Graphite epoxy composites lack effective mechanisms for absorbing local impact energy often resulting in penetration and a structural strength reduction. The effect of adding small amounts of two types of high strain hybrid components on the impact resistance of graphite epoxy composites subjected to projectiles traveling at ballistic velocities (greater than 900 ft/sec) has been studied. The hybrid components tested include superelastic shape memory alloy (SMA), a material having an unusually high stra in to failure (15 - 20%), and a high performance extended chain polyethylene (ECPE) known as Spectra™, a polymer fiber traditionally used in soft and hard body armor applications. 1.2% volume fraction superelastic SMA fiber layer was embedded on the specimens front, middle, and backface to determine the best location for a hybrid component in the graphite composite. From visual observation and energy absorption values, it was concluded that the backface is the most suitable location for a high strain hybrid component. Unlike the front and middle locations, the hybrid component is not restricted from straining by surrounding graphite material. However, no significant increases in energy absorption were found when two perpendicular SMA layers and an SMA-aramid weave configuration were tested on the backface. In all cases, the embedded SMA fibers were pulled through the graphite without straining to their full potential. It is believed that this is due to high strain rate effects coupled with a strain mismatch between the tough SMA and the brittle epoxy resin. However, a significant increase in energy absorption was found by adding ECPE layers to the backface of the composite . With only a 12% increase in total composite mass, a 99% increase in energy absorption was observed. / Master of Science

Ce mémoire présente une étude de la délamination dans des matériaux composites tissés taffetas. Des essais expérimentaux ont été réalisés afin de caractériser la délamination selon les modes purs I et II et pour plusieurs combinaisons des modes mixés I et II, respectivement avec des essais DCB, ENF et MMB de la mécanique de la rupture. Les standards ASTM ont été suivis. Deux stratifiés ont été testés, un [0/90]12 et un [45/-45]12, et leurs résultats sont comparés. Des modèles numériques ont été créés sur Abaqus afin de simuler les essais expérimentaux. La méthode de la zone cohésive a été utilisée dans des analyses statiques en utilisant le solveur Abaqus/Standard. Les résultats des modèles numériques sont comparés aux résultats expérimentaux et leur validité est discutée. / This thesis is about the delamination of plain weave woven composite materials. Some experimental tests have been conducted to characterize the delamination for the pure modes I and II and for several combinations of mixed mode I and II, respectively with the DCB, ENF and MMB fracture mechanics tests. ASTM standards have been followed. Two laminate lay-ups were tested, one [0/90]12 and one [45/-45]12 and their results are compared. Numerical models have been created on Abaqus to simulate the experimental tests. The method of cohesive zone model has been used for static analyses using the Abaqus/Standard solver. Numerical models results are compared to experimental results and their validity is discussed.

Les nouvelles méthodes de réparation et de réhabilitation des structures ont toujours préoccupé les ingénieurs civils. Le climat rigoureux de notre pays, et le vieillissement rapide de nos structures qui en résulte, amènent des coûts énormes pour les propriétaires des structures. L'utilisation des matériaux composite s'avère une méthode de plus en plus courante lors de la réfection des structures en béton armé. En effet, ces matériaux ne sont utilisés que depuis environ dix ans, mais ils ont su démontrer jusqu'à maintenant de nombreux avantages. L'objectif de cette recherche est de décrire le comportement des poutres en béton armé renforcées avec des matériaux composites. Le collage de ce type de matériaux sur les poutres en béton armé permet d'augmenter leur résistance ultime en flexion et en cisaillement. À ce jour, il n'y a pas de norme concernant la conception d'un renforcement avec ces matériaux. Ce mémoire propose alors un modèle permettant de prédire le comportement des poutres en béton armé renforcées avec ces matériaux et suggère une méthode de conception pour le renforcement en flexion et en cisaillement. Les modèles expliqués se basent sur les normes existantes de béton armé, mais considèrent l'ajout du matériau composite sur le comportement de l'ensemble. Les modèles étudiés ont permis l'élaboration de logiciels d'analyse qui permettent d'aider les concepteurs à bien utiliser ces nouveaux matériaux. Ainsi, avec la description des méthodes de conception et de leur validation avec les résultats obtenus en laboratoires par Lamothe (1999), les ingénieurs ont maintenant une référence supplémentaire pour effectuer les calculs de conception et utiliser adéquatement ces matériaux d'avant-garde que sont les composites.

Use of lightweight materials is an important part of reduction of fuel consumption by commercial aircraft. A considerable number of structural aircraft parts are therefore built of thin layers of epoxy pre-impregnated carbon fibres stacked to laminates. Manufacturing these by hand is costly and different methods of automation have therefore been developed. One cost-effective way of manufacturing is Automated Tape Lay-up of flat stacks followed by a Hot Drape Forming operation. A well-known problem in the industry within forming is fibre wrinkling, which can cause a serious strength knock down. The focus of this thesis has therefore been on understanding how and why wrinkles develop during forming of multi-layer stacks and, based on this, investigate different methods for process and material improvements. The work presented initially investigates the dependency between stacking sequence and wrinkle development. It is shown that wrinkle free forming can be obtained by changing the fibre stacking order. In the following investigation it is shown that the wrinkles cannot be entirely eliminated by local stiffening of the critical layers. In a, related study it is shown that different kinds of wrinkles develops during forming; wrinkles may be either due to global buckling of the entire lay-up or local compression of single layers. Global buckling is due to excessive material. Local compression occurs as the material shear during forming. The work presented leads to an understanding of the importance of making the beneficial neighbouring fibre layers interact during forming. One way to connect neighbouring layers is to tailor the interlayer properties. A study is presented that shows how local manipulation of interlayer properties may steer the multi-layered material into a different deformation mechanisms. The manipulation in this thesis is performed using Multi Wall Carbon Nano Tubes, thermoplastic veils or consolidation of thermoplastic toughener particle interlayers. / <p>QC 20160425</p>

Dans le contexte de la production d’éthanol cellulosique, la cellulose doit être hydrolysée par voie chimique ou enzymatique. Dans ce procédé d’hydrolyse, la partie cristalline de la cellulose est plus difficilement fragmentable, ce qui entraîne des coûts supplémentaires dues au temps de traitement plus élevé ou à la quantité supplémentaire de produits chimiques nécessaires. Dans l’optique de réduire les coûts de l’hydrolyse tout en recherchant une voie pour valoriser la cellulose cristalline, l’idée de fabriquer des composites polymères/cellulose est attrayante. L’objectif du présent travail a donc été de valider si la cellulose microcristalline tirée d’un processus d’hydrolyse acide pourrait mener à de nouveaux matériaux composites à valeur ajoutée. Un obstacle anticipé dans le projet a été la faible adhésion de la cellulose, hydrophile et polaire, aux polymères généralement beaucoup moins polaires. Le développement de composites performants et l’atteinte de teneurs élevés en cellulose microcristalline a donc inclus, sur le plan chimique, l’objectif de comparer divers traitements de surface de la cellulose qui permettrait de pallier aux défis anticipés. La méthodologie utilisée dans ce projet a consisté à développer et optimiser un protocole de modification chimique sur de la cellulose microcristalline commerciale à l’échelle laboratoire. Les celluloses modifiées ont été soumises à une caractérisation par analyse de l’angle de contact pour caractériser l’hydrophobicité des fibres, par spectrométrie photoélectronique X pour l’analyse de la composition chimique des fibres, par granulométrie laser pour mesurer la longueur des différentes fibres et microscopie optique pour l’observation de la longueur des fibres. Toutes les techniques ont été utilisées afin de comparer les propriétés des celluloses modifiées à celles de la cellulose de référence. La cellulose de référence et les celluloses modifiées chimiquement ont ensuite été mélangées à des concentrations de 0 à 50% avec du polyéthylène de basse densité à l’état fondu en utilisant un mélangeur interne de type Brabender®. Les composites ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage pour analyser la morphologie de mélange sur les surfaces de rupture et l’homogénéité du mélange, par des analyses rhéologiques afin d’obtenir la viscosité en fonction du cisaillement et par des essais de traction afin de déterminer leur Module de Young, leur résistance à la traction et leur élongation à la rupture. Ces caractéristiques permettent de prévoir la performance des composites dans des applications structurales.

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