17728

17728

اثر نانولوله‌هاي‌كربني‏‏‏ بر مقدار نرخ رهايي انرژي كرنشي در شروع رشد مود تركيبي اول و دوم تورق در نانوكامپوزيت‌هاي چندلايه‌اي

دكتري

ديناميك جامدات

ارديبهشت 1396

دكتر محمود مهرداد شكريه

مكانيك

هدف اصلي اين رساله، بررسي اثر وجود نانولوله‌هاي ‌كربني‏‏‏ بر مقدار نرخ رهايي انرژي كرنشي بحراني در شروع رشد تورق كامپوزيت‌هاي لايه‌اي پايه اپوكسي تحت بارگذاري مود تركيبي اول و دوم با استفاده از يك روش‌ تحليلي است. براي دستيابي به اين مهم، مدل‌هايي تحليلي با فرض رخداد مكانيزم‌هاي جذب انرژي ناشي از حضور نانولوله‌هاي كربني در فضايي مملو از رزين اپوكسي تقويت شده با نانولوله‌هاي‌ كربني‏‏‏ بين لايه‌هاي الياف در كامپوزيت‌هاي لايه‌اي، توسعه يافتند. مكانيزم‌هاي جذب انرژي را مي‌توان براساس موقعيت مكاني نانولوله‌هاي كربني نسبت به ‌ترك بصورت مكانيزم‌هاي پيرامون و فراروي نوك ترك دسته‌بندي كرد. پديده جدايش نانولوله‌هاي‌ كربني‏‏‏ از رزين پيرامون آن و سپس تسليم شدن رزين اطراف نانولوله‌هاي كربني در ناحيه پيرامون نوك ترك بعنوان‏ مكانيزم‌هاي پيرامون ترك، معرفي شدند. با استفاده از ارتباط بين فضاها در مقياس‌هاي‌ نانو، ميكرو و ماكرو، افزايش نرخ رهايي انرژي كرنشي ناشي از اين مكانيزم‌ها ارائه شد. در اين تحقيق، برخي از مكانيزم‌هاي فراروي ترك همچون بيرون كشيدگي، جدايش سطحي، گسيختگي تحت كشش و برش نانولوله‌هاي كربني نيز در نظر گرفته شدند. در نهايت براساس مدل‌هاي توسعه‌ يافته و با در نظر گرفتن يك سري فرضيات، يك رابطه براي پيش‌بيني مود تركيبي اول و دوم نرخ رهايي انرژي كرنشي بحراني كامپوزيت‌هاي لايه‌اي تركيبي ارائه شد. جهت اعتبارسنجي مدل ارائه شده، نتايج بدست آمده از اين مدل، با نتايج مطالعات آزمايشگاهي ساير محققين و تحقيق حاضر مقايسه گرديد. بنابراين، در ابتدا، از نتايج تجربي موجود در منابع براي اعتبارسنجي مدل تحليلي استفاده شد. سپس، يك مطالعه تجربي نيز در تحقيق حاضر انجام گرديد. اثر 5/0 درصد وزني نانولوله‌هاي ‌كربني چندجداره‏‏‏ بر مقدار نرخ رهايي انرژي كرنشي كامپوزيت‌هاي پايه اپوكسي تقويت شده با الياف شيشه بررسي شد. مودهاي اول، دوم و تركيبي اول و دوم تورق كامپوزيت‌هاي لايه‌اي الياف شيشه/اپوكسي و الياف شيشه/نانولوله‌هاي ‌كربني/اپوكسي‏‏‏ مطالعه شدند. نتايج نشان دادند كه مدل حاضر توانمندي قابل قبولي را در پيش‌بيني نرخ رهايي انرژي كرنشي در شروع تورق كامپوزيت‌هاي لايه‌اي تقويت شده با نانولوله‌هاي ‌كربني‏‏‏ داراست.

1396/05/25

1/1/1900 12:00:00 AM

The main purpose of this thesis is to investigate the effect of the presence of carbon nanotubes (CNTs) on critical strain energy release rate (CSERR) at delamination initiation of laminated composites under mixed mode I/II loading state using an analytical method. To achieve this aim, the analytical models were developed based on this assumption that the occurrence of energy dissipation mechanisms due to the presence of CNTs at a rich resin region located between the long fibers layers of the laminated composites. The energy dissipation can be categorized into zone and contact shielding mechanisms based on location of the CNTs regarded to the pre-crack. Influence of CNTs debonding from the surrounding resin and subsequent plastic void growth at the zone around the crack tip were introduced as the zone shielding toughening mechanisms. Using correlation between nano, micro and macro-scales, the strain energy release rate enhancement due to these mechanisms was presented. In this research, some contact shielding toughening mechanisms such as CNTs pull-out, interfacial debonding, breakage under tension and shear were also considered. Finally, according to the developed models and considering some assumptions, a correlation for predicting the mixed mode I/II CSERR of hybrid-laminated composites was presented. To validate the proposed model, the results calculated through the analytical relations must be compared with experimental results of other researchers and the present research. Therefore, first, the experimental data available in the literature were used in order to verify the analytical model. Then, an experimental study was also carried out in the current research. The effect of 0.5 wt.% of multi-walled CNTs on the CSERR of epoxy-based laminated composites reinforced with glass long fiber was investigated. Mode I, mode II and mixed mode I/II delamination in glass/epoxy and glass/CNTs/epoxy laminated composites were studied. The results showed that the present model has an acceptable ability to predict the CSERR of laminated composites reinforced with CNTs.