A multiscale cohesive law for carbon fiber networks

Abstract

Better predictive models of mechanical failure in lowweight heat shield composites would aid material certification for missions with aggressive atmospheric entry conditions. Here, we develop such a model for the rapid engineering analysis of the failure limits of phenolic impregnated carbon ablator (PICA) -a leading heat shield material whose structural component is a carbon fiber network. We hypothesize inelastic deformation failure mechanisms and model their behavior using molecular dynamics simulations to calculate the binding energy. We then upscale this binding energy to the macroscale using a renormalization argument. The approach delivers insightful and reasonably accurate macroscale predictions that compare favorably to experiments. In application, the model is validated for a particular variety of PICA by comparison to experiment and would then be used to study design scenarios in different entry conditions.

Local strain quantification of a porous carbon fiber network material

“…This observed behavior is similar to that in 3D random fibrous network materials in both experiment and simulation [ 33 , 34 ]. This layer-by-layer deformation has been attributed to both fully reversible [ 28 ] and fully irreversible [ 25 , 26 ] deformation methods; however, according to this study both can appear to be active. With that in mind, discussion of where current interpretations and models are valid as well as nuances that need to be added are described in Sections 4 , 4.1 .2.…”

“…1 and are similar to that of other comparable materials in literature [ [21] , [22] , [23] ]. The mechanical properties have been investigated to some capacity both computationally [ [24] , [25] , [26] ] and experimentally [ 21 , 22 , 27 ]. Variations in macroscale stress-strain behavior based on loading orientation were observed by Parmenter et al, with these variations persisting even after impregnation with phenolic resin to create PICA [ 21 ].…”

Development of Statistically Averaged Models of Deformation of Materials With Random Network Structure of Differently Oriented Fibers

“…Дослідженню багатомасштабного закону когезії для мереж з вуглецевого волокна присвячено роботу [100]. Розроблена модель для швидкого інженерного аналізу меж руйнування вуглецевого аблятора, просоченого феноломпровідним матеріалом теплозахисного екрану, структурним компонентом якого є сітка із вуглецевого волокна [100].…”

“…Дослідженню багатомасштабного закону когезії для мереж з вуглецевого волокна присвячено роботу [100]. Розроблена модель для швидкого інженерного аналізу меж руйнування вуглецевого аблятора, просоченого феноломпровідним матеріалом теплозахисного екрану, структурним компонентом якого є сітка із вуглецевого волокна [100]. Висунуто гіпотезу про механізми руйнування при непружній деформації та моделюється їх поведінка за допомогою моделювання молекулярної динаміки для розрахунку енергії зв'язку.…”

“…Потім здійснено масштабування енергії зв'язку до макрорівня, використовуючи аргумент перенормування. Цей підхід забезпечує досить точні прогнози на макрорівні, які вигідно відрізняються від експериментів [100].…”