Hygro-thermal stability of composite materials for radio telescopes Peter Lundmark Polymerteknik Luleå Tekniska Universitet

Målet med projektet Att studera ett kolfiberbaserat kompositmaterials förmåga att behålla hög styvhet och dimensionell stabilitet i extrema förhållanden (temperatur, mekaniska laster, åldring) typiska för rymden. Analysera utveckling och påverkan av mikroskador. Utveckla skademekanik som leder till användbara materialmodeller lämpliga för FEM analys av strukturer.

Hur är en komposit uppbyggd? Består av flera skikt Varje skikt består av fibrer och en matris I varje skikt ligger fibrerna i samma riktning Skikten har betydligt bättre egenskaper i fiberriktningen Om man vill ha ett komposit med bra egenskaper i alla riktningar så läggs skikten så att fiberorienteringen varieras.

Mikrosprickor Kan uppstå på grund av många olika faktorer: Mekaniska krafter (vanligast) Miljöpåverkan - statiska - strålning - dynamiska - fukt - höga/låga temperaturer sprickdensitet = antal sprickor/mm

Mikrosprickor på grund av temperaturförändringar Skiktens värmeutvidgningskoefficient i fiberriktningen är betydlig lägre än för tvärs fiberriktningen. Detta medför att i en viss riktning så vill ett skikt utvidga eller krympa betydligt mer än det intilliggande skiktet. Detta leder till höga spänningar i skikten, vilka kan leda till sprickbildning. Hur påverkar mikrosprickorna kompositens egenskaperna?

Vi har utvecklat en modell som tar hänsyn till dessa mikrosprickor Indata till modellen: Egenskaperna för ett oskadat laminat Sprickdensiteten Resultat: Alla elastiska egenskaper för det skadade laminatet Den framarbetade modellen har verifierats/validerats med FEM och experimentella data. OBS! Alla sprickor antas vara raka och tillräckligt långt ifrån varandra så att de inte påverkar varandra.

Kompositer i rymdmiljö utsätts ofta för belastningar vid låga temperaturer. Behållare med flytande kväve (ca -150˚ C) rumstemperatur F F

Sen försökte vi använda modellen på laminaten belastade vid -150˚ C Ganska stor avvikelse mellan modellens prediktering och mätningarna VARFÖR? Utförliga studier i mikroskop visade följande skillnad:

Sprickor vid låga temperaturer Sprickor vid rumstemp Sprickor vid låga temperaturer

Lösning! Försöka modellera de sprickmönster som vi ser med FEM och därigenom utreda vad som egentligen händer när sprickorna inte är så ideala som modellen kräver. Detta leder förhoppningsvis till samband som beskriver hur de olika spricktyperna påverkar egenskaperna hos laminatet. Dessa kan sedan användas för att göra modellen mer generell.