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lecture notes MdC2014.pdf


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COMPOSITE MATERIALS

COMPOSITE MATERIALS
introduction

introduction
Advantages 2:

Advantages 1:
9Superb mechanical properties from high specific strength and high specific stiffness
9Superb mechanical properties from high specific strength and high specific stiffness, 
(vehicles, sports goods, lightweight structures like satellites etc). 

9Electrical conductivity: can vary from very low to intermediate levels, by control of fibers 
and fillers. New: usage of C‐fibers as very long strain gauges 

g
, g
p
p
gp
9Cost savings for fuel in vehicles, higher production speed for tools or rotating parts

9Non‐magnetic: useful as material for mine sweeper hulls, compass casings...

9Composites are „functional materials“, i.e. their anisotropy can be used for the tailoring of 
p p
p
(
)
different properties, like the stiffness, or the coefficient of thermal expansion (CTE)

9Energy absorption: generally not as good as ductile metals, but good with special design 
for crash absorbing under floor structures in helicopters, aircraft, cars

9Good corrosion resistance compared to metals, usage for tanks and storage containers, 
valves, pipework, marine structures etc. (but not for Carbon/ Aluminium)

9Transparency to radiations, like x‐rays, radio waves. Application: radomes in A/C

9Fatigue: excellent compared to most metals, good damage tolerance, fewer inspections 
required, benign failure modes

9Complex shapes: easier to fabricate than with sheet metals, applications: airframes for 
helicopters, stealthy aircraft etc.

9Short‐run compatibility: composites can be produced for small quantity with cheaper 
tooling than metals

9Dimensional stability: zero CTE design is possible, required for optical benches, precision 
camera casings, satellite panels etc.
9Thermal conductivity: is very low through the thickness, can be high in fiber direction

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COMPOSITE MATERIALS

MECHANICS OF COMPOSITES
introduction

overview

Disadvantages:

Composite material = heterogeneous and anisotropic materials

9Poor mechanical properties transverse to the fibers
Complex failure behavior
failure behavior of laminates
of laminates
9Complex
9Design process much more complex than with metals
9Repair methods more difficult/ or expensive
9Expensive materials and high production tools cost

Optical microscopy picture of CFRP
Optical microscopy picture of CFRP 
plate with layup [0/90/0/90/0] 

9Not very often economic necessity to apply composites, esp. in mechanical industry
9Lacking know‐how especially in the (mechanical) industry

• Macroscopic properties depend on the 
microstructure
• Non‐uniform stress distribution

9Sustainability: energy‐intensive materials production and curing, problematic recycling of 
thermoset matrices 
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