ANALYSIS OF NOVEL 3D FIBRE REINFORCED NATURAL FIBRE HYBRID COMPOSITES FOR HIGH PERFORMANCE BONDED JOINTS

Abstract

The modern human industry finds itself at a pivotal point. Every sector must address the unavoidable effects of climate change due to global warming. This is linked to the emissions caused by non-renewable fossil fuels. In this context, the applications of renewable materials with natural sources with much decreased environmental impact is imperative. In composite material science, this comes in the form of natural fibrereinforced composites (NFRCs). Among the many challenges faced by any new material to be used by various industrial sectors, the joining of these materials to larger structures must be addressed. As such, this research focused on the development and characterization of a novel approach in order to enhance the bonded joint performance of NFRCs. The issue arises from the lower mechanical properties of natural fibres (i.e., jute, sisal and curauá) when compared to classical synthetic fibres (i.e., glass and carbon). These lower fibre properties translate to lower composite properties, which in turn, under the loads of a single lap joint (SLJ), fails prematurely. The novel technique applied in this research leverages the reinforcement fibre architecture to enhance the transverse (out-ofplane) composite properties such that premature delamination failures due to overlap edge rotation (peel stresses) are decreased or avoided. The aim of this technique was to enhance the bonded joint performance (i.e., failure load) of NFRCs, such that it matched that of the synthetic joints of glass and carbon (i.e., GFRP and CFRP). The 3-dimensional orthogonal-through-the-thickness reinforcement technique (3D OTT) managed to succeed in this effort with two distinct secondary reinforcement fibres, SISAL and CURAUÁ. Having reached the main objective of this research, a large envelope of material characterization remains in order to facilitate a wider industrial application of these novel 3D NFRCs. Therefore, quasi-static and dynamic mechanical analysis were conducted as well as post-mortem analysis via microscopy and X-ray microtomography was used to characterize these materials. It was found generally, that for the classical inplane quasi-static material properties, the 3D reinforcement did not present highly significant variations, which is aligned with the prevailing literature for synthetic 3D composites. Furthermore, for the drop-dart impact properties, it was found that the 3D architecture presents a highly significant improvement in the low velocity impact (LVI) fatigue life (i.e., enhancements of up to 2x and 3.6x were found for the CURAUÁ and SISAL 3D specimens, respectively. Moreover, the microCT analysis demonstrates that the simple compression molding technique used in this research managed to fabricate NFRCs with void fractions lower than 5%, which is the acceptable threshold for automotive applications. Therefore, this research effort applied novel materials with a clear intent of enhancing the SLJ performance of NFRCs. Upon reaching its goal, a large experimental envelope towards a better understanding of these novel materials for wider industrial applications was demonstrated.

A indústria humana moderna se encontra em um ponto crucial. Cada setor deve enfrentar os efeitos inevitáveis das mudanças climáticas devido ao aquecimento global. Isso está ligado às emissões causadas pela queima de combustíveis fósseis não renováveis. Nesse contexto, as aplicações de materiais renováveis de fontes naturais e com impacto ambiental muito reduzido são imperativas. Na ciência dos materiais compósitos, isso se apresenta na forma de compósitos reforçados com fibras naturais. (NFRCs). Entre os muitos desafios enfrentados por qualquer novo material a ser utilizado por diversos setores industriais, a junção desses materiais a estruturas maiores deve ser abordada. Assim, esta pesquisa focou no desenvolvimento e caracterização de uma abordagem inovadora para melhorar o desempenho das juntas coladas de NFRCs. A questão surge das propriedades mecânicas inferiores das fibras naturais (i.e., juta, sisal e curauá) quando comparadas às fibras sintéticas clássicas. (i.e., vidro e carbono). Essas propriedades inferiores das fibras se traduzem em propriedades inferiores do compósito, que, por sua vez, sob as cargas de uma junta de sobreposição simples (SLJ), falha prematuramente. A técnica inovadora aplicada nesta pesquisa utiliza a arquitetura das fibras de reforço para melhorar as propriedades transversais (fora do plano) dos compósitos, de modo que falhas prematuras de delaminação devido à rotação da borda de sobreposição (tensões de arrancamento) sejam diminuídas ou evitadas. O objetivo desta técnica era melhorar o desempenho da junta colada (ou seja, a carga de falha) dos NFRCs, de modo que correspondesse ao das juntas sintéticas de vidro e carbono. (i.e., GFRP e CFRP). A técnica de reforço ortogonal tridimensional através da espessura (3D OTT) conseguiu ter sucesso nesse esforço com duas fibras de reforço secundárias distintas, SISAL e CURAUÁ. Tendo alcançado o principal objetivo desta pesquisa, permanece um amplo espectro de caracterização de materiais para facilitar uma aplicação industrial mais ampla desses novos NFRCs 3D. Portanto, foram realizadas análises mecânicas quasi-estáticas e dinâmicas, bem como análises pós-falha por meio de microscopia e microtomografia por raios X para caracterizar esses materiais. Foi encontrado, de maneira geral, que para as propriedades clássicas de materiais quasi-estáticos no plano, o reforço 3D não apresentou variações altamente significativas, o que está alinhado com a literatura predominante para compósitos 3D sintéticos. Além disso, para as propriedades de impacto de queda, foi encontrado que a arquitetura 3D apresenta uma melhoria altamente significativa na vida útil de fadiga de impacto de baixa velocidade (LVI) ou seja, foram encontradas melhorias de até 2x e 3,6x para os espécimes 3D de CURAUÁ e SISAL, respectivamente. Além disso, a análise de microCT demonstra que a técnica simples de moldagem por compressão utilizada nesta pesquisa conseguiu fabricar NFRCs com frações de vazios inferiores a 5%, que é o limite aceitável para aplicações automotivas. Portanto, esta pesquisa aplicou materiais inovadores com a clara intenção de melhorar o desempenho SLJ dos NFRCs. Ao alcançar seu objetivo, foi aplicado uma grande gama experimental de modo a melhorar a compreensão desses novos materiais para aplicações industriais mais amplas.