20434

۲۰۴۳۴

بررسي تئوري، عددي و تجربي خزش در نانوكامپوزيت‌هاي گرافن/اپوكسي

دكتري

مهندسي مكانيك

۱۳۹۱-۱۳۹۸

۱۳۹۸/۱/۳۱

دكتر محمودمهرداد شكريه - دكتر فتح اله طاهري

مكانيك

وقتي مقادير كمي از صفحات نازك گرافن بطور مناسب در يك پليمر پخش ‌شوند، مي‌توانند بعضي از خواص مكانيكي آن را بطور خاصي بهبود دهند. بعنوان مثال حضور گرافن در يك زمينه پليمري، خواص خزشي آن را بطور جدي تغيير مي‌دهد. با توجه به خلا‌هاي تحقيقاتي در اين زمينه، هدف از انجام تحقيق حاضر پيش‌بيني رفتار خزشي نانوكامپوزيت گرافن/اپوكسي مي‌باشد. تحقيق حاضر شامل فعاليت‌هاي آزمايشگاهي، تحليلي و عددي است. براي ارزيابي مدل‌هاي تحليلي و عددي ارائه شده در اين تحقيق، مطالعه آزمايشگاهي طراحي و انجام شده است. با مقايسه نتايج مدل‌هاي تحليلي و عددي با آزمايش ميزان دقت و اعتبار هر روش بررسي شده است. در بررسي‌هاي آزمايشگاهي مشاهده شد كه افزودن گرافن به اپوكسي با درصدوزني هاي 1/0، 25/0، 5/0 و 1 به ترتيب 16، 28، 32 و 11 درصد مقاومت خزشي اپوكسي را در بازه زماني سي دقيقه افزايش مي‌دهد. در بخش فعاليت تحليلي، براي اولين بار مدل‌هاي تحليلي مايكرومكانيكي هالپين-تساي و موري-تاناكا جهت استخراج خواص خزشي توسعه داده شده‌اند. روش ارائه شده قادر به پيش‌بيني كرنش خزشي كل نانوكامپوزيت پليمري تقويت‌شده با نانوصفحه گرافن مي‌باشد. در روش حاضر با دانستن مدول خزشي پليمر اپوكسي و خواص الاستيك نانوصفحات گرافن، مدول خزشي نانوكامپوزيت گرافن/اپوكسي پيش‌بيني شده و كرنش خزشي كل نانوكامپوزيت بدست مي‌آيد. نتايج آزمايش‌هاي انجام شده نشان دهنده دقت بالاتر مدل اصلاح شده هالپين-تساي در درصد وزني‌هاي پايين‌تر (كمتر از 25/0) در مقايسه با مدل اصلاح شده موري-تاناكا مي‌باشد، در حاليكه نتايج مدل اصلاح شده موري-تاناكا در درصد وزني‌هاي بالاتر (بيشتر از 25/0) معتبرتر مي‌باشد. در قسمت فعاليت عددي، يك روش تركيبي از روش‌هاي اجزاي محدود و مايكرومكانيك نيز در تحقيق حاضر ارايه گرديده است. با در نظر گرفتن پيوندهاي شيميايي بصورت تير و اتصال دهنده‌هاي مكانيكي، خواص خزشي نانوكامپوزيت در نرم‌افزار اجزاي محدود مدل‌سازي و استخراج شده است. با ارايه اين روش، براي اولين بار مدل‌سازي عددي خزش بر روي المان حجمي معرف از نانوكامپوزيت صورت گرفته است. روش ارائه شده مدول خزشي و كرنش كل نانوكامپوزيت را با درنظر گرفتن توزيع تصادفي صفحات گرافن پيش‌بيني مي‌كند. فاز مياني بين گرافن و پليمر در مدل‌سازي اجزاي محدود لحاظ شده و اين باعث بالا رفتن دقت مدل‌سازي شده است. نتايج حاصل از روش ارائه شده با نتايج آزمايش مقايسه شده و خطاي 5/7 درصدي گزارش شد. اين مقدار خطا نشان دهنده دقت روش ارائه شده و فرضيات حاكم بر مدل‌سازي مي‌باشد.

1398/02/16

5/6/2019 12:00:00 AM

The mechanical properties of polymers can be significantly improved when a small amount of nanoparticles is properly added to polymers. Adding of some small of graphene platelets considerably improves the creep behavior of polymers. Considering the research gap in this field, the purpose of the present research is to study and predict the creep behavior of graphene/epoxy nanocomposites. The present research consists of experimental, analytical and numerical investigations. An experimental program was conducted to assess the present analytical and numerical models. It was observed in experimental investigations that the addition of 0.1, 0.25, 0.5 and 1 wt.% graphene platelets to epoxy resulted in an increase the creep resistance of epoxy by 16, 28, 32 and 11 percent, respectively in 30 minutes. In analytical section, the Halpin-Tsai and Mori-Tanaka analytical micromechanical models were modified in this research for the first time to predict the creep behavior of nanocomposites. The present method can predict the total strain of polymer nanocomposites reinforced by graphene platelets. In the present method, the creep modulus of graphene/epoxy nanocomposites was predicted and the total strain of nanocomposites was obtained having the creep modulus of polymer and the elastic properties of graphene platelets. The results obtained showed that the modified H-T model predictions were more compatible with the experimental results at low filler contents (< 0.25 wt.%) in comparison with the modified M-T model, whereas, the modified M-T model was more reliable at high filler contents (> 0.25 wt.%). A combined finite element and micromechanics method was also presented in this research. The creep behavior of nanocomposites was modeled using a finite element software by considering the chemical bonds between the graphene and the polymer as beams and mechanical connectors. The numerical model of the creep behavior of a representative volume element of nanocomposites was presented for the first time via this method. The present method predicts the creep modulus and total strain of graphene/epoxy nanocomposites considering the random distribution of graphene platelets. The interphase between the graphene and the polymer was considered in the finite element model. The relative difference of the total strain obtained by the X-FE-M model and the experimental result was about 7.5% at 30 min. This indicates the accuracy of the proposed model and the applied assumptions.