Modeling of load transfer in ceramic matrix composites

Abstract

Este trabalho se dedica a apresentar alguns modelos de transferência de carga entre uma matriz porosa e fibras em compósitos de matriz cerâmica. Um modelo analítico para a transferência de carga em fibras curtas é desenvolvido, baseado em modelos já existentes para compósitos poliméricos. Além disso, a geometria e a resistência das fibras, juntamente com a porosidade da matriz são incluídas na presente análise. As curvas teóricas para as tensões longitudinais e de cisalhamento ao longo da interface fibra-matriz são apresentadas. Elas alcançam um máximo no meio das fibras curtas. Torna-se evidente que o comprimento crítico é governado pelo conjunto de propriedades da fibra e da matriz, que influenciam a capacidade de transferência de carga nos compósitos. Adicionalmente, a solução simplificada apresentada facilita o entendimento dos mecanismos interfaciais se utilizando de uma matriz porosa. Outro foco do trabalho é um algoritmo que simula o teste de feixes contínuos de fibras cerâmicas usando-se métodos de Monte Carlo. É mostrado que a resistência do feixe é sempre menor que a resistência média das fibras testadas individualmente. Tal comportamento é explicado por modelos de transferência de carga. Neste trabalho, diferentes modelos de transferência de carga foram implementados em uma simulação de um ensaio de tração em feixes de fibras. Os resultados estão de acordo com os experimentos de fibra simples e feixe realizados e constituem uma ferramenta útil para o projeto de materiais reforçados com fibras cerâmicas.

The aim of this work is to present some models of load transfer between porous matrix and fibers in ceramic matrix composites. An analytical model for short fibers is developed, based on the earlier shear-lag models used for polymeric composites. Moreover, geometry and strength of fibers in addition to the matrix porosity are included in the present analysis. The theoretical curves for the longitudinal and shear stress distribution along the fiber-porous matrix interface are presented. They exhibited a maximum strength point at the middle of the short fibers. It became evident that the critical length is governed by the relative properties of the fibers, matrix and porosity, which greatly influenced the load carrying capacity of the fibers in the composites. In addition, the present simplified solution facilitates the understanding of the interface mechanism using porous matrix. In addition, a bundle testing routine is implemented using Monte Carlo methods. It is common knowledge that for bundles of fibers in composites, that the bundle strength is always less than the sum of the fiber strengths. This behavior can be explained by load-sharing models. At this work, different load sharing models were implemented on a simulated tensile test of ceramic oxide fibers. The results are in agreement with the experimental results of single-fiber and bundle testing and constitute a useful tool for the design of fiber-reinforced materials.