استحکام باقی‌مانده نانو کامپوزیت کربن/اپوکسی تحت بار گذاری متناوب دمایی و ضربه کم سرعت

چکیده طرح: کامپوزیت‌های زمینه پلیمری با وجود داشتن خواص مکانیکی ویژه بالا از قبیل استحکام و مدول ویژه و چگالی پایین در مقایسه با مواد سازه‌ای سنتی دارای عیوبی نیز می‌باشند. ازجمله این عیوب می‌توان به مقاومت کم این مواد در برابر بارهای ناشی از ضربه‌های سرعت پایین و نیز حساسیت بالای این مواد به تغییرات عوامل محیطی از قبیل دما اشاره نمود. هدف این پروژه بررسی پروسه‌های خرابی و افت خواص مکانیکی در نانو کامپوزیت کربن / اپوکسی / رس آسیب دیده در ضربه‌های کم سرعت تحت بارگذاری متناوب دمایی (در محدوده ۳۰- تا ۸۰ درجه سانتیگراد) می‌باشد. در این تحقیق از روش‌های تجربی، مدل سازی عددی و بطور محدود از مدل‌های تئوری موجود استفاده خواهد شد. در آزمون های تجربی آزمون ضربه کم سرعت به روش وزنه افتان در محدوده انرژی ۵ تا ۱۵ ژول مد نظر می باشد.

در بخش تجربی، دو دسته از مواد کامپوزیتی برای انجام آزمون‌های تجربی استفاده شده است. دسته اول استحکام فشاری صفحات کامپوزیتی کربن / اپوکسی که بطور همزمان تحت ضربه کم سرعت و سیکل دمایی متناوب (۲۰۰ و ۵۰۰ سیکل) قرار گرفته اند استخراج شده است. دسته دوم استحکام باقی مانده فشاری صفحات نانو کامپوزیتی کربن / اپوکسی / رس استخراج شده است. سطح خرابی نمونه ها و مدهای خرابی در هر دو دسته از نمونه ها با استفاده از آزمون غیر مخرب ایکس ری و همچنین میکروسکوپ الکترونی روبشی مطالعه شده است.

در روش عددی، با استفاده از نرم‌افزار آباکوس نمونه های کامپوزیتی سالم و نمونه های کامپوزیتی ضربه دیده شبیه سازی شده و استحکام باقی مانده فشاری پیش بینی خواهد شد. جهت رشد خرابی ناشی از ضربه از المان های ناحیه چسبناک در مدل عددی استفاده خواهد شد. نتایج عددی با نتایج تجربی مقایسه و ارزیابی خواهند شد.

در ادامه با توجه به نتایج تجربی بدست آمده از آزمون‌ها، تاثیرهمزمان سیکل دمایی و ضربه کم سرعت بر رفتار استحکامی کامپوزیت‌های آسیب دیده استخراج می‌گردد. همچنین تاثیر نانو ذرات بر بهبود خواص ضربه ای کامپوزیت‌ها مشخص خواهد شد

اهداف طرح:

۱) تاثیر شرایط متناوب دمایی (۳۰- تا ۸۰ درجه سانتیگراد) بر استحکام فشاری کامپوزیت کربن / اپوکسی با و بدون نانو ذرات رس

۲) ارزیابی استحکام فشاری صفحات کامپوزیتی که تحت ضربه کم سرعت (سه سطح مختلف) و شرایط دمایی متناوب به صورت همزمان واقع شده اند.

۳) توسعه مدل‌های نیمه تجربی جهت پیش‌بینی استحکام باقی مانده بعد از ضربه صفحات کامپوزیتی با و بدون نانو ذرات vs

4) توسعه مدل های عددی با نرم افزار آباکوس برای ارزیابی نتایج آزمایشگاهی نمونه های کامپوزیتی

معرفی به دستاورد مردمی:

در صنعت مشاهده شده است که آسیب با انرژی پایین و سرعت کم به سازه‌های کامپوزیتی برخورد می‌کند که در بیشتر موارد با بازرسی بصری قابل تشخیص نیست. از این موارد می‌توان به برخورد ابزارهای تعمیر و ضربات ناشی از برخورد اجسام خارجی به بدنه‌ی هواپیما اشاره نمود. طبق تحقیقات، بیشترین افت خواص پس از ضربه‌ی کم‌سرعت، مربوط به استحکام فشاری می‌باشد. همچنین عمدتاً سازه‌های کامپوزیتی، در طول بهره‌برداری در شرایط محیطی مختلفی قرار می‌گیرند. ازجمله شرایط محیطی که سازه‌های کامپوزیتی به‌طور مکرر تحت آن شرایط مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند، سیکل حرارتی می‌باشد که باعث محدود شدن کاربرد این مواد سبک و با استحکام بالا در صنایع هوایی شده است.

بنابراین در این پروژه اثر نانورس و سیکل حرارتی به طور همزمان بر روی استحکام فشاری باقی مانده چندلایه‌های کربن / اپوکسی در برابر ضربه کم‌سرعت به‌صورت آزمایشگاهی بررسی شده است. روش عددی و تجربی نیز علاوه بر روش آزمایشگاهی، پیرامون استحکام فشاری پس از ضربه مورد توجه قرار گرفته است.

در پژوهش حاضر پس از بررسی اثر نانورس بر خواص مکانیکی رزین اپوکسی، اثر نانورس بر رفتار کامپوزیت کربن / اپوکسی در برابر ضربه کم‌سرعت بررسی شد. نمونه‌های نانو کامپوزیت کربن / اپوکسی حاوی نانورس با روش نفوذ در خلأ ساخته شد و تحت آزمون ضربه سقوط آزاد در ۳ سطح انرژی J 10، J 15 و J 20 هم در دمای محیط و هم در سیکل حرارتی قرار گرفت. همچنین پیرامون پیش‌بینی استحکام فشاری مواد کامپوزیتی که تحت ضربه قرارگرفته‌اند نیز مطالعه صورت گرفته است. مدل‌های مختلفی جهت پیش‌بینی استحکام باقی‌مانده بعد از ضربه در کامپوزیت‌ها توسط محققین ارائه‌شده است که بعد از بررسی نتایج این مدل‌ها، مناسب ترین مدل ارائه شده است. داده‌های تجربی شامل نمونه‌های کامپوزیتی با و بدون نانو در دمای اتاق و سیکلی بوده است که مدل ارائه‌شده برای نتایج برازش منحنی این داده‌ها مطابقت خوبی را نشان می‌دهد.

در این گزارش پیش بینی استحکام فشاری مواد کامپوزیتی که تحت ضربه قرار گرفته‌اند، به صورت عددی نیز بررسی می‌شود. جهت شبیه سازی این فرآیند از نرم افزار آباکوس و سابروتین VUMAT استفاده شده است. در این شبیه سازی در گام اول ضربه زننده با سرعت اولیه مشخص به کامپوزیت برخورد می‌کند و تحت آسیب قرار می‌گیرد. در گام بعدی کامپوزیتِ ضربه خورده تحت آزمون فشار قرار می‌گیرد تا استحکام فشاری باقی‌مانده آن محاسبه شود. مطابقت خوب بین نتایج آزمایشگاهی و نتایج شبیه سازی عددی نشان می‌دهد مدل آسیب ارائه شده قابلیت پیش بینی پاسخ ضربه را در سازه‌های کامپوزیتی دارد. همچنین مقایسه نتایج تجربی و عددی در آزمون فشار نشان می‌دهد که مدل خرابی استفاده شده، استحکام فشاری باقی‌مانده را نیز با دقت بالایی پیش بینی می‌کند.