[논문 리뷰] Homogenization of plain weave Carbon-Carbon composites with imperfect microstructure

Jan Vorel, Jan Zeman외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 22.

Mechanical Behavior of Composites참고 문헌 45인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 평직 탄소-탄소 복합재료의 실제 미세구조적 결함, 즉 층 중첩, 이동, 미세 체적 다공성 등을 타원체 형상의 공극으로 모의하기 위해 수정된 이중층 통계적 등가 주기 단위세포를 제안한다. 이 방법은 효과적 열전도도 및 탄성 강성 예측 정확도를 향상시키며, 실험 데이터 및 Mori-Tanaka 방법과의 비교를 통해 복합 섬유 복합재 거동 모의의 높은 신뢰성을 입증한다.

ABSTRACT

A two-layer statistically equivalent periodic unit cell is offered to predict a macroscopic response of plain weave multilayer carbon-carbon textile composites. Falling-short in describing the most typical geometrical imperfections of these material systems the original formulation presented in (Zeman and Sejnoha, International Journal of Solids and Structures, 41 (2004), pp. 6549--6571) is substantially modified, now allowing for nesting and mutual shift of individual layers of textile fabric in all three directions. Yet, the most valuable asset of the present formulation is seen in the possibility of reflecting the influence of negligible meso-scale porosity through a system of oblate spheroidal voids introduced in between the two layers of the unit cell. Numerical predictions of both the effective thermal conductivities and elastic stiffnesses and their comparison with available laboratory data and the results derived using the Mori-Tanaka averaging scheme support credibility of the present approach, about as much as the reliability of local mechanical properties found from nanoindentation tests performed directly on the analyzed composite samples.

연구 동기 및 목표

• 평직 탄소-탄소 복합재에서 흔히 발생하는 기하학적 결함을 정확히 반영하지 못하는 기존 모델의 한계를 해결하기 위해.
• 층 중첩, 세 축 방향에서의 상호 이동, 그리고 무시할 만한 수준의 미세 체적 다공성과 같은 실제 미세구조적 특징을 포함하기 위해.
• 층 간에 타원체 형상의 공극 시스템을 통합하여 효과적 열전도도 및 탄성 강성 예측 정확도를 향상시키기 위해.
• 실험실에서 확보한 실험 데이터 및 Mori-Tanaka와 같은 기존 평균화 기법과의 비교를 통해 제안된 모델을 검증하기 위해.
• 나노인덴테이션으로 유도된 국소 기계적 성질로부터 유도된 국소 기계적 성질과의 연관성을 통해 모델의 신뢰성을 뒷받침하기 위해.

제안 방법

• 다층 평직 탄소-탄소 복합재의 계층적 구조를 나타내기 위해 이중층 통계적 등가 주기 단위세포를 개발한다.
• 실제 제조 공정의 변동성을 반영하기 위해 모든 3차원 공간 방향에서 직물 층의 중첩 및 상호 이동을 가능하게 하기 위한 기하학적 수정을 도입한다.
• 통상적인 모델에서 간과되는, 주로 미세 체적 다공성을 모의하기 위해 층 간 영역에 타원체 형상의 공극 시스템을 통합한다.
• 수정된 단위세포에서 효과적 열전도도 및 탄성 강성을 계산하기 위해 동질화 기법을 적용한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 거시적 거동을 예측하고, 실험 데이터 및 Mori-Tanaka 평균화 기법과 비교한다.
• 예측된 효과적 성질과 측정된 성질 간의 일치도를 평가하여 모델의 정확도를 검증하며, 나노인덴테이션으로 유도된 국소 성질과의 일致성도 점검한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 미세구조적 결함을 고려함으로써 평직 탄소-탄소 복합재의 거시적 효과적 열전도도 및 탄성 강성 예측 정확도는 어떻게 향상될 수 있는가?
• RQ2 층 간에 타원체 형상의 공극을 포함시키는 것이 모델의 미세 체적 다공성 영향 반영 능력에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 3차원에서의 층 중첩 및 이동은 예측된 효과적 기계적 및 열적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 제안된 모델은 실험 데이터 및 Mori-Tanaka 평균화 기법과 비교하여 복합재 거동 예측에서 정량적으로 어떻게 비교될 수 있는가?
• RQ5 나노인덴테이션 측정값으로 유도된 국소 기계적 성질과의 비교를 통해 모델의 예측 결과는 신뢰할 수 있는가?

주요 결과

• 수정된 단위세포는 층 중첩 및 이동과 같은 핵심적인 미세구조적 결함을 효과적으로 반영하여 이전의 수식보다 훨씬 현실적인 모의를 가능하게 했다.
• 타원체 형상의 공극 도입으로 무시할 수 있는 수준의 미세 체적 다공성을 정확히 표현할 수 있었으며, 이는 효과적 성질 예측의 신뢰성 향상에 필수적인 요소였다.
• 효과적 열전도도 및 탄성 강성에 대한 수치 예측 결과는 가용한 실험 측정값과 강한 일치를 보였다.
• 모델의 예측 결과는 Mori-Tanaka 평균화 기법으로부터 도출된 결과와 동등한 정확도를 보이며, 모델의 강건성을 검증하였다.
• 모델의 거시적 예측 결과와 나노인덴테이션으로 유도된 국소 기계적 성질 간의 일致성은 모델링 방법과 실험 데이터의 신뢰성 모두를 뒷받침한다.
• 전반적으로 복합 섬유 복합재의 모의 정밀도가 향상되었으며, 특히 미세 구조적 기하학적 이탈이 거시적 거동에 미치는 영향을 잘 포착하는 데 뛰어난 성능을 보였다.