20699

۲۰۶۹۹

تاثير جهت دهي نانو لوله هاي كربن و نانو صفحات اكسيد گرافن بر رفتار شكست اتصالات چسبي كامپوزيتي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

۱۳۹۵-۱۳۹۸

۱۳۹۸/۰۲/۱۵

دكتر خرمي شاد

مكانيك

در سال‌هاي اخير، استفاده از اتصالات چسبي به دليل مزيت‌هاي آن نسبت به ساير روش‌هاي اتصال افزايش پيداكرده است. از مزيت‌هاي اتصالات چسبي مي‌توان از توزيع تنش يكنواخت‌تر و هزينه كمتر ساخت نام برد. باوجود تمام مزيت‌هاي گفته‌شده، اين اتصالات داراي نقاط ضعفي نيز هستند، يكي از اين نقاط ضعف، چقرمگي شكست پايين آن‌ها است كه مقاومت كمي در برابر رشد ترك از خود نشان مي‌دهند. يكي از راه‌كارهاي برطرف كردن اين مشكل استفاده از نانو پركننده‌ها درون چسب است. در اين پژوهش از دو نوع نانوذره، نانولوله‌هاي كربن و نانو صفحات اكسيد گرافن، براي تقويت يك نوع چسب اپوكسي استفاده‌شده است. اين نانو ذرات در دو حالت توزيع تصادفي و جهت‌دهي شده، در سه درصد وزني مختلف (0.1 ، 0.3 و 0.5) استفاده‌شده‌اند و تأثير آن‌ها بر رفتار شكست اتصالات چسبي كامپوزيتي بررسي‌شده است. چسبنده‌هاي استفاده‌شده از جنس كامپوزيت شيشه – كربن - اپوكسي هستند، از پارچه كربن تك جهته به‌عنوان الكترود براي ايجاد ميدان الكتريكي متناوب (AC)، درون چندلايه كامپوزيتي استفاده‌شده است و جهت‌گيري ذرات در راستاي ضخامت چسب صورت گرفته است. به‌وسيله آزمايش استاندارد تير يك سر گيردار دو لبه و تئوري تير ساده، انرژي شكست شروع رشد ترك و انرژي شكست حين رشد ترك محاسبه‌شده و منحني‌هاي مقاومت براي نمونه‌هاي مختلف رسم شد. بيشترين مقدار بهبود خواص در حالت جهت‌دهي شده و در درصد وزني 0.3 مشاهده‌شده است كه براي نانولوله‌هاي كربن مقدار 179 درصد در انرژي شكست اوليه و 66 درصد در نيروي بيشينه اتصال، براي نانو صفحات گرافن هم 349 درصد در انرژي شكست و 127 درصد در نيروي بيشينه اتصال، نسبت به اتصالات چسبي تقويت نشده بدست آمد. نتايج مشاهده‌شده نشان‌دهنده برتري قابل‌توجه نانو صفحات اكسيد گرافن نسبت به نانولوله‌هاي كربن در بهبود رفتار شكست اتصالات چسبي است. از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي از سطوح شكست براي مشاهده مكانيزم هاي چقرمه كننده استفاده‌شده است و مكانيزم هاي انحراف ترك، پل‌زني و بيرون كشي براي نانولوله‌هاي كربن مشاهده شد و براي نانو صفحات گرافن علاوه بر اين سه مكانيزم، مكانيزم هاي ميخكوب شدن نوك ترك ، جدايش و رشد حفره پلاستيك نيز مشاهده شد.

1398/03/08

The Effect of Aligned Carbon Nanotubes and Graphene Oxide Nano Platelets on the Fracture Behavior of Composite Bonding Joints

5/4/2020 12:00:00 AM

In recent years, the use of adhesively bonded joints has been increased due to their advantages over other bonding methods. A uniform stress distribution and low-cost process of adhesive joints can be mentioned as examples of the advantages. Despite all the advantages, adhesive joints also have weaknesses; one of these weaknesses is their low fracture toughness, which has a low resistance to crack growth. One of the ways to overcome this problem is to use nanoparticles in the adhesive. In this study, two types of nanoparticles, carbon nanotubes and graphene oxide nanoplatelets were used to reinforce an epoxy adhesive. These nanoparticles have used in two random and aligned distribution in three different weight percentages (0.1, 0.3 and 0.5), and their effect on the fracture behavior of composite bonding joints have been investigated. The substrates are made of glass-carbon-epoxy composites; a unidirectional carbon fabric is used as an electrode for creating alternating electric field (AC) and the particles are aligned along the adhesive thickness. The fracture energy measurement is done by a double cantilever beam standard test. The highest improvement in the initial fracture energy of the joints happened in 0.3 wt% of aligned nanoparticles, which was 179% for carbon nanotubes and 349% for graphene nanoplatelets. The observed results indicated that the graphene oxide nanoplatelets are completely superior to carbon nanotubes in improving the fracture behavior of adhesively bonded joints. The scanning electron microscopic images of the fracture surfaces were used to study the toughening mechanisms of nanoparticles. Crack deviation, bridging, and pull-out mechanisms were observed for carbon nanotubes. For graphene nanoplatelets, in addition to these three mechanisms, crack tip pinning, the debonding and plastic void growth were also observed.