Mechanical and Tribological Characterization of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) for Aerospace Applications

Abstract

O objetivo principal desta dissertação, que teve duração de 5 meses, foi para investigar o comportamento de um polímero reforçado com fibras de carbono (PRFC) em relação a vários metais. O estudo foi dividido em duas partes. A primeira parte envolveu a realização de ensaios usando um tribómetro para examinar a interação entre um cilindro de carboneto de tungsténio e um anel de CFRP, titânio e também um compósito de ambos os materiais. Na segunda fase, uma peça de CFRP foi testada contra bolas de titânio e alumínio. Para estabelecer uma base de comparação, diferentes testes foram realizados com diferentes valores de força, tempo de deslizamento e orientação das fibras, e isso facilitou a observação das marcas de desgaste, do volume do desgaste, e do coeficiente de atrito. Para melhor caracterizar os resultados, várias técnicas analíticas foram realizadas, incluindo profilometria, microscópio ótico, programação de LabVIEW, and scanning electron microscopy (SEM). Estes métodos permitiram a determinação do coeficiente de atrito e também do volume de desgaste na espécie de CFRP e nos respetivos contra corpos.Como todos os testes foram realizados sem lubrificação, resultante em condições secas, o coeficiente de atrito obtido teve valores relativamente elevados. Generalmente, observou-se que os valores caracterizados foram influenciados pela força aplicada, pelos materiais específicos usados em cada ensaio e pela orientação das fibras na peça do polímero reforçado com fibras de carbono.

The main goal of this work, that had a duration of 5 months, was to investigate the behavior of a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) against various metals. The study was divided into two parts. In the first part tests were conducted using a tribometer in order to see the interaction that we had between a cylinder of tungsten carbide and a ring made of CFRP, titanium and a ring of a composite of both materials. In the second part, a piece of CFRP was tested against titanium and aluminium balls. In order to be able to draw some comparisons, different tests were made with different load values,sliding times and orientation of the fibers, as this made it easier to observe wear marks, wear volume, and the coefficient of friction. To better characterize the results, some analytical techniques were employed, such as profilometry, optical microscopy, LabVIEW programming, and scanning electron microscopy (SEM). With the help of these characterization techniques, it was possible to determine the coefficient of friction as well as the wear volume on both CFRP specimen and respective counter bodies.Since all the tests were performed without lubrication, resulting in dry conditions, the coefficient of friction had relatively higher values, compared to the ones with lubrication.In a general way, it was observed that the characterized values were influenced by the applied load, the specific materials used in the tests as well as the orientation of the fiber on the Carbon fiber reinforced polymer piece.