توصيفگر ها :
كامپوزيتهاي پليمري , كامپوزيتهاي فلز-پليمر لايهاي , نانوذرات رس , ذرات كربن سياه , مورفولوژي , خواص اتصالي
چكيده فارسي :
در بسياري از كاربردي هاي صنعتي نظير ساخت ضربه گيرها و يا بدنه خودرو و پرنده ها خواص همزمان انعطاف پذيري و شكل پذيري از سوي فاز پليمري از يك سو و از سوي ديگر خواص بالاتر استحكام مكانيكي توسط مشاركت فاز فلزي يك ضرورت است. با اين وجود، بررسي خواص اتصال پليمر به فلز به ويژه نوع تقويت شده پليمري به دليل چالش هايي نظير انتخاب مواد، ساخت و مكانيزم هاي انتقال نيرو، چسبندگي و فصل مشترك فلز/پليمر به ويژه در تركيبات جديد مواد متشكله يك چالش است. در اين پژوهش، به بررسي اثر تقويتكنندههاي در مقياس نانو و ميكرو بر خواص مكانيكي و اتصالي نانوكامپوزيتهاي پليمري پايه رزين پلياستر با زيرلايه آلومينيومي پرداخته شد. هدف اصلي، ارتقاي استحكام و كيفيت پيوند در سامانههاي فلز-پليمر بوده است كه نقش كليدي در كاربردهاي صنعتي و مهندسي ايفا ميكنند. براي اين منظور، ذرات كربن در درصدهاي وزني 1، 3، 5 و 10 درصد و همچنين نانوذرات رس در درصد وزني 5 درصد در زمينه پليمري پراكنده شدند. فرآيندهاي مختلف آمادهسازي سطح آلومينيوم شامل نورد گرم، سنبادهكاري و آنودايزينگ بهكار گرفته شد تا تأثير ريخت¬شناسي و توپوگرافي سطح بر كيفيت اتصال مورد ارزيابي قرار گيرد. آزمونهاي مكانيكي شامل آزمون ضربه، برش لبه و خمش سهنقطه براي بررسي رفتار مكانيكي و اتصالي نمونهها طراحي و اجرا شدند. نتايج نشان داد افزودن ذرات تقويتكننده تا درصد وزني 5 درصد، بهبود قابل توجهي در خواص مكانيكي ايجاد ميكند، اما افزايش بيشتر (10 درصد وزني) به دليل تجمع ذرات، افزايش گرانروي و حضور حبابهاي داخلي منجر به افت خواص شد. مقايسه بين تقويتكنندهها نشان داد كه نانوذرات رس به دليل نسبت سطح به حجم بالا و رفتار رئولوژيكي مناسب، فاز مياني قويتري با زمينه پليمري ايجاد كرده و در نتيجه خواص مكانيكي و اتصالي بهتري نسبت به ذرات كربن ارائه دادند. تحليلهاي ميكروسكوپ الكتروني (FESEM) از سطح مقطع شكست و سطح زيرلايه پس از جدايش در آزمون برش لبه، توزيع يكنواختتر و درهمتنيدگي مكانيكي قويتر نانوذرات رس را نسبت به ذرات كربن تأييد كرد. نتايج پراش پرتو ايكس (XRD) نيز نشان داد كه در غلظتهاي پايينتر، افزايش درصد وزني ذرات موجب بهبود نسبي بلورينگي و انتقال بار ميشود، اما در غلظتهاي بالا، تشكيل فازهاي كلوخهاي عامل اصلي افت خواص است. علاوه بر اين، آزمون زاويه تماس آب بهعنوان شاخصي مكمل، تغيير رفتار سطحي و نقش آمادهسازي سطح را در بهبود سازگاري شيميايي و فيزيكي بين فازها آشكار ساخت. در مجموع، ميتوان نتيجه گرفت كه انتخاب درصد وزني مناسب تقويتكنندهها، همراه با آمادهسازي بهينه سطح زيرلايه، كليد دستيابي به خواص مكانيكي و اتصالي برتر در سامانههاي فلز-پليمر است. يافتههاي اين پژوهش علاوه بر ارائهي ديدگاههاي بنيادي در زمينهي نقش فاز مياني و مورفولوژي سطح، ميتواند مبنايي كاربردي براي توسعه مواد كامپوزيتي پيشرفته در صنايع مختلف فراهم سازد.
چكيده انگليسي :
In many industrial applications, such as the production of impact absorbers and the bodies of automobiles and aircraft, the simultaneous properties of flexibility and formability from the polymeric phase on the one hand, and on the other hand higher mechanical strength by the contribution of the metallic phase, are a necessity. Nevertheless, examining the bonding properties of polymer to metal, especially the polymer-reinforced type, is a challenge due to issues such as material selection, fabrication, force transfer mechanisms, adhesion, and the metal/polymer interface, particularly in new material combinations. In this research, the effect of micro- and nano-scale reinforcements on the mechanical and interfacial properties of polyester-based polymer nanocomposites bonded to aluminum substrates was investigated. The main objective was to enhance the strength and bonding quality in polymer–metal systems, which play a critical role in industrial and engineering applications. For this purpose, carbon black particles at weight fractions of 1, 3, 5, and 10 wt.% and nanoclay at 5 wt.% were dispersed in the polymeric matrix. Different aluminum surface pre-treatments, including hot rolling, sanding, and anodizing, were employed to assess the influence of surface morphology and topography on bonding quality. Mechanical tests including impact, lap shear, and three-point bending were conducted to evaluate the mechanical and interfacial behavior of the samples. The results demonstrated that the addition of reinforcing particles up to 5 wt.% significantly improved the mechanical properties, while higher loadings (10 wt.%) led to property degradation due to particle agglomeration, increased viscosity, and entrapped voids. A comparison of reinforcements revealed that nanoclay, owing to its high surface-to-volume ratio and favorable rheological behavior, generated a stronger interphase with the polymer matrix and consequently provided superior mechanical and bonding performance compared to carbon black. Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) analyses of fracture surfaces and substrate surfaces after lap shear tests confirmed the more uniform distribution and stronger mechanical interlocking of nanoclay compared to carbon black. X-ray diffraction (XRD) results further indicated that at lower concentrations, the addition of reinforcing particles enhanced crystallinity and load transfer, while at higher concentrations, the formation of agglomerated phases was the main cause of mechanical property deterioration. In addition, water contact angle measurements served as a complementary test, highlighting changes in surface behavior and the role of surface pre-treatments in improving chemical and physical compatibility at the interface .Overall, it can be concluded that the proper selection of reinforcement loading, along with optimized substrate surface preparation, is the key to achieving superior mechanical and interfacial properties in polymer–metal hybrid systems. The findings of this study not only provide fundamental insights into the role of interphase and surface morphology but also establish a practical basis for developing advanced composite materials for diverse industrial applications.