توصيفگر ها :
كامپوزيت شيشه/ اپوكسي , نانو بلور هاي سلولزي , الياف توخالي پلي استر , چقرمگي , ضربه , پره توربين بادي
چكيده فارسي :
رزين اپوكسي به¬واسطه برخورداري از خواص مكانيكي، حرارتي و الكتريكي مطلوب، يكي از رزين¬هاي پركاربرد در صنعت كامپوزيت به ¬شمار مي¬آيد. با¬اين¬حال، علي‌رغم كاربردهاي فراوان، اين رزين به¬صورت ذاتي، شكننده و آسيب¬پذير است. از اين رو، رساله پيش رو با هدف تقويت و بهبود خواص مكانيكي كامپوزيت شيشه/ اپوكسي مورد استفاده در پره توربين بادي پايه-ريزي و انجام شد. در اين راستا، از دو نوع تقويت¬كننده با ساز و كار عملكرد متفاوت جهت افزايش ميزان ضربه¬پذيري و چقرمگي كامپوزيت¬هاي بر پايه اپوكسي حاوي دولايه پارچه شيشه دو محوره و سه محوره استفاده گرديد. تقويت¬كننده¬هاي مورد استفاده، نانو¬بلور¬هاي سلولزي با مدول بالا (160 گيگا پاسكال) و الياف پلي¬استر توخالي با قابليت تغيير شكل بالا را در برمي‌گيرد كه اگرچه از نقطه نظر ماهيت ساختاري، تفاوت¬هاي قابل‌توجهي با يكديگر دارند، اما مي¬توانند به‌عنوان زمينه¬ساز استهلاك انرژي در كامپوزيت، در زمان برخورد نقش‌آفريني كنند. نانو¬بلور¬هاي سلولزي به روش هيدروليز اسيدي توليد شده و با تكنيك¬هاي مختلفي مشخصه¬يابي شدند. با مطالعه مقالات علمي، مشخص گرديد كه اگرچه بر ضرورت پخش شدن يكنواخت تقويت‌كننده ذره¬اي در ماتريس، بسيار تاكيد شده است، اما چگونگي دستيابي به اين مهم همچنان به‌صورت چالشي نيازمند بررسي¬هاي بيشتر، باقي‌مانده است. در اين پژوهش، چالش مذكور با محاسبه انرژي سطحي نانو¬ذرات و محيط اختلاط، موردتوجه قرار گرفت و مشاهده گرديد چنانچه محيط اختلاط به‌درستي انتخاب شود، مي¬توان بهبود قابل‌توجهي در خواص مكانيكي كامپوزيت شيشه/اپوكسي شاهد بود. از اين رو، دو روش اختلاط مورد ارزيابي واقع گرديد: (1) افزودن نانو¬بلور¬هاي سلولزي به عامل پخت (روش H) و (2) افزودن نانو¬بلور¬هاي سلولزي به كل سيستم رزيني (روش S). مشاهده شد علي¬رغم عدم معنا¬داري تغييرات استحكام كششي در هر دو روش اختلاط، با به¬كارگيري روش S، مدول كششي نانوكامپوزيت نانو¬بلور¬هاي سلولزي/ اپوكسي در غلظت كمتر از 5/0 درصد افزايش چشمگيري داشت. اما در روش H به¬واسطه كاهش موضعي چگالي اتصالات عرضي، مدول كششي كاهش يافت. آناليز حرارتي-مكانيكي-ديناميكي در هر دو روش با نتايج حاصل از آزمون كشش هم¬خواني داشت. با اين حال افزايش ميزان چقرمگي در راستاي تاييد ساز و كارهاي چقرمه¬سازي نمونه¬ها از طريق جلوگيري از رشد ترك در روش¬هاي S و H به ترتيب در درصدهاي وزني 25/0 و 125/0 به ميزان % 38 و % 41 مشاهده شد. در خصوص كامپوزيت¬هاي دولايه از پارچه شيشه دو محوره/ رزين اپوكسي، افزودن نانو¬بلور¬هاي سلولزي و الياف توخالي پلي‌استر به‌صورت مجزا، در درصد¬هاي بهينه در هر دو روش اختلاط اثر معناداري در بهبود مدول و استحكام كششي، چقرمگي شكست و خواص ضربه¬پذيري داشت. همچنين، علي¬رغم عدم معناداري تغيير مدول و استحكام كششي نمونه¬هاي تقويت¬شده با الياف توخالي پلي‌استر ممتد، ضربه¬پذيري و چقرمگي شكست نمونه¬ها افزايش چشمگيري داشت. افزايش ضربه¬پذيري در نمونه¬هاي تقويت¬شده با نانو¬بلور¬هاي سلولزي (در 25/0 درصد وزني در روش¬هاي S وH) و 2 درصد وزني از الياف توخالي پلي‌استر ممتد به ترتيب به ميزان %71، % 101و %72 بود. ميزان بهبود در چقرمگي شكست در اين نمونه¬ها به ترتيب %33، %49 و %7/71 محاسبه شد. در كامپوزيت¬هاي دولايه از پارچه¬هاي شيشه سه محوره/ رزين اپوكسي، بهبود ضربه¬پذيري به ترتيب %12، %20 و%27 اندازه¬گيري شد. برخلاف كامپوزيت¬هاي دولايه حاوي پارچه شيشه دو محوره، افزايشي معادل %57 در چقرمگي شكست كامپوزيت¬هاي دولايه حاوي پارچه شيشه سه محوره در حضور الياف توخالي پلي¬استر ممتد مشاهده شد. همچنين نتايج حاصل از آزمون ريز قطره، با نتايج حاصل از آزمون¬هاي مكانيكي همخواني داشت.
چكيده انگليسي :
Epoxy resin is one of the mostly used resins in composite industry due to the desired mechanical, thermal and electrical properties. However, despite many applications, epoxy is inherently brittle and vulnerable to cracks. Therefore, the present research work was performed to strengthen and improve the mechanical properties of glass/epoxy composite used in wind turbine blades. In this regard, two types of reinforcing materials with different reinforcing mechanisms were used to enhance the toughness and impact strength of epoxy-based composites containing two-layers of triaxial and biaxial E-glass fabrics. The reinforcements were included cellulose nano-crystals (CNCs) with high modulus (160 GPa) and poly(ethylene terephthalate) (PET) hollow fibers with high strain to rupture and high deformation under impact loading. The latter can be resulted in energy dissipation in composite structures. CNCs were prepared by acid hydrolysis of cotton linter and charactrised with different techniques. The literature survey shows although uniform dispersion of nanoparticles within matrix has been excessively investigated, however, this issue is still challenging. In this study, this challenge was focused by considering the surface energies of nanoparticles and mixing medium. Two mixing techniques were considered: (1) incorporation of cellulose nanocrystals into the curing agent (method H) and (2) incorporation of cellulose nanocrystals into the whole resin system (method S). It was found that by an appropriate selection of mixing medium, a remarkable improvement can be observed in the mechanical properties of E-glass/epoxy composite. Strictly speaking, in spite of the insignificant changes in tensile strength of samples prepared through different mixing techniques, the tensile modulus of CNCs/epoxy nanocomposite reinforced by less than 0.5% of CNCs through technique S significantly increased. However, in technique H, the tensile modulus was reduced due to the locally reduction of crosslinks density. In both techniques, the results of dynamic mechanical thermal analyses were in agreement with those of tensile tests. An increase of 38% and 41% in toughness of the samples reinforced by CNCs with loading contents of 0.25 and 0.125 wt.% was observed for samples prepared according to techniques S and H, respectively. In the case of two layers biaxial E-glass/epoxy composite samples, tensile modulus and strength, fracture toughness and impact strength of the samples were positively affected by CNCs in optimum contents, irrespective of mixing medium. Moreover, in contrast to tensile modulus and tensile strength of the samples reinforced with continuous PET hollow fibers, the impact strength and fracture toughness of the specimens was significantly increased. Impact resistance of the samples reinforced with CNCs, 0.25 %wt. through techniques S and H, and continuous PET hollow fibers (2 %wt.) was improved by 71, 101 and 72%, respectively. Additionally, the improvements in fracture toughness of the mentioned samples were also about 33, 49 and 71.7%, respectively. Regarding triaxial E-glass fabric/epoxy composites, in the same contents of CNC and PET hollow fibers as the biaxial ones, impact resistance improvements of 12, 20 and 27% were obtained, respectively. Unlike biaxial composites, an increase of 57% in fracture toughness of triaxial composite containing continuous PET hollow fibers was observed. Furthermore, the results of the micro-droplet test were in agreement with the results of mechanical tests. It is worth mentioning that incorporation of CNCs and PET hollow fibers in low weight fractions into the E-glass fabric/epoxy composite to be used in wind turbine blade, is one of the innovations of this work.
