J-Integral Experimental Reduction Reveals Fracture Toughness Improvements in Thin-Ply Carbon Fiber Laminates with Aligned Carbon Nanotube Interlaminar Reinforcement

材料科学 复合材料 碳纳米管 断裂韧性 环氧树脂 韧性 偏转(物理) 超细纤维 复合数 复合材料层合板 断裂力学 物理 光学
作者
Carolina Furtado,Reed Kopp,Xinchen Ni,C. Sarrado,Estelle Kalfon‐Cohen,Brian L. Wardle,Pedro P. Camanho
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/acsami.3c17333
摘要

The Mode I, Mode II, and mixed-mode interlaminar failure behavior of a thin-ply (54 gsm) carbon fiber-epoxy laminated composite reinforced by 20 μm tall z-direction-aligned carbon nanotubes (CNTs), comprising ∼50 billion CNT fibers per cm2, is analyzed following J-integral-based data reduction methods. The inclusion of aligned CNTs in the ply interfaces provides enhanced crack resistance, resulting in sustained crack deflection from the reinforced interlaminar region to the intralaminar region of the adjacent plies, i.e., the CNTs drive the crack from the interlaminar region into the plies. The CNTs do not appreciably increase the interlaminar thickness or laminate weight and preserve the intralaminar microfiber morphology. Improvements of 34 and 62% on the Mode I and Mode II initiation fracture toughness, respectively, are observed. This type of interlaminar nanoreinforcement effectively drives crack propagation from the interface to within the ply where the crack propagates parallel to the interlaminar region, providing new insight into previously reported strength and fatigue performance increases. These findings extend to industries where lightweight and durable materials are critical for improving the structural efficiency.

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