Successful deployment of the highly heterogeneous, laminated, polymer matrix composites (PMCs) in high-performance structural applications is currently hindered by the lack of reliable experimental protocols for evaluation of the local mechanical responses at the salient meso-length/structure scales present in these material systems. Our main interest in this paper lies in establishing and demonstrating protocols for high-throughput evaluation of the local mechanical responses in PMCs at a length scale larger than the fiber diameter but smaller than the individual laminate (i.e., ply) thickness. This goal was accomplished in this work through a successful extension of the spherical indentation stress–strain protocols demonstrated recently for metallic samples. Specifically, plies with fibers at 0°, 30°, 60°, and 90° to the indentation direction were tested, and the means and standard deviations of their indentation moduli and the indentation yield strengths were measured and reported in this paper. The measured values of the indentation moduli were validated with finite element (FE) simulations performed using estimated values of the effective single laminate stiffness parameters. Furthermore, the measured variation in the indentation moduli was shown to correlate extremely well with the corresponding FE predictions that accounted for the measured variation in the local fiber volume fractions in the primary indentation deformed zones in the sample. These comparisons provided strong support for the validity of the extended spherical indentation protocols developed in this work for PMC samples.

中文翻译：

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使用球形压痕应力-应变协议研究环氧-碳纤维层压板复合材料的局部力学响应

目前，由于缺乏可靠的实验方案来评估在这些结构中存在的显着的中观长度/结构尺度下的局部机械响应，阻碍了高度异质的层压聚合物基复合材料（PMC）在高性能结构应用中的成功部署。材料系统。我们对本文的主要兴趣在于建立和演示协议，以便以高通量评估PMC中的局部机械响应，该协议的长度尺度大于纤维直径，但小于单个层压板（即层）的厚度。通过成功扩展最近针对金属样品证明的球形压痕应力-应变方案，可以完成这项工作。具体来说，是在0°，30°，60°处铺设纤维，测试了与压痕方向成90°角的角度，并测量了其压痕模量和压痕屈服强度的平均值和标准偏差，并进行了报道。压痕模量的测量值通过使用有效单层层压板刚度参数的估算值进行的有限元（FE）模拟进行验证。此外，显示出压痕模量的测量变化与对应的FE预测非常相关，该FE预测解释了样品中主要压痕变形区中局部纤维体积分数的测量变化。这些比较为这项工作中为PMC样品开发的扩展球形压痕协议的有效性提供了有力的支持。并测量了其压痕模量的平均值和标准偏差以及压痕屈服强度。压痕模量的测量值通过使用有效单层层压板刚度参数的估算值进行的有限元（FE）模拟进行验证。此外，显示出压痕模量的测量变化与对应的FE预测非常相关，该FE预测解释了样品中主要压痕变形区中局部纤维体积分数的测量变化。这些比较为这项针对PMC样品开发的扩展球形压痕协议的有效性提供了有力的支持。并测量并报道了它们的压痕模量和压痕屈服强度的平均值和标准偏差。压痕模量的测量值通过使用有效单层层压板刚度参数的估算值进行的有限元（FE）模拟进行验证。此外，显示出压痕模量的测量变化与对应的FE预测非常相关，该FE预测解释了样品中主要压痕变形区中局部纤维体积分数的测量变化。这些比较为这项针对PMC样品开发的扩展球形压痕协议的有效性提供了有力的支持。压痕模量的测量值通过使用有效单层层压板刚度参数的估算值进行的有限元（FE）模拟进行验证。此外，显示出压痕模量的测量变化与对应的FE预测非常相关，该FE预测解释了样品中主要压痕变形区中局部纤维体积分数的测量变化。这些比较为这项针对PMC样品开发的扩展球形压痕协议的有效性提供了有力的支持。压痕模量的测量值通过使用有效单层层压板刚度参数的估算值进行的有限元（FE）模拟进行验证。此外，显示出压痕模量的测量变化与对应的FE预测非常相关，该FE预测解释了样品中主要压痕变形区中局部纤维体积分数的测量变化。这些比较为这项针对PMC样品开发的扩展球形压痕协议的有效性提供了有力的支持。结果表明，压痕模量的测量变化与相应的有限元预测非常相关，该FE预测说明了样品中主要压痕变形区中局部纤维体积分数的测量变化。这些比较为这项针对PMC样品开发的扩展球形压痕协议的有效性提供了有力的支持。结果表明，压痕模量的测量变化与相应的有限元预测非常相关，该FE预测说明了样品中主要压痕变形区域中局部纤维体积分数的测量变化。这些比较为这项针对PMC样品开发的扩展球形压痕协议的有效性提供了有力的支持。