علوم و فناوری کامپوزیت
سال:1400 | دوره:8 | شماره:3 |تعداد مقالات:12

در تحقیق حاضر با توسعه مدل المان محدود به بررسی رفتار بیرون کشیدگی میلگرد فولادی آجدار از بتن فوق توانمند الیافی پرداخته شد. مدل المان محدود چندمقیاسی به صورت سه فاز مجزا شامل بتن فوق توانمند به صورت ماده ایزوتروپ، میکروالیاف فولادی و میلگرد شبیه سازی شد. به منظور در نظر گرفتن فرضیات واقع بینانه تر، برای اولین بار آج های میلگرد نیز شبیه سازی شده و اندرکنش بین میلگرد و الیاف با بتن توسط مدل ناحیه تماس چسبنده اعمال شده است. پارامترهای مدل رفتاری ناحیه تماس چسبنده با کالیبره کردن نتایج مدل المان محدود و نتایج تست تجربی تعیین شد. در نهایت، پس از صحت سنجی نتایج المان محدود چندمقیاسی، بیشینه نیروی بیرون کشیدگی، جابجایی متناظر و کار انجام لازم برای بیرون کشیدگی میلگرد با استفاده از منحنی های نیرو-لغزش تعیین شد. عواملی نظیر درصد حجمی میکروالیاف فولادی، طول مهارشدگی و قطر میلگرد، بر مقاومت پیوستگی میلگرد و بتن فوق توانمند الیافی ارزیابی گردید. نتایج نشان می دهد که طول مهارشدگی تاثیر قابل ملاحظه ای بر رفتار پیوستگی میلگرد داشته و با افزایش طول مهارشدگی، نیروی بیرون کشیدگی نیز بیشتر می شود. با توجه به نتایج مشاهده می شود برای میلگرد با قطر 20 mm، با افزایش میزان الیاف از 0% به 2% نیروی بیرون کشیدگی و کار بیرون کشیدگی به ترتیب در حدود 30% و 22% افزایش می یابد.

در این پژوهش اثرات سیکل حرارتی خستگی بر روی چقرمگی شکست و بیشینه نیرو در مود اول تورق کامپوزیتهای زمینه پلیمری به صورت تحلیلی و تجربی بررسی شده است. برای مطالعه تحلیلی و تجربی، بارگذاری حرارتی نمونه هایی شبیه تیر یک سر گیردار با چیدمان 16 لایه تک جهته با استفاده از الیاف شیشه تک جهته و رزین اپوکسی ساخته شدند. نمونه ها تحت سیکل حرارتی بین دو دمای 15 و 65 درجه سانتیگراد برای بارگذاری 50 تا 150 سیکل قرار گرفتند. یک گروه از نمونه های بدون بارگذاری حرارتی سیکلی، بعنوان گروه کنترل نیز مورد بررسی قرار گرفتند. در هنگام آزمایش و دریافت نتایج از دستگاه آزمون کشش، نمونه ها با استفاده از روش برهمکنش تصاویر دیجیتالی دو دوربین به منظور اندازه گیری طول ترک و باز شدگی دهانه ترک اولیه به دقت مورد ارزیابی و مشاهده دقیق قرار گرفتند و نرخ رهایی انرژی کرنشی برای محاسبه چقرمگی شکست بحرانی از داده های تجربی مورد استفاده قرار گرفت. با استفاده از روش توالی تصاویر، پروفایل جدایش نوک پیشترک اولیه به دست آمد. قوانین المانهای ناحیه چسبناک برای مدل کردن دقیق نتایج آزمونهای تجربی در نرم افزار المان محدود آباکوس مورد استفاده قرار گرفت. بررسی تغییرات نیرو نشان داد که چقرمگی شکست بحرانی در مود اول تورق به شدت متاثر از پروسه خستگی حرارتی می باشد، و بصورت غیرخطی با بارگذاری سیکلی حرارتی کاهش می یابد.

کامپوزیت های زمینه آهنی حاوی ذرات سخت در برابر سایش خراشان مقاومت خوبی دارند و یکی از روش های تولید آنها ریخته گری-رخنه دهی است که توانایی ساخت قطعات تقویت شده موضعی با کامپوزیت ها را دارد. در این پژوهش رخنه دهی مذاب چدن خاکستری درون اسکلت متخلخلی از براده های فولاد زنگ نزن 304 بررسی شده است. مذاب چدن توسط نیروهای مویینگی به دورن اسکلت متخلخل کشیده شد. در دمای رخنه دهی مذاب چدن خاکستری با براده جامد فولاد 304 در تماس بود. به دلیل نفوذ عنصر کروم به عنوان یک عنصر کاربیدزا و نیکل به درون مذاب چدن خاکستری، ترکیب شیمایی آن تغییر کرده و مشابه ترکیب چدن های سفید Ni-Hard شده بود. با نفوذ و تبادل عناصر آلیاژی کامپوزیت زمینه آهنی با ذرات سخت کاربید کروم-آهن M7C3 و زمینه ی فریتی-آستنیتی به دست آمد. مکانیسم تشکیل و نوع و سختی فازها و نواحی مختلف با میکروسکوپ نوری و الکترونی و XRD و میکروسختی سنجی مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به قیمت نسبتا پایین چدن خاکستری و ضایعاتی بودن براده های تراشکاری فولاد زنگ نزن می توان گفت که روشی برای تولید قطعات اقتصادی تقویت شده با کامپوزیت های سطحی پیشنهاد شده است.

هسته های لانه زنبوری در سازه های کامپوزیتی دارای هسته، بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. از مسایل مهم به کارگیری هسته ها به خصوص لانه زنبوری ها، اطمینان از اتصال مناسب بین لایه های دو سمت سازه به هسته میباشد؛ چراکه عدم اتصال مناسب، منجر به جدایی لایه از هسته خواهد شد. هدف از این پژوهش، بررسی و پیشنهاد مناسب ترین روش برای ساخت قطعه کامپوزیتی با هسته لانه زنبوری تحت استانداردهای ASTM C273 و ASTM C297 می-باشد. از نتایج این پژوهش، دریافت شد که مناسب ترین راه برای ساخت یک قطعه کامپوزیتی با هسته لانه زنبوری، روش ساخت دومرحله ای می باشد. چراکه در روش دومرحله ای با استفاده از دستگاه وکیوم، بعد از ایجاد خلا در قطعه، رزین تا دیواره های هسته بالا می آید و اتصال بین هسته و لایه ها به خوبی برقرار می شود. ناحیه اتصال هسته با لایه ها در روش دومرحله ای دو برابر بیشتر از روش تک مرحله ای و روش ساخت دستی می باشد. به طوری که از تعداد 30 نمونه ای که برای هر یک از سه روش ساخت مذکور استفاده گردید، در روش دومرحله این جدایش در خود هسته لانه زنبوری در 28 نمونه از 30 نمونه رخ داد که نشان دهنده ی مناسب بودن این روش (جدایش مورد قبول با بیش از 90 درصد) می باشد. اما در روش تک مرحله ای و روش دستی به ترتیب 18 عدد از 30 نمونه و همچنین 9 عدد از 30 نمونه هسته دچار شکست در ناحیه هسته تحت آزمون کشش و برش شد. لازم به ذکر است که مفهوم روش دومرحله ای، یک مرحله ای و روش دومرحله ای بدون وکیوم در متن مقاله توضیح داده شده است.

در این تحقیق، خواص مکانیکی ترکیبات پایه پلی آمید 6/ پلی اولفین الاستومر (PA6/POE) تقویت شده با نانولوله های کربن مورد مطالعه قرار گرفته است. نانو کامپوزیت ها شامل 10 و 20 درصد وزنی پلی اولفین الاستومر، 0، 1، 2 و 3 درصد وزنی نانولوله های کربن (MWCNT) و 5 و 10 درصد وزنی پلی اولفین مالییک آنیدرید (POE-gMA به عنوان عامل سازگار کننده) بر اساس روش طراحی آزمایش عاملی کامل و به کمک یک مخلوط کن داخلی ساخته شدند. آزمون های کشش و ضربه برای استخراج خواص مکانیکی شامل استحکام کششی، مدول الاستیک و استحکام ضربه انجام شدند؛ همچنین برای مشاهده و بررسی کیفیت توزیع نانولوله ها در ماتریس پلیمری از تصاویر میکروسکوپ الکترونی (SEM) استفاده شد. تصاویر SEM نشان دادند که حضور نانولوله های کربن تا 2 درصد وزنی در هر دو ماتریس پلی آمید حاوی 10 و 20 درصد وزنی با توزیع و پراکندگی قابل قبولی همراه شده است. در حالی که افزودن 3 درصد وزنی از نانولوله ها در هر دو ماتریس موجب تجمع و کلوخگی آن ها شده است. نتایج آزمون ها نشان دادند که افزودن 2 درصد وزنی نانولوله های کربن استحکام کششی و مدول الاستیک ترکیبات را به ترتیب به میزان های %21 و %23 به خوبی بهبود می بخشد. همچنین، رویه های استخراج شده از روش عاملی نشان دادند که در بیشتر موارد بین اثر فاکتورهای ورودی بر خواص مکانیکی مورد بررسی برهم کنش خاصی وجود ندارد. نهایتا، مقدار ضریب تعیین بالای %92 برای همه خواص مکانیکی نشان داد که همخوانی مناسبی بین نتایج آزمایشگاهی و مدل های رگرسیون استخراج شده وجود دارد.

در این مقاله، ارتعاشات آزاد پانل دو انحنایی سه لایه با هسته لانه زنبوری آگزتیک و صفحات جانبی کامپوزیتی تقویت شده با توزیع های مختلف نانولوله های کربنی مورد بررسی قرار گرفته است. معادلات حاکم بر مسئله بر اساس تیوری تغییر شکل برشی جدید مرتبه پنجم استخراج شده اند. پانل ساندویچی سه لایه شامل هسته با ساختار لانه زنبوری و سلول درون رو با ضریب پواسون منفی از جنس آلومینیوم و رویه های فوقانی و تحتانی کامپوزیتی با دو حالت توزیع یکنواخت (UD) و مدرج تابعی (FG) نانولوله کربنی در شرایط مرزی ساده بررسی شده است. خواص مکانیکی لایه های کامپوزیتی با استفاده از قانون اختلاط بهبودیافته برای نانولوله کربنی تک جداره محاسبه شده اند. معادلات حرکت با استفاده از اصل همیلتون استخراج گردیده و فرکانس های طبیعی سازه با استفاده از روش باقیمانده وزنی گالرکین به دست آمده اند. تاثیر پارامترهای سلول آگزتیک شامل زاویه سلول، نسبت ضخامت لبه ها و نسبت طول لبه عمودی به لبه مورب و همچنین نسبت شعاع انحنا به طول پانل، نسبت ضخامت هسته به ضخامت کل پانل و در نهایت کسر حجمی نانولوله های کربنی مورد بحث قرار گرفته است. در انتها نیز ارتعاش آزاد برای دیگر شکل های پانل های ساندویچی از جمله پانل های سهمی گون هذلولوی ساندویچی، پانل های سیلندری ساندویچی و ورق های تخت ساندویچی بدست آمدند و مقایسه شدند. نتایج حاصل شده نشان دادند هسته با ضریب پواسن منفی و همچنین توزیع مدرج تابعی (FG) نانولوله کربنی در رویه های کامپوزیتی فوقانی و تحتانی باعث کاهش فرکانس طبیعی پانل ساندویچی مورد مطالعه شدند.

در این پژوهش به بررسی تجربی و عددی اثر اتصال چسبی بر رفتار خمشی ورق کامپوزیتی مشبک پرداخته شده است. به منظور ساخت پانل کامپوزیتی مشبک، قالب فومی طراحی و ساخته شد و سپس از روش لایه چینی دستی برای ساخت تقویت کننده ها استفاده گردید. پس از اتمام ساخت تقویت کننده ها، در سطح تماس تقویت کننده ها با پوسته کامپوزیتی، از چسب آکسون H 9940 BK به عنوان ایجاد سطح اتصال بین صفحه کامپوزیتی و تقویت کننده برای نمونه اول و رزین LR520 برای نمونه دوم استفاده شد. نمونه های ساخته شده تحت آزمون تجربی خمش سه نقطه ای قرار گرفتند. در این راستا به جهت تعیین خواص مکانیکی پارچه کربن، الیاف کربن، رزین و چسب، از آزمون های استاندارد استفاده شد. از نتایج حل عددی، جهت بررسی اندازه هندسه سلولی، پهنا و ضخامت، به منظور بهینه سازی و دست یافتن به استحکام خمشی ویژه و سفتی ویژه بالا در هندسه سلولی مربعی استفاده گردید. روش طراحی آزمایش به جهت تعیین تعداد نمونه های شبیه سازی عددی مورد استفاده قرار گرفته است. از مقایسه نتایج عددی با نتایج تجربی، مشاهده شد که اتصال چسب آکسون نسبت به رزین، نیروی بیشتری را قبل از شروع تخریب و ایجاد آسیب در سازه تحمل می کند. در بررسی اثرات ضخامت و پهنا تقویت کنننده بر رفتار خمشی پانل مشبک مشخص شد که افزایش ضخامت تا مقدار 14/87میلی متر و پهنا تا مقدار 8/7 میلی متر باعث افزایش نیروی بیشینه ویژه می گردند.

ارزیابی غیرمخرب افت خواص مکانیکی و ضخامت سازه های دو لایه به منظور پایش سلامت این سازه ها از اهمیت بالایی برخوردار است. هدف این پژوهش پیشنهاد یک روش ارزیابی غیرمخرب بر پایه گسترش امواج لمب برای بررسی سازه های دو لایه فلز-کامپوزیت بوده است. بدین منظور، مدل اجزای محدود یک صفحه فولادی پوشش داده شده با کامپوزیت ایجاد شد که در آن پوشش کامپوزیتی از لایه های نمد الیاف شیشه خرد شده و پارچه فیبر شیشه روینگ بافته شده تشکیل شده بود. مود پادمتقارن اصلی موج لمب (A0) با فرکانسهای تحریک مختلف در نمونه های دو لایه مدل شده گسترش یافتند. نمودارهای پراکندگی مود A0 موج لمب با در نظر گرفتن ضخامتهای مختلف و افت خواص مکانیکی لایه فلزی و پوشش کامپوزیتی بدست آمدند. بر اساس نتایج بدست آمده مشاهده شد که تاثیر ضخامت و افت خواص مکانیکی صفحه فولادی بر سرعت مود A0 موج لمب بیشتر از تاثیر ضخامت و افت خواص مکانیکی پوشش کامپوزیتی بود. همچنین، تخمین ضخامت پوشش کامپوزیتی در فرکانس های پایین بهتر انجام شد، در حالی که شناسایی افت خواص مکانیکی پوشش کامپوزیتی و صفحه فولادی در فرکانس های بالاتر بهتر صورت گرفت. در نتیجه، روش شبیه سازی گسترش امواج لمب می تواند به عنوان یک آزمایشگاه مجازی برای ایجاد روش هایی برای ارزیابی غیرمخرب سازه های دو لایه فلز-کامپوزیت با خواص مکانیکی و ضخامت های مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

ریدوم کامپوزیتی سازه ای مقاوم برای محافظت از آنتن رادارهای مخابراتی در برابر عوامل مکانیکی و محیطی می باشد. با توجه به قرارگیری آن در مقابل آنتن و امکان تاثیر بر روی امواج دریافتی و ارسالی، علاوه بر خواص مکانیکی، خواص الکترومغناطیسی این سازه بسیار حایز اهمیت است. در این پژوهش خواص مکانیکی (استحکام کششی در راستای الیاف) به همراه خواص الکترومغناطیسی (ثابت دی-الکتریک در فرکانس باندX) برای ریدوم کامپوزیتی (GFRP) بررسی و بهینه یابی شده است. برای این منظور از دو نوع الیاف شیشه سری E و D و دو نوع رزین اپوکسی و رزین پلی استر استفاده شده است. علاوه بر آن، جهت ساخت کامپوزیت، سه روش متداول لایه چینی دستی، کیسه خلا و نفوذ در خلا به کار گرفته شده است. همچنین با استفاده از روش طراحی آزمایش تاگوچی و تحلیل سیگنال به نویز ترکیب بهینه برای هر یک از خواص به دست آمد که برای استحکام کششی ترکیب الیاف شیشه سری E و رزین اپوکسی و روش ساخت کیسه خلا بالاترین استحکام کششی به مقدار 320. 9 مگاپاسکال و برای ثابت دی الکتریک الیاف شیشه سری D و رزین اپوکسی و روش ساخت کیسه خلا با مقدار 2. 85 پایین ترین مقدار تعیین گردید. پس از دست یابی به ترکیب بهینه برای هر یک از خواص به بررسی حالت بهینه با درنظر گرفتن تمامی عوامل خواص مکانیکی، الکترومغناطیسی بصورت یکجا به کمک روش بهینه یابی چندپاسخه (رابطه خاکستری)، پرداخته شده که در نهایت، ترکیب الیاف شیشه سری D، رزین اپوکسی و روش ساخت کیسه خلا پیشنهاد شده است.

کامپوزیت های پلیمری پایه نفتی می توانند عامل گسترش اشتعال علیرغم کاربردهای متعدد خود باشند. تحقیقات انجام شده بر روی اشتعال پذیری و خواص ضد حریق کامپوزیت ها در مقایسه با مطالعات خواص مکانیکی آنها ناچیز بوده که بیانگر اهمیت پرداختن به خواص چندمنظوره کامپوزیت ها با خواص مقاومت در برابر آتش است. در این تحقیق پلی یورتان دو جزیی با زیولیت طبیعی و نانوصفحات گرافیتی به منظور بررسی مقاومت به آتش و خواص بهینه مکانیکی فوم های کامپوزیتی ترکیب شد. همچنین ترکیب پلی یورتان با پلی اوره بنابر فرضیه مطالعه با درصد بهینه 40% به صورت کامپوزیت ترکیبی هم پایه بررسی شد. نتایج نشان داد میکرو/نانوکامپوزیت های تقویت شده زیولیت و نانوصفحات گرافیتی به ترتیب منجر به افزایش مدول یانگ کششی معادل 200 و 300% شده و افزودن زیولیت باعث افزایش استحکام در کشش کامپوزیت های می شود. آزمایشات نشان داد مدول خمشی نیز با افزودن دو فیلر افزایش می یابد. به منظور افزایش خواص مکانیکی، پارچه الیاف شیشه به کامپوزیت ترکیبی پلی یورتان/پلی اوره با خواص بهینه لایه گذاری شد که منجر به افزایش 600 و 200 درصدی مدول یانگ خمشی در حالت دولایه شد. روکش پلی اوره روی کامپوزیت ها با درصد بهینه نشان داد که نرخ سوختن تا 23 میلیمتر بر دقیقه کاهش یافته و مدت سوختن طبق استاندارد UL94 معادل 200 ثانیه گردید. کامپوزیت پلی یورتان/پلی اوره تقویت شده با زیولیت 2 درصد وزنی منجر به نرخ سوختن 4. 9 میلیمتر بر دقیقه شده که در دامنه مجاز 80 درصد کمتر از حداکثر نرخ ممکن در استاندارد است.

ایجاد پوشش ها با حداقل مولفه های مواد و مراحل تولید یکی از چالش های امروز در تهیه فیلم های نانوکامپوزیتی آب گریز است. هدف از این تحقیق تهیه پوشش نانوکامپوزیت پایه پلیمری آب گریز و بررسی ارتباط بین خواص آب گریزی، میکروساختار، درصد فاز افزودنی و انرژی آزاد سطح آن می باشد. بدین منظور، از نانوذرات سیلیکا اصلاح شده با هگزامتیل دی سیلازان به عنوان فاز افزودنی و اتیلن وینیل استات به عنوان زمینه و از تولوین به عنوان حلال استفاده شد. غلظت پلیمر/ حلال با غلظت 3% به عنوان غلظت بهینه برای تشکیل فیلم انتخاب شد. مقادیر 10%، 20% و 30% وزنی نانو ذرات به محلول اضافه شد و از روش پاشش به دلیل یک مرحله ای بودن استفاده شد. نتایج نشان داد پوشش پر شده با 30 درصد نانوسیلیکا دارای حفره ها با ساختاری متخلخل و شبکه ای بوده که موافق با پیش بینی مدل انرژی سطح کیسی-بکستر بود. پوشش های نانوکامپوزیتی با 30% نانوسیلیکا منجر به زاویه تماس استاتیکی 121 درجه با 34% افزایش نسبت به سطح اتیلن وینیل استات خالص و زاویه غلتش 8 درجه با 90% کاهش نسبت به نمونه های 10 درصد وزنی شدند. انرژی آزاد سطح از سه تیوری اوونز-وندت، فوکس و ون اوس بررسی شد که بر خلاف تیوری ون اوس تیوری های فوکس و اوونز-وندت نشان دادند که با افزایش غلظت نانو مواد، جزء قطبی انرژی آزاد سطح پوشش کاهش یافته که موید افزایش زوایای تماس تخمین زده شده در این مطالعه بود.

این پژوهش در تلاش است تا با بکارگیری روش نوین الکترومکانیکی برای پخش و جداسازی نانولوله ها، عایق جاذب الکترومغناطیسی باند X با راندمان بالا و مقرون به صرفه تولید نماید. برای این منظور، نخست نانوکامپوزیت هایی با زمینه پلی متیل متاکریلات با درصدهای بین 0 تا 2 % وزنی از نانولوله های کربنی با دو روش الکترومکانیکی و پروب التراسونیک تولید شد. ساختار نمونه ها توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف نگاری رامان مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین مقاومت الکتریکی نمونه ها برای تعیین غلظت آستانه رسانایی اندازه-گیری شد. در گام نهایی ارزیابی ها، رفتار الکترومغناطیسی نمونه ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می دهند آستانه رسانایی در روش الکترومکانیکی در غلظت وزنی 2/0% رخ داده است، در حالی که برای روش التراسونیک این رویداد در غلظت 1% مشاهده شد. بر اساس مطالعات میکروسکوپی و طیف نگاری رامان، توانایی جداسازی الکترومکانیکی در حفاظت از ساختار و طول نانولوله ها، عامل اصلی کاهش 80 درصدی غلظت آستانه رسانش تشخیص داده شد. بررسی خصوصیات الکترومغناطیس نمونه ها در آستانه رسانایی نشان می دهد که روش الکترومکانیکی علی رغم داشتن غلظتی معادل 20% روش پروب التراسونیک، عایق سازی موثر الکترومغناطیسی dB 38 را ارایه می دهد که در مقایسه با روش التراسونیک 16% بیشتر است. البته مزیت روش الکترومکانیکی در مقایسه با سایر روش ها، حاکی از امکان تقلیل 25 برابری غلظت و همزمان افزایش میزان جذب از 25 به dB 36 است.