20716

۲۰۷۱۶

مدلسازي كامپوزيت‌هاي پليمري خودترميم حاوي ترك‌هاي ماتريسي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

۱۳۹۸

۱۳۹۸/۲/۳

دكتر شكريه

مكانيك

هدف از انجام اين پژوهش بررسي اثر ترميم‌شوندگي بر روي خواص مكانيكي كامپوزيت خودترميم‌شونده ذاتي بر اساس واكنش بازگشت‌پذير حرارتي ديلز-آلدر است. بدين منظور، پليمري بر اساس گروه‌هاي شيميايي با قابليت انجام واكنش دهندۀ ديلز-آلدر سنتز شد و براي افزايش خواص مكانيكي آن، عوامل خودترميم با يك رزين اپوكسي گرم‌پخت اپوكسي تركيب شدند. براي به دست آوردن دماهاي متناظر با واكنش‌ گرماده ديلز-آلدر و واكنش گرماگير معكوس ديلز-آلدر، آزمون‌هاي گرماسنجي تفاضلي بر روي عوامل ايجاد پيوندهاي ديلز-آلدر و همچنين بر روي پليمر پخت شده انجام شد. با نتايج حاصل از اين آزمون‌ها و استفاده از يك مدل سينتيكي مناسب، درجۀ همگرايي واكنش ديلز-آلدر به صورت تابعي از دما و زمان به دست آمد. با انجام آزمون‌هاي استاندارد خمش سه‌نقطه و فشاري، خواص مكانيكي پليمر خودترميم به دست آمد. با توجه به محدوديت‌هاي دمايي و يا زماني در شرايط كاري واقعي براي ترميم قطعات، ميزان ترميم و بازيابي استحكام و سفتي خمشي در سه درجۀ همگرايي مختلف به صورت تجربي تعيين شد. سپس نمونه‌هاي خمش سه‌نقطۀ كامپوزيتي با استفاده از پليمر خودترميم سنتز شده ساخته شد. به منظور بررسي اثر ترميم بر روي ترك‌هاي ماتريسي، لايه‌چيني [903/0/903] براي نمونه‌ها انتخاب شد تا اثر ترك‌هاي ماتريسي بر روي سفتي قابل توجه باشد؛ سپس استحكام و مدول خمشي آن به دست آمد. براي تخمين سفتي خمشي باقيمانده بر حسب چگالي ترك‌هاي ماتريسي، مدلي بر اساس تئوري چندلايه‌هاي كامپوزيتي و مدل‌هاي برش تأخيري ارائه شد. به منظور توسعۀ مدل ارائه شده براي پيش‌بيني سفتي خمشي پس از فرآيند ترميم، تعداد ترك‌ها پس از ترميم تا درجات همگرايي 60%، 80% و 100% به دست آمد. با توجه به چگالي ترك‌ها، سفتي بازيابي شدۀ پليمر و مدل ارائه شده، سفتي خمشي چندلايۀ كامپوزيتي متعامد در درجات همگرايي مختلف محاسبه شد. با انجام آزمون‌هاي تجربي، دقت مدل‌هاي ارائه شده براي پيش‌بيني سفتي خمشي بر اساس چگالي ترك و سفتي خمشي بازيابي شده پس از فرآيند ترميم، مورد ارزيابي قرار گرفت و مشاهده شد كه مدل‌هاي ارائه شده با اختلافي كمتر از 10% توانايي پيش‌بيني مقادير مورد نظر را دارا مي‌باشند.

1398/04/22

Modeling of the matrix cracking in the self-healing composites

4/23/2019 12:00:00 AM

Due to mismatches of thermal and mechanical properties, polymeric composites are notoriously susceptible to initiation of the matrix cracking. Matrix cracking can even appear during the manufacturing process and before starting the service life. For this reason, polymeric composites with the capability of mitigating damages before propagation of them have gained attention in the recent decade. In this thesis, the effect of the cross-links conversion degree on the healing efficiency of a thermally remendable polymer based on the Diels-Alder (DA) reaction consists of reversible and irreversible bonds was studied. Using the differential scanning calorimetry (DSC) results along with an autocatalytic model for the reaction, the degree of conversion was predicted as a function of time and temperature. To enhance the mechanical properties of the polymer, monomers with the capability of reversible bond forming were blended with a hot-cured epoxy resin with a specific molar ratio. To investigate the healing efficiency at different conversion degrees, three-point bending specimens were fabricated under certain curing condition, which guarantees the formation of both reversible and irreversible bonds. The specimens failed and healed up to the certain conversion degrees many times considering the conversion degree, but it would not have a considerable effect on the flexural modulus. Moreover, it was shown that the synthesized polymer has the capability to be healed for multiple times. After characterizing the synthesized polymer, fiber-reinforced composites was fabricated using this self-healing polymer. To find the healing efficiency of composites, three-point bending specimens with the stacking sequence of [903/0/903] were prepared. The specimens were initially subjected to tensile loading until reaching the characteristic damage state. Then the flexural modulus and strength after the healing up to different conversion degrees were obtained and compared with the virgin specimens. The results revealed over 95% recovery of the flexural strength and modulus after the complete healing. The effect of multiple healing on healing efficiency was also investigated. It was observed that in the absence of the fiber breakage, composites can be completely healed. To obtain the residual flexural modulus of the damaged specimens as a function of the crack density, a model was developed utilizing the shear-lag analysis accompanied by the classical lamination theory. Moreover, the proposed model was extended to predict the recovered flexural stiffness after thermal treatment for a given time at the desired temperature. By conducting a series of tests, it was proved that the present model is able to predict the residual and recovered flexural moduli with an error of less than 10%.