Tensão de ruptura verdadeira sob tração de fibras cerâmicas em feixes : experimentos e simulação

Abstract

Fibras de materiais cerâmicos óxidos apresentam características peculiares de alta resistência mecânica e estabilidade química em ambientes de alta temperatura. Por conta disto, tais materiais podem ser empregados em sistemas de isolamento térmico bem como em compósitos de matriz cerâmica para aplicações aeroespaciais onde estabilidade estrutural é requerida. Tendo em vista isso, a compreensão do comportamento mecânico deste material é de grande interesse. Nesse trabalho, foi investigado por meio de experimentos e simulação o comportamento sob tração até a tensão verdadeira de ruptura de 2 tipos diferentes de fibras cerâmicas em feixes. As fibras cerâmicas utilizadas foram as comerciais Nextel 610 (alumina) e Nextel 720 (mulita), produzidas pela empresa 3M. Amostras foram submetidas a ensaios de tração utilizando corpos de prova com diferentes quantidades de fibras para a determinação de sua tensão verdadeira de ruptura. Para o cálculo desta, foi proposto um método baseado na detecção e classificação de sinais de ruptura em classes de carregamento. Os resultados experimentais obtidos revelaram um comportamento de aumento de mais de cinquenta por cento da tensão de ruptura verdadeira dos feixes de fibras com crescente quantidades de fibras. Em paralelo, simulações foram desenvolvidas e executas com o objetivo de determinar a tensão de ruptura verdadeira das fibras baseado nos parâmetros da distribuição de Weibull para a ruptura de fibras simples. Para isto, um novo sistema de posicionamento de fibras foi desenvolvido juntamente com um novo algoritmo de detecção de vizinhança para a implementação de modelos de compartilhamento de carga na simulação. Ainda, um novo modelo de compartilhamento de carga baseado no espalhamento do carregamento compartilhado foi proposto e aplicado no algoritmo de simulação. Por meio do método computacional, também se verificou uma crescente tensão de ruptura verdadeira dos feixes de fibras com a quantidade de fibras inicial do feixe nas mesmas proporções dos dados experimentais. No entanto, os modelos de compartilhamento de carga apresentaram resultados pouco diferentes, impedindo a determinação do modelo mais adequado para o estudo do fenômeno. Por fim, suposições foram feitas em relação ao desempenho dos modelos e algumas explanações dadas a fim de auxiliar a compreensão do fenômeno da variação da tensão de ruptura verdadeira dos feixes de fibras cerâmicas.

Fibers of oxide ceramic materials have peculiar characteristics of high mechanical resistance and chemical stability in high temperature environments. Because of this, such materials can be used in thermal insulation systems as well as in ceramic matrix composites for aerospace applications where structural stability is required. In view of this, understanding the mechanical behavior of this material is of great interest. In this work, it was investigated through experiments and simulation the behavior under tension until the real breaking tension of 2 different types of ceramic fibers in bundles. The ceramic fibers used were the commercial Nextel 610 (alumina) and Nextel 720 (mullite), produced by the company 3M. Samples were subjected to tensile tests using specimens with different amounts of fibers to determine their true tensile strength. To calculate this, a method based on the detection and classification of rupture signals in loading classes was proposed. The experimental results obtained revealed an increase behavior of more than fifty percent of the true tensile strength of the fiber bundles with increasing amounts of fibers. In parallel, simulations were developed and performed with the objective of determining the true fiber breaking stress based on the Weibull distribution parameters for single fiber breaking. For this, a new fiber positioning system was developed together with a new neighborhood detection algorithm for the implementation of load sharing models in the simulation. In addition, a new load sharing model based on spreading the shared load was proposed and applied to the simulation algorithm. Through the computational method, there was also an increasing true tensile strength of the fiber bundles with the initial fiber quantity of the bundle in the same proportions as the experimental data. However, the load sharing models showed slightly different results, preventing the determination of the most appropriate model for the study of the phenomenon. Finally, assumptions were made in relation to the performance of the models and some explanations given in order to assist the understanding of the phenomenon of variation in the true rupture stress of the bundles of ceramic fibers.