Micromechanical Investigation of the Bonding Performance of Porous Composite Plates

Abstract

Composite materials are widely used in engineering applications due to their low density and high mechanical strength. However, pores formed during the manufacturing process can lead to significant losses in mechanical performance. Therefore, investigating the effects of porosity on composite behavior is of great importance. Studies addressing these effects at the micromechanical level are limited in the literature and researching the performance of porous composites joined by bonding methods is a crucial necessity. For this reason, there are gaps in the literature, particularly regarding the effects of porosity in materials and the bonding performance of porous materials. To address these gaps in the literature, in the present study, the effects of the ratio and location of 5 µm diameter fixed pores in the matrix, composite material and bonded composite plate structures on mechanical behavior were investigated at the micromechanical level using the finite element method. The effect of porosity was evaluated in the matrix structure, the composite material and the bonded composite plate, respectively. Based on the mechanical properties obtained from the modeling studies, the effects of porosity on material performance were analyzed in detail. The findings showed that in structures with a 35% porosity rate, the material moduli decreased by an average of 50% and the pore location caused an additional decrease of approximately 5% in the material moduli. The effects of pore location and ratio are presented comprehensively in the literature with these data.

Keywords

• Composite material
• Porosity
• Micromechanical modeling
• Bonding

Gözenekli Kompozit Plakanın Yapıştırma Performansının Mikro Mekanik Olarak İncelenmesi

Abstract

Kompozit malzemeler, düşük yoğunluk ve yüksek mekanik dayanımları nedeniyle mühendislik uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak üretim sürecinde oluşan gözenekler, mekanik performansta önemli kayıplara yol açabilmektedir. Bu nedenle, gözenekliliğin kompozit davranışı üzerindeki etkilerinin incelenmesi büyük önem taşımaktadır. Literatürde bu etkileri mikromekanik düzeyde ele alan çalışmalar sınırlı olup, özellikle yapıştırma yöntemiyle birleştirilen gözenekli kompozitlerin performansının araştırılması önemli bir gereklilik olarak öne çıkmaktadır. Bu sebeple literatürde özellikle malzemelerdeki gözenekliliğin etkileri ve gözenekli malzemelerin yapıştırma performansı konularında eksiklikler bulunmaktadır. Literatürdeki eksiklikleri gidermek için mevcut çalışmada da, matris, kompozit malzeme ve yapıştırılmış kompozit plaka yapılarında bulunan 5 µm çapındaki sabit gözeneklerin oranı ve konumlarının mekanik davranış üzerindeki etkileri, sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak mikromekanik düzeyde incelenmiştir. Gözenekliliğin etkisi sırasıyla matris yapısında, kompozit malzemede ve yapıştırılmış kompozit plakada değerlendirilmiştir. Gerçekleştirilen modelleme çalışmaları sonucunda elde edilen mekanik özellikler doğrultusunda, gözenekliliğin malzeme performansı üzerindeki etkileri ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. Elde edilen bulgular, %35 gözeneklilik oranına sahip yapılarda malzeme modüllerinin ortalama %50 oranında azaldığını, gözenek konumunun ise malzeme modülü üzerinde yaklaşık %5 düzeyinde ek bir azalmaya neden olduğunu göstermiştir. Elde edilen veriler ile literatüre gözenek konumunun ve oranın etkileri kapsamlı olarak sunulmuştur.

Keywords

• Kompozit malzeme
• Gözenek
• Mikromekanik modelleme
• Yapıştırma

Ethical Statement

Bu araştırmada hayvanlar ve insanlar üzerinde herhangi bir çalışma yapılmadığı için etik kurul onayı alınmamıştır.

References

1. Ayanoğlu, M. O., Carlsson, L. A., & Du, E. (2023). Effects of void content on the moisture uptake and mechanical strength of a glass/epoxy composite. Journal of Composite Materials, 57(2), 325–336. https://doi.org/10.1177/00219983221144500
2. Carrera, E., Petrolo, M., Nagaraj, M. H., & Delicata, M. (2020). Evaluation of the influence of voids on 3D representative volume elements of fiber-reinforced polymer composites using CUF micromechanics. Composite Structures, 254, Article 112833. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2020.112833
3. Dong, C. (2016). Effects of process-induced voids on the properties of fibre reinforced composites. Journal of Materials Science & Technology, 32(7), 597–604. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2016.04.011
4. Eyri, B., Gül, O., Karslı, N. G., & Yılmaz, T. (2025). Modeling short fiber reinforced polymer matrix composite materials using material designer. Polymer Composites, 46(11), 10350–10360. https://doi.org/10.1002/pc.29625
5. Huang, H., & Talreja, R. (2005). Effects of void geometry on elastic properties of unidirectional fiber reinforced composites. Composites Science and Technology, 65(13), 1964–1981. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2005.02.019
6. Jiang, H., Ren, Y., Liu, Z., & Zhang, S. (2019). Microscale finite element analysis for predicting effects of air voids on mechanical properties of single fiber bundle in composites. Journal of Materials Science, 54(2), 1363–1381. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2928-6
7. Kashfi, M., & Tehrani, M. (2021). Effects of void content on flexural properties of additively manufacture polymer composites. Composites Part C: Open Access, 6, Article 100173. https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2021.100173
8. Kirar, E., Demircan, G., Kısa, M., Özen, M., & Güven, C. (2024). Quasi-static punch shear behavior of glass/epoxy composite: Experimental and numerical study in artificial seawater environment. Applied Ocean Research, 153, Article 104262. https://doi.org/10.1016/j.apor.2024.104262

9. Li, Y., Zhou, L., Zhang, M., & Song, C. (2022). Study on the effect of void defect on mechanical properties of carbon fiber composites by finite element method. Journal of The Institution of Engineers (India): Series C, 103(6), 1433–1446. https://doi.org/10.1007/s40032-022-00881-1
10. Liu, H., Cui, H., Wen, W., Su, X., Kang, H., & Engler-Pinto, C. (2017). The effect of voids on the quasi-static tensile properties of carbon fiber/polymer laminated composites. Journal of Composite Materials, 52(15), 1997–2015. https://doi.org/10.1177/0021998317737827
11. Shao, M. (2025). Micromechanical modelling of unidirectional fiber reinforced composites considering random fiber diameter and inclination. Journal of Physics: Conference Series, 3102, Article 012047. https://doi.org/10.1088/1742-6596/3102/1/012047
12. Siddgonde, N., Kaushik, V., & Ghosh, A. (2024). Experimental and numerical characterization of E-glass/epoxy plain woven fabric composites containing void defects. Aerospace Science and Technology, 155, Article 109731. https://doi.org/10.1016/j.ast.2024.109731
13. Tagliavia, G., Porfiri, M., & Gupta, N. (2010). Analysis of flexural properties of hollow-particle filled composites. Composites Part B: Engineering, 41(1), 86–93. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2009.03.004
14. Vajari, D. A., González, C., Llorca, J., & Legarth, B. N. (2014). A numerical study of the influence of microvoids in the transverse mechanical response of unidirectional composites. Composites Science and Technology, 97, 46–54. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2014.04.004
15. Xu, K., & Qian, X. (2014). An FEM analysis with consideration of random void defects for predicting the mechanical properties of 3D braided composites. Advances in Materials Science and Engineering, 2014, Article 439819. https://doi.org/10.1155/2014/439819
16. Yıldırım, F., & Saraç, İ. (2026). Experimental and numerical failure analysis of glass fiber fabric reinforced composite adhesive single lap joints using Digimat-MF homogenization and FEM. Composite Structures, 375, Article 119806. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2025.119806
17. Zhang, Y., Li, Y., Luan, X., Meng, B., Liu, J., & Lu, Y. (2025). Effects of void characteristics on the mechanical properties of carbon fiber reinforced polyetheretherketone composites: Micromechanical modeling and analysis. Polymers, 17(13), Article 1721. https://doi.org/10.3390/polym17131721
18. Zhu, H., Wu, B., Li, D., Zhang, D., & Chen, Y. (2011). Influence of voids on the tensile performance of carbon/epoxy fabric laminates. Journal of Materials Science & Technology, 27(1), 69–73. https://doi.org/10.1016/S1005-0302(11)60028-5
19. Zuhudi, N. Z. M., Zulkifli, A. F., Zulkifli, M., Yahaya, A. N. A., Nur, N. M., & Aris, K. D. M. (2021). Void and moisture content of fiber reinforced composites. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 87(3), 78–93. https://doi.org/10.37934/arfmts.87.3.7893