Influence of denier size and weaving pattern on the mechanical properties of alumina-zirconia matrix composites reinforced with Nextel 720 fibers

Abstract

Compósitos de matriz cerâmica óxida (Ox-CMCs) representam uma classe promissora de materiais devido à sua elevada resistência mecânica, tenacidade, estabilidade térmica e química. Essas propriedades os tornam ideais para aplicações estruturais, especialmente em altas temperaturas. No entanto, seu alto custo de produção, principalmente associado às fibras, ainda representa um desafio. Uma das estratégias adotadas pela indústria para reduzir esse custo é o uso de feixes de fibras com maior número de filamentos, diminuindo o custo final do compósito. Assim, este trabalho investiga como variações no denier das fibras e no padrão de entrelaçamento influenciam o desempenho mecânico de compósitos com matriz de alumina–3YSZ reforçados com fibras Nextel 720. Os compósitos utilizados foram produzidos pela empresa Walter E. C. Pritzkow Spezialkeramik. Três tipos de compósitos foram analisados: EF11-1500 (1500 denier, padrão 8-harness satin), EF19-3000 (3000 denier, também com 8-harness satin) e EF13-4500 (4500 denier, com padrão 5-harness satin). Os materiais foram avaliados por meio de ensaios mecânicos de tração, compressão, flexão em quatro pontos, flexão em três pontos e cisalhamento. A porosidade foi analisada por intrusão de mercúrio, e previsões teóricas de resistência à tração e módulo de elasticidade foram obtidas pela regra das misturas. Os resultados mostraram que o compósito EF11-1500, com menor denier, apresentou o melhor desempenho nos ensaios de flexão e cisalhamento interlaminar. Nos ensaios de tração, embora não tenham sido observadas diferenças significativas para fibras com orientação 0°, uma tendência clara foi percebida na configuração ±45°, na qual EF11-1500 e EF13-4500 superaram o desempenho do EF19-3000. Esses resultados indicam que tanto o denier quanto o padrão de entrelaçamento influenciam o comportamento mecânico. A análise de porosidade reforçou essa ideia, evidenciando maior porosidade no EF19-3000. De forma geral, o desempenho satisfatório do EF13-4500 indica que o uso de fibras com denier mais elevado pode representar uma alternativa com bom custo-benefício, dependendo das exigências da aplicação. As previsões teóricas superestimaram a resistência à tração, mas coincidiram com o módulo de elasticidade. Isso reflete as limitações do modelo em capturar defeitos, porosidade e transferência de carga imperfeita nos compósitos reais ao calcular a resistência.

Oxide ceramic matrix composites (Ox-CMCs) represent a promising class of advanced materials due to their high mechanical strength, thermal and chemical stability, and excellent damage tolerance. These properties make them attractive for demanding structural applications, especially in high-temperature environments. However, their high production cost, which is mainly associated with the fibers, remains a major limitation. As a strategy to reduce the price of the fibers, manufacturers have started producing fiber tows with higher filament count, decreasing the overall costs of the composite. Hence, this work investigates how variations in fiber denier and weave pattern influence the mechanical performance of alumina–3YSZ matrix composites reinforced with Nextel 720 fibers. The composites used in this work were produced by Walter E. C. Pritzkow Spezialkeramik. Three types of composites were analyzed: EF11-1500 (1500 denier, 8-harness satin weave), EF19-3000 (3000 denier, also with 8-harness satin), and EF13-4500 (4500 denier, but with a 5-harness satin weave). The materials were evaluated through a set of mechanical tests, including tensile, compression, four-point bending, short-bending and shear. Porosity was assessed via mercury intrusion porosimetry, and theoretical predictions of tensile strength and modulus were calculated using the rule of mixtures. The results showed that EF11-1500, with the lowest denier, consistently exhibited the best performance in flexural tests. In tensile tests, although no significant differences were found for 0° alignment, a clear trend appeared in the ±45° configuration, where both EF11-1500 and EF13-4500 outperformed EF19-3000. These findings suggest that both denier number and interlacing pattern influence mechanical behavior depending on the loading mode. Porosity analysis supported these trends, showing higher pore content in EF19-3000. Overall, the satisfactory performance of EF13-4500 indicates that the use of a higher denier can offer a good trade-off between mechanical performance and manufacturing cost, supporting its potential as a cost-reduction strategy depending on application needs. Theoretical predictions overestimated the tensile strength but matched the elastic modulus. This likely reflects the model’s limitations in capturing defects, porosity, and imperfect load transfer in the real composites when calculating the strength.