بررسي خواص چقرمگي شكست در حالت‌ تركيبي ميكرو/نانوكامپوزيت‌هاي پليمري هيبريد پايه ترموست تقويت شده با فاز ترموپلاستيك با خواص خودترميم در تحريك حرارتي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

با توسعه علم نانو و باتوجه به اينكه نانو مواد داراي ويژگي‌هايي از جمله ابعاد كوچك و در نتيجه عيوب كمتر، خواص ذاتي فيزيكي و مكانيكي منحصر به‌فرد هستند به‌عنوان تقويت‌كننده‌هاي كامپوزيت‌هاي پليمري استفاده شدند. اين مواد با قرار گرفتن در تنش‌هاي محيطي و يا به‌كارگيري مواد پليمري در كاربردهاي سازه‌اي، براي مدت طولاني و با قابليت اطمينان بالا مستعد ريزترك مي‌شوند كه اين نقص باعث كاهش خواص مكانيكي، از بين رفتن دوام و عمر مفيد اين مواد و در نهايت منجر به خرابي و شكست قطعه مي‌شود. ترميم اين نقايص، مهمترين مساله براي كامپوزيت‌هاي زمينه پليمري در ساختارهاي پيشرفته است. به‌همين دليل مهندسان با الهام گرفتن از خودترميمي طبيعي به ترميم مواد مختلف از جمله كامپوزيت‌ها پرداخته‌اند. اما استفاده از مكانيزم‌هاي خودترميمي مستلزم مواد پايه پرهزينه و مراحل ساخت متعدد و زمان‌بر بوده كه صرف‌نظر از اين مهم كه اين تحقيقات تاكنون هنوز در مرحله اوليه توسعه و به‌كارگيري تجاري خود هستند همچنين در خصوص طراحي و ساخت سازه‌هاي مكانيكي مطابق با كاربردهاي ياد شده، اين روش‌ها مقرون به‌صرفه زماني و مالي نيستند. از طرف ديگر، معرفي فرمولاسيون جديدي در ساخت سازه‌ها و قطعات خودترميم كه بتوان قطعات خودترميم با فناوري جديد را با رويكرد قابليت توليد با مقياس بالا باتوجه به صرفه اقتصادي معرفي كرد از ضرورت‌هاي توسعه تحقيقات و كاربرد اين دسته از مواد است. همچنين اغلب مطالعات به بررسي خواص خودترميمي زيستي يا ظاهري و بصري نمونه‌ها پرداخته، در حالي‌كه در طراحي و ساخت اجزاي مكانيكي توسط كامپوزيت‌ها، مبحث خواص مكانيكي و پاسخ مكانيكي نمونه‌ها و قطعات به ويژه خواص ضربه‌پذيري و چقرمگي شكست آن‌ها نقش كليدي در توسعه محصولات كاربردي اين زمينه دارد. از ديگر مسائل موجود در حوزه كامپوزيت‌هاي خودترميم عدم اشاره كافي و وجود تحقيقات وسيع در خصوص خواص چقرمگي شكست در حالت‌هاي تركيبي است. در حاليكه در بسياري از كاربردهاي كامپوزيت‌هاي خودترميم نظير آنچه در ايمپلنت‌هاي استخواني يا سازه‌اي ديده مي‌شود، نمونه‌ها و يا قطعات تحت بارهاي كششي و يا برشي همزمان قرار گرفته‌اند. براي اين پژوهش سعي شد از مواد متداول و به‌صرفه اقتصادي استفاده شود و مكانيزم ترميم به‌صورتي باشد كه نيازمند هزينه‌هاي بالاي توليد ساير روش‌ها نگردد. در اين پژوهش رزين پلي‌استر غيراشباع (UPR) بستر تقويت‌كننده و فاز خودترميم‌شونده است و همچنين وظيفه انتقال نيرو را بر عهده دارد. فاز ثانويه و ترميم‌كننده، ميكروگويچه‌هاي پلي‌وينيل‌كلرايد (PVC) است كه جزء ترميم‌كننده فاز اصلي با تحريك حرارتي است. براي تغييرات خواص مكانيكي و حرارتي و ايجاد انتقال حرارت از ميكروذرات كربن سياه (CB) و نانوپلاكت‌هاي گرافيت (GNP) به‌عنوان تقويت‌كننده‌هاي ميكرو و نانو استفاده شد. نتايج تجربي بر روي خواص مكانيكي نشان داد ميكروگويچه‌هاي PVC در بارگذاري‌هاي كم بر روي خواصي همچون مقاومت در برابر ضربه، مدول كشش، چقرمگي شكست در حالت 1، 2 و تركيبي نتايج بهتري نسبت به پليمر زمينه UPR خالص داشتند. بارگذاري ميكروذرات CB بر روي خواصي همچون مقاومت در برابر ضربه، چقرمگي شكست حالت 1، 2 و تركيبي تاثير مثبت داشت و اين خواص مكانيكي را در برخي موارد بهبود بخشيد. همچنين بارگذاري نانوصفحات GNP بر روي خواصي همچون مدول كشش، استحكام و مدول خمش در برخي موارد اثر افزايشي داشت. نتايج تجربي بر روي بازده ترميم نشان داد بارگذاري ميكروگويچه‌هاي PVC، بازده ترميم را در خواص مقاومت در برابر ضربه و چقرمگي شكست حالت تركيبي در كامپوزيت فاز اول افزايش مي‌دهد. از ديسك و نمونه پروانه‌اي آركان جهت استخراج ضرايب شدت تنش در حالت تركيبي استفاده شد به‌طوري‌كه ضرايب هندسي مورد نياز به‌كمك مدل‌سازي عددي استخراج گرديد و در روابط ضريب شدت تنش اعمال شد. مطابق نتايج عددي مشخص گرديد تا زاويه بارگذاري 70 درجه چقرمگي شكست در حالت 1 غالب است و پس از اين زاويه بارگذاري، چقرمگي شكست حالت 2 غالب مي‌شود. همچنين مشخص شد ضريب هندسي شدت تنش در حالت 1 با افزايش نسبت طول ترك به عرض نمونه افزايش دارد اما نسبت طول ترك به عرض نمونه بر روي ضريب هندسي شدت تنش حالت 2 تاثير زيادي ندارد و تغييرات جزئي را شامل مي‌شود.

218915

طراحي كاربردي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان