exhibit more ductility as they can absorb more deformation energy than carbon-fiber samples. After the realization of this project, it can be confirmed that, due to the aerospace industry requirements, the use of carbon-fiber composites for aerospace applications predominates over glass-fiber composites, if the cost is secondary, as carbon-fiber composites have better mechanical properties that fit better most applications in this large industry. Thus, it is important that students of the Bacherlor’s degree in Aerospace Engineering gain valuable knowledge on these materials by means of, for instance, the hands-on activities proposed in this work