Tesis doctorals (D-F)http://hdl.handle.net/10256/43822024-03-28T18:35:32Z2024-03-28T18:35:32ZProduction and characterization of magnetic iron-based materials by mechanical alloying, arc melting, and spark plasma sinteringZaara, Kaoutherhttp://hdl.handle.net/10256/243552024-02-06T14:26:55Z2023-11-03T00:00:00ZProduction and characterization of magnetic iron-based materials by mechanical alloying, arc melting, and spark plasma sintering
Zaara, Kaouther
This thesis dissertation discusses the microstructure, thermal behavior, magnetic and mechanical properties of some Fe-based alloys and a high entropy alloy (HEA) in the form of mechanically alloyed powders or bulk solids, taking into account processing conditions. The Fe-based alloys are utilized extensively in sectors such as aircraft production, military, industrial, medical, and manufacturing, while the HEA materials are ideal materials for compressors, combustion chambers, exhaust nozzles, and gas turbine case applications in gas turbine engines. Five alloys (Fe70Ni12B16Si2, Fe80X8B12(X=Nb,NiZr), FeCoNiB0.5Si0.5 (HEA), Fe65Ni28Mn7 and FeCoMn) were synthesized and their structural, thermal, and magnetic properties were investigated. Mechanical characteristics of bulk alloys have also been examined. Based on the manufacturing procedure of the powders or bulk samples, all alloys were compared: structurally, magnetically, and mechanically; Aquesta tesi doctoral analitza la microestructura, el comportament tèrmic i les propietats magnètiques i mecàniques d'alguns aliatges de base Fe i d'un aliatge d'alta entropia (HEA) en forma de pols (aliat mecànic) o en forma de sòlid, tenint en compte les condicions de processat. Els aliatges a base de Fe s'utilitzen àmpliament en sectors com la producció aeronàutica, militar, industrial, mèdica i de fabricació; mentre que els materials HEA són materials ideals per a compressors, càmeres de combustió, toveres d'escapament i aplicacions de en motors de turbines de gas.
S'han produït cinc aliatges (Fe70Ni12B16Si2, Fe80X8B12(X=Nb,NiZr), FeCoNiB0.5Si0.5 (HEA), Fe65Ni28Mn7 and FeCoMn) i se n'han investigat les propietats estructurals, tèrmiques i magnètiques. Pel que fa al procediment de fabricació de les pólvores o mostres massives, s'ha procedit a la comparació de tots els aliatges: estructural, magnètica i mecànica
2023-11-03T00:00:00ZAnalysis of creep crack growth in adhesively bonded joints under mode I loadingMeulman, Edwinhttp://hdl.handle.net/10256/239132024-01-09T07:40:18Z2023-10-06T00:00:00ZAnalysis of creep crack growth in adhesively bonded joints under mode I loading
Meulman, Edwin
Adhesive bonds could replace more traditional mechanical joints, making structures lighter and smoother. Stresses are distributed over a larger area, and dissimilar materials can be bonded, accommodating differences in expansion. These advantages of bonded joints are valuable in industries like automotive and aeronautics, where lightweight and aerodynamic design reduces fuel consumption and service costs.
These days structural designs need to be durable. It is crucial to comprehend the long-term performance of bonded joints to create durable ones and establish proper maintenance protocols. A vital aspect that must be considered in designing a durable bonded joint is viscoelastic creep crack growth and how it impacts the structural integrity. Creep crack growth is one of the factors that could impact the longevity of a bonded joint. However, there is a limited availability of test methods and numerical tools to assess the effects of creep crack growth in bonded joints.
In this work, a method is developed to obtain the average crack growth rate (da⁄dt) in mode I as a function of the applied energy release rate (G). The method is based on the wedge test, because it has been found as a good candidate to obtain creep crack growth curves of a bonded joint in mode I. Although, the friction between the wedge and the specimen should be considered and reduced to a minimum. A low friction roller wedge is proposed to achieve that, called the Roller Wedge Driven (RWD) test method. Results have shown that the friction of the roller is indeed significantly lower compared to a sliding wedge but cannot be completely neglected in the data reduction to determine the energy release rate.
Making use of the designed roller wedge test setup, a RWD creep crack growth (RWDC) method is developed. The roller wedge is loaded with a deadweight which result in a constant energy release rate at the crack tip of the bonded joint. Applying for each specimen a different energy release rate results in different creep crack growth rates. Plotting the results on a log-log scale will produce creep crack growth curves that can be described by a Paris' law-like expression; Les unions adhesives tenen un gran potencial per a substituir les unions mecàniques tradicionals, permetent obtenir estructures continues i reduint-ne el seu pes. En una unió adhesiva, les tensions es reparteixen en una àrea més gran i es poden unir materials dissimilars amb diferents coeficients d’expansió tèrmica. Aquests avantatges tenen un alt valor en indústries com la de l’automoció i l'aeronàutica, on disposar de dissenys més lleugers i aerodinàmics permet reduir el consum de combustible i els costos d’operació.
Actualment, els dissenys estructurals han de ser duradors. Per tant, és crucial comprendre el rendiment de les unions adhesives a llarg termini per crear-ne de més duradores i establir protocols de manteniment adequats. Un aspecte vital per tal que el disseny d’una unió adhesiva sigui duradora és la predicció del creixement d’esquerdes degudes a la fluència del material i quin efecte té en la integritat estructural. El creixement d’esquerdes degudes a la fluència del material és un dels factors que tenen un efecte important en la vida de la unió adhesiva. No obstant, fins ara s’han desenvolupat molt poques eines numèriques i mètodes d’assaig per analitzar la fractura d’unions adhesives per fluència.
En aquest treball s'ha desenvolupat un mètode per obtenir la velocitat de creixement d’esquerda (da⁄dt) en funció de l'energia disponible per a la fractura (G). El mètode utilitzat és un assaig de propagació d’esquerda mitjançant una cunya, doncs s’ha observat que aquest assaig és un bon candidat per obtenir corbes de creixement d’esquerda en assaigs de fluència en mode I d’unions adhesives. No obstant, cal tenir en compte la fricció entre la cunya i la mostra i reduir-la al mínim. Per fer-ho, es proposa utilitzar un rodament de baixa fricció com a cunya. A aquest assaig se l’ha anomenat assaig d’avanç de cunya amb rodaments forçat, en anglès “roller wedge driven test” i que porta per sigles RWD. Els resultats de l’assaig s’han comparat amb els del mètode estàndard de doble biga en voladís (“double cantilever beam”) o DCB. Els resultats han demostrat que la fricció del rodament és significativament menor en comparació amb l’obtingut amb una cunya que llisqui directament sobre la superfície de l’adherent, tot i que no es pot ignorar completament l’efecte de la fricció en els resultats.
A partir de l’utillatge de cunya amb rodaments (“roller wedge driven”, RWD) s’ha desenvolupat un assaig de propagació d’esquerda per càrregues de fluència (“roller wedge driven creep, RWDC). La cunya amb rodaments està carregada amb un pes mort, de manera que s’aplica una energia disponible per a la fractura constant a la punta de l’esquerda de la unió adhesiva. Al repetir l’assaig per varis nivells de carrega, i per tant varis nivells d’energia disponible per a la fractura, s’obtenen diferents valors de velocitat de creixement de l’esquerda. Al representar els resultats en una escala logarítmica s’obtindran corbes de creixement d’esquerda que es poden descriure amb una expressió similar a la llei de Paris
2023-10-06T00:00:00ZImplementation of a high-pressure resin transfer molding (HP-RTM) process to increase the production rate of structural composites and characterization of sustainable vitrimer-matrix high-performance compositesBuiles Cárdenas, Cristianhttp://hdl.handle.net/10256/231882023-07-21T06:15:36Z2023-03-20T00:00:00ZImplementation of a high-pressure resin transfer molding (HP-RTM) process to increase the production rate of structural composites and characterization of sustainable vitrimer-matrix high-performance composites
Builes Cárdenas, Cristian
Transport industry, especially automotive, is one of the most pollutant in the world. Current environmental concerns demand original equipment manufacturers (OEM’s) to reduce the amount of emissions released by their vehicles, requiring more green alternatives to mobility.
By reducing the overall vehicle weight, it will be diminished the total amount of pollution for conventional combustion engine vehicles, or increase the autonomy of electric – hybrid vehicles, being the carbon fiber reinforced polymers (CFRP) the best option to reduce overall structural weight.
Thermoset CFRP offer many advantages over traditional automotive materials as steel or aluminum due to their high mechanical strength, high chemical and thermal resistance, dimensional stability and high durability under harsh conditions. But production of high performance CFRP has been limited to time and energy consuming methods as autoclave. Out of autoclave (OoA) solutions as RTM have become interesting manufacturing processes, being cheaper and presenting energetical, economical and logistics savings in comparison.
However, these OoA processes have limitations as long cycle times (specially filling and curing times), limiting the use of high-reactivity resins and making these processes unreliable to be considered for high-volume industries as the automotive, which needs very short cycle times (≈5 minutes). Other process steps as preforming or mold preparation also are time consuming, in which automation becomes a key factor to reduce overall processing time.
Moreover, CFRP are very expensive compared with traditional materials, as the raw fibers alone represent almost half of the total component cost, requiring high-volume manufacturing alternatives to overcome this issue. Furthermore, the current demand of CFRP structures is creating concerns about the amount of waste that these materials would generate in the future, as thermoset polymers are very complex to recycle. Separating the fibers from the matrix implies damaging the reinforcement and reducing their mechanical properties. In addition to current disposal solutions also implying environmental and economic concerns.
This thesis aims to explore the high-pressure resin transfer molding process (HP-RTM) as a feasible alternative to produce high performance CFRP in short cycle times. Additionally, it is complemented by using a new high-performance vitrimer polymer that presents thermoset-like performance while being reprocessable, reconformable and recyclable; La indústria del transport, especialment l'automotriu és una de les més contaminants del món. Les creixents exigències mediambientals estan fent que els principals fabricants del sector (OEM's) redueixin la quantitat d'emissions que produeixin els seus vehicles, demandant alternatives més sostenibles para la mobilitat.
Reduir el pes dels vehicles minoraria la quantitat de contaminants que són emesos cap a l'atmosfera, en vehicles de combustió interna, o incrementaria l'autonomia dels vehicles híbrids o elèctrics, sent els materials compostos reforçats mitjanament fibra de carboni (CFRP) la millor opció per fer-ho.
Els materials compostos termoestables de fibra de carboni ofereixen molts avantatges respecte a materials tradicionals de la indústria automotriu, com l'acer o l'alumini, gràcies a la seva alta resistència mecànica, resistència química i tèrmica, estabilitat dimensional i alta durabilitat sota condicions severes. Però la producció de materials compostos d'alt rendiment (CFRP) han estat limitats per al ús de mitjans amb un alt consum de temps i recurs com l'autoclau. Alternatives fora d'autoclau com el procediment d'injecció de resina (RTM), s'han convertit en processos d'un alt interès, gràcies a els seus avantatges sobre el consum elèctric i la seva eficiència logística, en comparació amb l'autoclau.
No obstant això, aquests mètodes presenten limitacions, com temps de processament (ompliment i curat). Limitant així la implementació de resines d'alta reactivitat, fent-los poc interessants per a indústries amb elevats volums de producció com l'automotriu, que té temps de processament molt curts (≈5 minuts). Altres etapes de la manufactura com el preformat o la preparació del motlle també consumeixen temps, en aquestes, l’automatització es torna un factor necessari per a reduir el temps total del procediment.
Addicionalment, els materials compostos de fibra de carboni són molt cars, si són comparats amb materials tradicionals. Les fibres mateixes representen gairebé la meitat del cost total dels components, necessitant alternatives de producció amb una alta capacitat per contrarestar-ho. A més, la creixent demanda de aquests materials incrementa les preocupacions sobre la quantitat de rebuig que es produiran cap al futur, ja que els materials compostos termoestables són molt complicats de reciclar. La separació de les fibres respecte a la matriu implica danys en la seva estructura, reduint la seva resistència mecànica. Altrament, els processes de reciclatge actuals també generen inconvenients mediambientals i econòmics.
Aquesta tesi pretén explorar el procediment d'injecció de resina a alta pressió (HP-RTM) com una alternativa viable per a la introducció dels materials compostos d'alt rendiment, en temps de fabricació curts. A més a més, es complementa amb l'ús d'un nou polímer vitriméric d'alt rendiment, que combina l'alta resistència mecànica dels compostos termoestables, amb la reprocessabilitat, la comformabilitat i la reciclabilitat
2023-03-20T00:00:00ZContribución a la comprensión y mejora de los procesos de inyección de resina para la fabricación de componentes aeronáuticos de geometría compleja en compositeAriño Palacín, Maríahttp://hdl.handle.net/10256/224632023-11-06T11:17:09Z2022-10-03T00:00:00ZContribución a la comprensión y mejora de los procesos de inyección de resina para la fabricación de componentes aeronáuticos de geometría compleja en composite
Ariño Palacín, María
To overcome the challenges coming from environmental impacts has been a priority for the aeronautical sector in the past years, with a special focus on reducing CO2 emissions. The fibre-reinforced polymers (FRP) are interesting candidates, since using them may reduce the weight from 4% to 8% of large dimension commercial aircrafts. Nowadays the aeronautic industry indeed uses composites and, the application on designing large dimension complex structures is emerging. The autoclave process is the technology used by default, considering the process high repeatability and the high mechanical properties obtained in the final resultant part. However, replacing this process with more sustainable ones like Liquid Composite Moulding (LCM), is desirable and is happening gradually. The autoclave process applies high temperature and pressure which lead to high energetic consumption, the raw material needs to be kept cold and has a high cost. Resin Transfer Moulding (RTM) and Vacuum Infusion are the most mature injection technologies currently on the market. However, the quality parameters of these processes are slightly lower than those required in the aeronautical sector. The fibre volumetric fraction in infusion is between 45 and 55% and in RTM it is between 55 and 60%, and the required value is greater than or equal to 60%. Something similar occurs with the porosity, whose requirement is less than or equal to 2%. Moreover, the low drapeability of dry fabric causes some resistance when adapting it to the part geometry, especially in curved areas. It is in these areas where the so-called ply bridging is formed; a low-pressure zone is prone to the formation of lacks of resin, which weakens the structure mechanics; Donar resposta als desafiaments mediambientals s'ha convertit en els últims anys en una prioritat per al sector aeronàutic, especialment reduir les emissions de CO₂. Els compòsits consistents en polímers reforçats amb fibres contínues (FRP) són candidats interessants, ja que el seu ús pot permetre un estalvi de pes entre el 4% i 8% en avions comercials de grans dimensions. La indústria aeronàutica ja es beneficia dels compòsits i, cada vegada més estan irrompent en el disseny d'estructures complexes i de grans dimensions. El procés d'autoclau és la tecnologia de fabricació per excel·lència, per l'elevada repetibilitat de procés i les elevades propietats mecàniques en la peça final. No obstant això, el seu reemplaçament per processos més sostenibles, com ara els processos d'injecció de resina (LCM), és desitjable i va succeint gradualment. L'autoclau empra temperatures i pressions elevades, la qual cosa provoca un elevat consum energètic, a més de la necessitat d'emmagatzemar en fred la matèria primera i l'elevat cost d'aquesta. El moldeig per transferència de resina (RTM) i la infusió per buit són les tecnologies d'injecció de major maduresa disponibles actualment en el mercat. Per contra, els paràmetres de qualitat d'aquests processos són lleugerament inferiors als requerits pel sector aeronàutic. La fracció volumètrica de fibra en infusió és d'un 45 - 55% i en RTM d'un 55 - 60%, sent el valor requerit igual o major a un 60%. Una cosa similar ocorre amb la porositat, el requisit de la qual és igual o inferior al 2%. A més, la baixa drapabilitat del teixit sec dificulta la seva adaptació a la geometria de la peça, especialment en les zones corbes. És en aquestes on es forma el denominat ply bridging o “ponteig de làmines”; una regió de baixa pressió procliu a la formació de cúmuls de resina, que afebleixen mecànicament l'estructura
2022-10-03T00:00:00Z