توصيفگر ها :
خواص تريبولوژيكي , كامپوزيت هيبريد خودروان كار , روان كننده جامد , پلي تترافلوئورواتيلن , كاربيد تنگستن , نانولوله كربني , هدايت حرارتي
چكيده فارسي :
استفاده از كامپوزيت هاي مسلح با اجزاي هيبريدي كه هم زمان داراي خواص استحكامي و سايش پذيري مطلوب باشند، امروزه بسيار مورد اقبال صنايع گوناگون قرار گرفته است. اجزاي تريبولوژي در صنايع مختلف نياز به روان كاري دارند تا سايش و اصطكاك آن ها كاهش يابد. پلي تترافلوئورواتيلن (تفلون) روان كننده ي جامدي است كه داراي پايين ترين ميزان اصطكاك و لذا، بالاترين قابليت براي روان كاري است. اما به دليل اينكه الياف پلي تترافلوئورواتيلن مقاومت كمي در برابر سايش نشان مي دهند، بنابراين كامپوزيت هيبريد خودروان كار تقويت كننده/پلي تترافلوئورواتيلن تركيبي از خواص مقاومت در برابر سايش بالاي تقويت كننده و ويژگي ضريب اصطكاك پائين پلي تترافلوئورواتيلن را ارائه مي دهد. در اين رساله به طراحي و توليد يك منسوج هيبريدي جهت ارائه ويژگي خود روان كاري و درعينحال با اصطكاك و سايش كم براي تقويت رزين اپوكسي پرداخته شده است. از اين رو، جزء پلي تترافلوئورواتيلن به عنوان عامل كاهنده اصطكاك و جزء تقويت كننده به عنوان المان مقاوم در برابر سايش مورد استفاده قرار گرفت. اين منسوج هيبريدي خودروان كار از طريق روش رشته پيچي توليد شد. در ابتدا اثر درصد نخ پلي تترافلوئورواتيلن بر خواص تريبولوژيكي كامپوزيت، ارزيابي و درصد بهينه انتخاب گرديد. سپس، نمونه هاي كامپوزيتي با استفاده از درصد بهينه نخ پلي تترافلوئورواتيلن و سه پارامتر ساختاري مختلف منسوج و هركدام با چند سطح توليد شد كه عبارتند از: نوع چيدمان در دو سطح: در نوع نخست، آرايش يافتگي پلي تترافلوئورواتيلن/ جزء تقويت كننده به صورت لايه اي در نظر گرفته شد؛ نحوه چينش بهگونهاي بوده كه لايه ابتدايي از جنس پلي تترافلوئورواتيلن و لايه ي بعدي جزء تقويت كننده باشد. در نوع دوم، عمل پيچش بهصورت هيبريد (چندلاكني شده) پلي تترافلوئورواتيلن/ تقويت كننده است. توليد اين نمونه ها به اين صورت انجام شد كه پلي تترافلوئورواتيلن و تقويت كننده بهصورت يك نخ چندلاشده بر روي سطح مغزي پيچيده و سپس پخت گرديد. پارامتر دوم: نوع نخ تقويت كننده (شيشه، كولار، پلي اتيلن با وزن مولكولي بسيار بالا)، و پارامتر سوم: زاويه پيچش (سه زاويه 55، 70 و 82 درجه) مي باشد. سپس، خواص تريبولوژيكي، مكانيكي و حرارتي كامپوزيت هاي توليد شده مورد بررسي قرارگرفت و كامپوزيت بهينه انتخاب شد. همچنين با هدف ارتقاي خواص تريبولوژيكي، مكانيكي و هدايت حرارتي كامپوزيت ها، در مرحله رشته پيچي و توليد كامپوزيت، تقويت كننده هاي كاربيد تنگستن با درصدهاي (%5، %10، %20 و %30) و نانولوله كربني با درصدهاي (%1، %3 و %5) به رزين اپوكسي در كامپوزيت بهينه افزوده شد. خواص استحكام سطحي و چسبندگي بين الياف و رزين نيز مورد بررسي گرفت. مورفولوژي سطوح كامپوزيت پس از سايش و فيلم انتقالي تشكيل شده بر روي سطح توسط ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) نيز ارزيابي گرديد. همچنين براي بررسي عناصر موجود در فيلم انتقالي، از تحليل طيف سنجي پراش انرژي پرتو ايكس (EDS) استفاده شد. جهت ارزيابي خواص كامپوزيت ها، محاسبه ضريب اصطكاك و ضريب هدايت حرارتي از نظر تئوري نيز مورد بررسي قرار گرفت. درصد بهينه نخ پلي تترافلوئورواتيلن و تقويت كننده از نظر خواص تريبولوژيكي به ترتيب %80 و %20 انتخاب شد. نتايج آزمايش هاي خواص تريبولوژي و استحكام فشاري نشان داد كه كامپوزيت هيبريد %20 كولار/ %80 پلي تترافلوئورواتيلن با زاويه پيچش 55 درجه نمونه ي بهينه از نظر ضريب اصطكاك، نرخ سايش و استحكام فشاري نهايي است. همچنين با افزودن %20 كاربيد تنگستن و %3 نانولوله كربني خواص تريبولوژيكي، استحكام فشاري و حرارتي كامپوزيت بهبود يافته است. در بهينه ترين حالت ضريب اصطكاك به 0/028 و نرخ سايش به cm3/N.m 1/32×10-7 رسيد و بالاترين ضريب هدايت حرارتي W/mK 2/752 مي باشد كه اين مقادير داراي مزيت رقابتي قابل توجه در مقايسه با كامپوزيت هاي خودروان كار در پژوهش هاي ديگر است. همچنين، بالاترين استحكام برشي بين سطحي (IFSS) بين الياف كولار و رزين اپوكسي تقويت شده با نانولوله كربني كه برابر MPa 15/25 مي باشد، به دست آمده است.
چكيده انگليسي :
The idea of using composites reinforced with hybrid components that simultaneously have the desired strength and wear properties, has become very popular today in various industries. There are many composites in the industry such as gears, bushings, bearings and slide plates that are subjected to high wear and friction. Therefore, these components need to be lubricated to prevent wear between them and to reduce the friction coefficient. Polytetrafluoroethylene (PTFE) has the lowest friction and therefore the highest lubricity. However, due to its poor mechanical properties and high wear rate, this material is usually used in combination with other materials to improve its mechanical properties, wear and even thermal stability. Because PTFE fibers show low wear resistance, PTFE / reinforcement hybrid composites offer a combination of high wear resistance and a low friction coefficient. In this thesis, a hybrid composite is designed and produced to provide self-lubricating properties and at the same time with low friction and wear to strengthen epoxy resin. Hence, the PTFE component was used as a friction reducing agent and the reinforcing component was used as a wear-resistant element. This hybrid composite was produced by filament winding method and consists of two different yarn components, one of which is PTFE and the other is a reinforcement yarn. First, the effect of the percentage of PTFE yarn on the tribological properties of the composite was evaluated and the optimal percentage was selected. Then, composite samples were produced using the optimal percentage of poly-tetrafluoroethylene yarn and three different structural parameters, each with several levels, which are: winding type in two levels: in the first type, arrangement of PTFE / reinforcement component was considered as a layer; The arrangement is such that the first layer is made of PTFE and the next layer is reinforcement. The second type is hybrid that PTFE and reinforcement yarns were wrapped in a multi-stranded yarn on the mandrel and then cured. The second parameter is the type of reinforcement yarn (glass, Kevlar, ultra-high molecular weight polyethylene), and the third parameter is the winding angle (three angles of 55º, 70º and 82º). In this study, tribological, mechanical and thermal properties of produced composites were investigated. Furthermore, in the winding stage during composite production, tungsten carbide powder (WC) and multi wall carbon nanotubes (CNTs) were added to the epoxy resin with the aim of increasing tribological, mechanical properties and thermal conductivity of the composite. Tribological, mechanical and thermal properties of 20% Kevlar+ 80% PTFE composites that reinforced with different percentages of WC (5%, 10%, 20% and 30%) and CNTs (1%, 3% and 5%) were studied. The interfacial shear strength (IFSS) properties of fibers and resin were also investigated. The morphology of the composite surfaces after wear were also evaluated by scanning electron microscopy (SEM). X-ray energy diffraction (EDS) spectroscopy was also used to investigate components in the transfer film. In order to evaluate properties of composites, calculation of friction coefficient and thermal conductivity were theoretically calculated. The results showed that 20% Kevlar+ 80% PTFE composite is the optimal sample in terms of friction coefficient and wear rate. Tribological, mechanical and thermal properties have also been improved by adding 20% WC and 3% CNTs. In the optimal case, the friction coefficient reached to 0.028 and the wear rate reached to 1.32×10-7 cm3/N.m. Also, the highest thermal conductivity is 2.752 W/mK. The highest IFSS was also obtained between epoxy resin reinforced with CNTs and Kevlar fibers.