توصيفگر ها :
خودترميم , مكانيزم ترميم حرارتي , چقرمگي شكست حالت تركيبي (1/2) , ميكرو/نانوكامپوزيت هيبريدي , خواص مكانيكي , مقاومت در برابر ضربه
چكيده فارسي :
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.
چكيده انگليسي :
For this reason, engineers have been inspired by natural self-healing to heal various materials, including composites. However, the use of self-healing mechanisms requires expensive basic materials and numerous and time-consuming construction steps, which regardless of the fact that these researches are still in the initial stage of their development and commercial application, as well as regarding the design and construction of mechanical structures in accordance with the mentioned applications, this methods are not cost-effective in terms of time and money. On the other hand, introducing a new formulation in the construction of self-healing structures and parts that can introduce self-healing parts with new technology with the approach of high-scale production capability with regard to economic efficiency is one of the necessities of research development and application of this class of materials. Also, most of the studies have investigated the biological self-healing properties or the appearance and visual properties of the samples. While in the design and manufacture of mechanical components by composites, the topic of mechanical properties and mechanical response of samples and parts, especially their impact resistance and fracture toughness properties, plays a fundamental role in the development of practical products in this field. Another issue in the field of self-healing composites is the lack of sufficient reference and extensive research on the properties of fracture toughness in mixed modes. While in many applications of self-healing composites, such as those seen in bone or structural implants, samples or parts are subjected to tensile or shear loads at the same time. For this research, it was tried to use common and economical materials and heal mechanism in such a way that it does not require high production costs of other methods. In this research, unsaturated polyester resin (UPR) is the reinforcing matrix and self-healing phase, and it is also responsible for power transmission. The secondary and restorative phase is polyvinyl chloride (PVC) microchips, which is the restorative component of the main phase with thermal stimulation. Carbon black microparticles (CB) and graphite nanoplate (GNP) were used as micro and nano reinforcements to change mechanical and thermal properties and create heat transfer. The experimental results on mechanical properties showed that PVC microchips had better results than pure UPR matrix polymer on properties such as impact resistance, tensile modulus, fracture toughness in 1, 2 and mix mode at low loads. The loading of CB microparticles had a positive effect on properties such as impact resistance, fracture toughness in 1, 2 and mix mode and improved these mechanical properties in some cases. Also, the loading of GNP nanoplate had an increasing effect on properties such as tensile modulus, strength and flexural modulus in some cases. The experimental results on the healing efficiency showed that the loading of PVC microchips increases the healing efficiency in the properties of impact resistance and mix mode fracture toughness in the first phase composite. Arcan disc and butterfly sample were used to extract the stress intensity factor in the mixed mode, so that the required geometric factor were extracted with the help of numerical modeling and applied to the stress intensity factor relationships. According to the numerical results, it was determined that until the loading angle of 70 degrees, the fracture toughness is dominant in mode 1, and after this loading angle, the fracture toughness of mode 2 becomes dominant. It was also found that the geometric stress intensity factor in mode 1 increases with the increase in the ratio of crack length to sample width, but the ratio of crack length to sample width does not have a great effect on the geometric stress intensity factor in mode 2 and includes minor changes.
