بررسی رفتار خستگی کامپوزیت زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه ساخته شده به دو روش لایه گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP)
یکی از رشته های زیر مجموعه فنی مهندسی که علاقمندان بسیاری در کشور ما دارد رشته مهندسی مواد و متالوژی هستش که اتفاقا سایت دیجی لود در حال تکمیل سری جدیدی از پایان نامه های ارشد این رشته تحصیلی در تمامی گرایشهای آن برای کاربران گرانقدر خود میباشد. دیجی لود در ادامه پایان نامه ” بررسی رفتار خستگی کامپوزیت زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه ساخته شده به دو روش لایه گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) ” با فرمت Word (قابل ویرایش) در 140 صفحه را معرفی مینماید.
چکیده پایان نامه
در این پژوهش، کامپوزیتهای زمینه پلیمری (رزین اپوکسی) تقویت شده توسط پارچه بافته شده از الیاف شیشهای E-glass به دو روش لایه گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) ساخته شدند و رفتار خستگی آنها مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج حاصل از آزمون کشش، استحکام کششی در نمونه های تولید شده به روشVIP (MPa 362) بیشتر از نمونه های تولید شده به روش لایه گذاری دستی (MPa 242) بود. بر اساس نتایج آزمون خستگی کشش-کشش (1/0=R)، عمر خستگی بیشتری برای نمونه های VIP مشاهده شد در دامنه تنش MPa67، نمونه های VIP، 106×11/2 سیکل را تا زمان واماندگی تحمل کردند در حالی که، در دامنه تنش پایینتر MPa61، نمونه های دستی 105×29/1 سیکل را تحمل نمودند. تعداد سیکل واماندگی نمونه های VIP در تنش خستگی MPa200، برابر با 103×0/5 به دست آمد. اما، همین پارامتر برای نمونه های دستی در تنش خستگی پایینتر MPa150 برابر با 103×2/1 حاصل شد. با توجه به نمودار S-N رسم شده، در تعداد سیکل ثابت 100،000 دامنه تنش قابل تحمل نمونه دستی حدود MPa60 تخمین زده شد؛ در صورتی دامنه تنش متناظر برای نمونه VIP حدود MPa90 بود. با توجه به تصاویر SEM سطح شکست نمونه ها، مکانیزمهای واماندگی غالب برای نمونه های ساخته شده به روش لایه گذاری دستی تحت بار خستگی به صورت جدایش لایه ها و بیرون آمدن الیاف مشاهده شد. در حالی که، مکانیزمهای واماندگی برای نمونه های ساخته شده به روش VIP، جدایش الیاف از زمینه و ترک خوردن زمینه بود. نتایج حاصل از آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA)، تنها نشان دهنده وجود اتصال مکانیکی بین الیاف و زمینه بود، که جدایش الیاف از زمینه و بیرون آمدن الیاف مشاهده شده در تصاویر SEM را توجیه میکرد. بر اساس نتایج حاصل از این آنالیز، درصد وزنی الیاف برابر با 69% و 52% برای نمونه های ساخته شده به روش VIP و لایه گذاری دستی محاسبه شد.
فهرست مطالب
فصل 1- مقدمه.. 1
1-1- کلیات… 2
1-2- اجرای پروژه. 6
1-3- هدف از انجام تحقیق… 7
فصل 2- مروری بر منابع.. 8
2-2- تعریف مواد کامپوزیتی… 10
2-3- سيستمهاي کامپوزيتي تقويت شده با الياف (FRC). 12
2-4- کامپوزیتهای زمینه پلیمری (PMC). 12
2-4-1- رزینهای مورد استفاده در کامپوزیت زمینه پلیمری… 12
2-4-2- الیاف (تقویت کننده). 15
2-5- ساخت کامپوزیتها. 17
2-5-1- لایه گذاری دستی… 17
2-5-2- فرایند قالبگیری کیسهای… 18
2-5-3- رشته پیچی… 18
2-5-4- برونکشی… 18
2-6- کاربردهای کامپوزیتهای زمینه پلیمری… 20
2-6-1- کاربرد در صنعت اتومبیل سازی… 20
2-6-2- کاربردهای دریایی… 21
2-6-3- کاربردهای هوا-فضا. 22
2-6-4- مواد کامپوزیتی در تکنولوژی انرژی بادی… 23
2-7- خستگی… 25
2-8- خستگی در مواد کامپوزیتی زمینه پلیمری… 27
2-8-1- آسیب خستگی… 28
2-8-2- مدهای مختلف واماندگی خستگی در مواد کامپوزیتی… 31
2-8-3- مقایسهای بین شکست خستگی و استاتیکی… 32
2-8-3-1- واماندگیهای بین لایهای… 33
2-8-3-1-1- مورفولوژیهای شکست در مد I بارگذاری سیکلی… 33
2-8-3-1-2- مورفولوژیهای شکست در مد II بارگذاری سیکلی… 34
2-8-3-1-3- مورفولوژیهای شکست در مد ترکیبی I/II بارگذاری سیکلی… 35
2-8-3-2- واماندگی داخل لایهای… 37
2-9- فاکتورهای تأثیرگذار بر روی رفتار خستگی کامپوزیتهای زمینه پلیمری… 38
2-9-1- نوع الیاف… 38
2-9-2- زمینه و محیط… 40
2-9-3- شرایط بارگذاری… 41
2-10- آزمونهای مکانیکی متداول بر روی کامپوزیتهای زمینه پلیمری… 43
2-10-1- آزمون کشش…. 43
2-10-2- آزمون فشار. 44
2-10-3- آزمون خستگی… 45
2-11- آنالیز حرارتی کامپوزیتهای زمینه پلیمری… 46
2-12- مروری بر تحقیقات انجام شده. 48
2-12-1- تحقیقات انجام شده در رابطه با روشهای مختلف ساخت کامپوزیتهای زمینه پلیمری… 48
2-12-2- تحقیقات انجام شده در رابطه با آزمون کشش کامپوزیتهای زمینه پلیمری… 49
2-12-3- تحقیقات انجام شده در رابطه با خواص خستگی کامپوزیتهای زمینه پلیمری… 50
2-12-4- تحقیقات انجام شده در رابطه با مکانیزم واماندگی خستگی… 51
2-12-5- تحقیقات انجام شده در رابطه با آنالیز حرارتی کامپوزیتهای زمینه پلیمری… 56
فصل 3- مواد آزمایش و روش تحقیق… 58
3-1- مشخصات رزین… 59
3-2- روشهای ساخت نمونه.. 60
3-2-1- روش لایه گذاری دستی… 60
3-2-2- روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP). 61
3-3- آمادهسازی نمونه.. 63
3-4- انجام آزمون کشش بر روی نمونه های آماده شده. 64
3-5- انجام آزمون خستگی… 65
3-5-1- مشخصات نمونه هاي تست خستگي… 66
3-5-2- آزمون خستگی کشش–کشش…. 67
3-6- آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA). 69
3-7- تصویربرداری SEM… 70
فصل 4- نتایج و بحث… 71
4-1- نتایج آنالیز وزنسنجی حرارتی (TGA). 72
4-2- نتایج تست کشش…. 76
4-3- نتایج آزمون خستگی… 78
4-3-1- ترسیم منحنی S-N با استفاده از روابط مختلف خستگی… 84
4-3-2- مقایسه منحنیهای S-N کامپوزیتهای تولید شده به وسیله فرایندهای دستی و VIP.. 90
4-3-3- مقایسه منحنیهای S-N به دست آمده در فرایندهای ساخت VIP و دستی با استاندارد GL.. 92
4-4- نتایج تصویربرداری SEM… 97
4-4-1- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه های دستی… 97
4-4-2- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه های VIP.. 102
4-4-3- مقایسه مکانیزمهای واماندگی خستگی برای نمونه های دستی و VIP.. 107
فصل 5- نتیجه گیری و پیشنهادات… 110
5-1- نتیجه گیری… 111
5-2- پیشنهادات… 113
6- مراجع.. 114
فهرست جدولها
جدول1-1- ظرفيت نيروگاههای بادی نصب شده در کشورهای پيشرو. 3
جدول 2-1- مقايسه خواص مختلف براي پلیمرهای گرماسخت و گرمانرم. 14
جدول 2-2- برخي از خواص تعدادي از زمينه هاي پلیمری گرمانرم و گرماسخت… 15
جدول 2-3- قسمتهای مختلف توربین بادی و وظایف آنها در حفظ شکل پره. 25
جدول 4-1- خصوصیات حرارتی کامپوزیتهای اپوکسی تولید شده به دو روش VIP و لایه گذاری دستی.. 74
جدول 4-2- نتایج آزمون کشش برای نمونه های ساخته شده به روش لایه گذاری دستی و VIP. 77
جدول 4-3- استحکام کششی نمونه های ساخته شده به دو روش لایه گذاری دستی و VIP. 78
جدول 4-4- نتایج آزمون خستگی کشش-کشش نمونه های ساخته شده به روش لایه گذاری دستی.. 78
جدول 4-5- نتایج آزمون خستگی کشش-کشش نمونه های ساخته شده به روش VIP. 80
جدول 4-6- نتایج آماری آزمون خستگی کشش-کشش انجام شده بر روی نمونه های ساخته شده به روش لایه گذاری دستی.. 81
جدول 4-7- نتایج آماری آزمون خستگی کشش-کشش انجام شده بر روی نمونه های ساخته شده به روش VIP. 82
جدول 4-8- ضرایب کاهشی برای حالت بررسی کوتاه مدت… 93
جدول 4-9- ضرایب کاهشی برای حالت بررسی خستگی.. 93
جدول 4-10-مقادیر پارامتر m بر اساس نوع رزین و الیاف، پیشنهاد شده توسط GL.. 95
فهرست شکلها
شکل 1-1- ظرفيت کلی انرژی بادی توليدی در جهان تا سال 2011.. 3
شکل 2-1- مقایسهای بین مواد رايج و مواد کامپوزیتی.. 11
شکل 2-2- ترتيب زنجيره هاي پليمري (الف) اتصال عرضي (ب) شاخهاي.. 14
شکل 2-3- فرمهای مختلف الیاف شیشه: (الف) پارچه سوزنی (CSM)، (ب) الیاف پیوسته، (ج) رشته، (د) پارچه حصیری.. 17
شکل 2-4- روشهاي ساخت كامپوزيت… 19
شکل 2-5- شماتیکی از مقطع پره توربین بادی.. 24
شکل 2-6- (الف) بار نوسانی یکنواخت، (ب) بار نوسانی غیریکنواخت… 25
شکل 2-7- مفاهیم اولیه در یک آنالیز خستگی.. 26
شکل 2-8- شماتیکی از منحنی S-N.. 27
شکل 2-9- تخریب استحکام و سفتی کامپوزیت در حین بارگذاری خستگی با دامنه ثابت… 29
شکل 2-10- مدهای واماندگی خستگی برای مواد کامپوزیتی.. 32
شکل 2-11- نمایشی از مدهای شکست در عرض لایهای، داخل لایهای و بین لایهای.. 33
شکل 2-12- سطوح شکست کامپوزیت اپوکسی تحت مد I بارگذاری (الف) استاتیک و (ب) خستگی.. 34
شکل 2-13- سطوح شکست کامپوزیت اپوکسی تحت مد II بارگذاری (الف) استاتیک و (ب) خستگی.. 35
شکل 2-14- سطوح شکست کامپوزیت اپوکسی تحت مد ترکیبی I/II (50% مد I) بارگذاری (الف) استاتیک و (ب) خستگی.. 35
شکل 2-15- سطوح شکست الیاف غالب کامپوزیت اپوکسی.. 36
شکل 2-16- سطح شکست خستگی کامپوزیت اپوکسی در (الف) 25% مد II، (ب) 50% مد II و (ج) 75% مد II. 37
شکل 2-17- (الف) رولرهای مشاهده شده در سطح شکست داخل لایهای ناشی از خستگی برشی. (ب) رولرهای زمینه که نشان دهنده بقایای به جا مانده از الیاف است… 38
شکل 2-18- نتایج اولیه بامونت، هَریس،اووِن و موریس برای کامپوزیتهای کربن/اپوکسی و کربن/پلیاستر که در شرایط کشش تحت آزمایش خستگی قرار گرفتهاند. 39
شکل 2-19- منحنیهای تنش/عمر برای کامپوزیتهای GRP که نشان دهنده تأثیر رزینهای متفاوت به عنوان زمینه و تأثیر لایهگذاری متفاوت لمینت است. 41
شکل 2-20- شماتیکی از آماده سازی نمونه های دارای وصله صفحات لمینتی و FRP تک جهته. 44
شکل 2-21- حالات مختلف بارگذاری در آزمون خستگی و مقادیر R.. 46
شکل 2-22- نمایش شماتیکی از ارتباط میکرو-ماکرو. 52
شکل 2-23- تصاویر SEM از سطح شکست الیاف شیشه/PP و الیاف شیشه/MA-PP. (الف) واماندگی چسبنده، (ب) واماندگی همبسته 53
شکل 2-24- تصاویر SEM از مد II سطوح خستگی بین لایه ای به دست آمده برای کامپوزیت PP/GF در شرایط معمولی.. 53
شکل 2-25- تصاویر SEM از مد II سطوح خستگی بین لایه ای به دست آمده برای کامپوزیت PP/GF در شرایط دما پایین.. 54
شکل 2-26- تصویر SEM از جدایش لایه ها برای سطوح نمونه های وامانده شده در آزمون سیکلی، (الف) هوا، (ب) خستگی محیطی 55
شکل 2-27- سطح شکست نمونه خشک (σmax=140 MPa، f=1 Hz)، (الف) شکل موجی با پالس منفی، (ب) شکل موجی با پالس مثبت 55
شکل 2-28- تصاویر SEM از سطوح شکست دو نمونه خستگی برای 20%هِمپ-پلیاتیلن با دانسیته بالا.. 56
شکل 3-1- شماتیکی از فرایند لایه گذاری دستی.. 60
شکل 3-2- (الف) آماده سازی سطح شیشهای زیرین جهت ساخت صفحه کامپوزیتی بر روی آن، (ب) نحوه اعمال رزین بر روی الیاف، (ج) صفحه کامپوزیتی ساخته شده. 61
شکل 3-3- شماتیکی از فرایند تزریق رزین به کمک خلأ (VIP). 62
شکل 3-4- (الف) قرار دادن لایههای الیاف روی هم، (ب) قراردادن پارچه داکرون و پارچه 3 بعدی، (ج) گازردایی رزین، (د) تزریق رزین به کمک خلأ.. 62
شکل 3-5- مراحل آماده سازي نمونه ها جهت آزمونهاي مکانيکي.. 63
شکل 3-6- (الف) ماشینکاری نمونه های برش داده شده، (ب) نمونه نهایی.. 63
شکل 3-7- (الف) نمونههای تست کشش ساخته شده به روش لایهگذاری دستی، (ب) نمونههای تست کشش ساخته شده به روش VIP 65
شکل 3-8- (الف) نحوه قرارگیری نمونه در فک دستگاه جهت انجام آزمون کشش، (ب) نمونه ها بعد از انجام آزمون کشش…. 65
شکل 3-9- هندسه نمونه تست خستگي کشش-کشش…. 66
شکل 3-10- (الف) دستگاه تست خستگی مورد استفاده در پژوهشکده هوا-خورشید، (ب) نحوه قرارگیری نمونه در دستگاه. 67
شکل 3-11- (الف) نمونه ها بعد از انجام آزمون خستگی ، (ب) نحوه قرارگیری نمونه در دستگاه جهت انجام آزمون خستگی.. 69
شکل 3-12- (الف) دستگاه مورد استفاده برای آنالیز وزن سنجی حرارتی، (ب) ترازوی دیجیتال جهت وزن کردن نمونه ها 70
شکل 4-1- منحنیهای ترموگرم TGA رزین اپوکسی خالص، الیاف شیشه و کامپوزیتهای تولید شده به روشهای VIP و لایه گذاری دستی 73
شکل 4-2- منحنیهای مشتق رزین اپوکسی خالص و کامپوزیتهای تولید شده به روشهای VIP و لایه گذاری دستی.. 73
شکل 4-3- نتایج آزمون کشش استاتیکی انجام شده بر روی 5 نمونه ساخته شده به روش لایه گذاری دستی.. 76
شکل 4-4- نتایج آزمون کشش استاتیکی انجام شده بر روی 5 نمونه ساخته شده به روش VIP. 77
شکل 4-5- سطوح شکست نمونه های ساخته شده به روش لایهگذاری دستی و VIP بعد از آزمون خستگی کشش-کشش…. 78
شکل 4-6- نمودار S-N حاصل از نتایج آزمون خستگی (دامنه تنش بر حسب تعداد سیکل). 82
شکل 4-7- نمودار S-N حاصل از نتایج آزمون خستگی (حداکثر تنش بر حسب تعداد سیکل). 83
شکل 4-8- نمودار S-N حاصل از نتایج آزمون خستگی (تنش خستگی بر حسب تعداد سیکل). 84
شکل 4-9- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش VIP بر اساس رابطه گودمن. 86
شکل 4-10- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش VIP بر اساس رابطه گِربر. 86
شکل 4-11- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش VIP بر اساس رابطه ASME. 87
شکل 4-12- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش VIP بر اساس روابط گودمن، گِربر و ASME. 87
شکل 4-13- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش لایه گذاری دستی بر اساس رابطه گودمن. 88
شکل 4-14- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش لایه گذاری دستی بر اساس رابطه گِربر. 88
شکل 4-15- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش لایه گذاری دستی بر اساس رابطه ASME. 89
شکل 4-16- منحنیهای S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش لایه گذاری دستی بر اساس روابط گودمن، گِربر و ASME. 89
شکل 4-17- منحنیهای S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش VIP و لایه گذاری دستی بر اساس رابطه گودمن. 90
شکل 4-18- منحنیهای S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش VIP و لایه گذاری دستی بر اساس رابطه گِربر. 91
شکل 4-19- منحنیهای S-N به دست آمده برای نمونه های ساخته شده به روش VIP و لایه گذاری دستی بر اساس رابطه ASME. 91
شکل 4-20- مقایسه منحنی S-N به دست آمده با استفاده از روابط گودمن، گِربر و ASME با منحنی پیشنهادی بر اساس استاندارد GL برای نمونههای ساخته شده به روش VIP. 96
شکل 4-21- مقایسه منحنی S-N به دست آمده با استفاده از روابط گودمن، گِربر و ASME با منحنی پیشنهادی بر اساس استاندارد GL برای نمونههای ساخته شده به روش دستی. 96
شکل 4-22- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایهگذاری دستی تحت بار خستگی در بزرگنمایی (الف) x50 و (ب) x100 که نشان دهنده جدایش لایهها است. 97
شکل 4-23- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه گذاری دستی تحت بار خستگی (الف) و (ب) بزرگنمایی x5000، (ج) بزرگنمایی x500، (د) بزرگنمایی x1000 که نشان دهنده عدم نفوذ رزین در بین الیاف و سیلان آن در بین لایه هاست. 98
شکل 4-24- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه گذاری دستی تحت بار خستگی. (الف) وجود حباب هوا که در حین ساخت نمونههای دستی ایجاد شده (بزرگنمایی x200)، (ب) وجود حفرات گازی در فصل مشترک الیاف/زمینه که باعث کاهش چسبندگی میشود. 99
شکل 4-25- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه گذاری دستی تحت بار خستگی. (الف)، (ب) و (ج) بیرون آمدن الیاف از زمینه در بزرگنمایی x2000،(د) وجود بقایایی از زمینه بر روی الیاف بیرون آمده در بزرگنمایی x5000 که نشان دهنده جدایش چسبنده و کمتر بودن استحکام سطح مشترک الیاف و زمینه است. 100
شکل 4-26- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه گذاری دستی تحت بار خستگی. (الف) مکانیزم واماندگی خستگی جدایش الیاف از زمینه در بزرگنمایی x500، (ب) بزرگنمایی x1000. 101
شکل 4-27- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه گذاری دستی تحت بار خستگی. (الف) تغییرفرم زمینه و وجود استریشنهای خستگی در فصل مشترک الیاف جدا شده از آن در بزرگنمایی x5000، (ب) خارج شدن الیاف از راستای خود ناشی از حرکت برس در حین ساخت نمونه های دستی در بزرگنمایی x2000. 102
شکل 4-28- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش VIP تحت بار خستگی در بزرگنمایی (الف) x50 و (ب) x100 که نشان دهنده کمتر بودن میزان جدایش لایهها برای این نمونه ها در مقایسه با نمونه های دستی است. 103
شکل 4-29- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش VIP تحت بار خستگی. (الف) و (ب) جدایش الیاف از زمینه در بزرگنمایی x2000، (ج) همین پدیده در بزرگنماییx5000 و (د) وجود بقایای بیشتری از زمینه بر روی الیاف جدا شده در بزرگنمایی x5000. 104
شکل 4-30- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش VIP تحت بار خستگی. (الف) پدیده بیرون آمدن الیاف در بزرگنمایی x2000 و (ب) همین پدیده در بزرگنمایی x5000. 105
شکل 4-31- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش VIP تحت بار خستگی. (الف) عدم جدایش الیاف از زمینه و پوشانده شدن آن توسط رزین، نفوذ رزین در بین الیاف کاملاً مشهود است (بزرگنمایی x5000)، (ب) وجود سطحی نسبتاً صاف و عدم مشاهده حفرات گازی و استریشنهای خستگی در فصل مشترک الیاف جدا شده از زمینه (بزرگنمایی x10000) و (ج) ضخامت واقعی الیاف جدا شده از زمینه (بزرگنمایی x1000). 106
راهنمای خرید و دانلود فایل
برای پرداخت، میتوانید از کلیه کارتهای عضو شتاب استفاده نمائید.
بعد از پرداخت آنلاین لینک دانلود فعال و نمایش داده میشود ، همچنین یک نسخه از فایل همان لحظه به ایمیل شما ارسال میگردد.
در صورت بروز هر مشکلی،میتوانید از طریق تماس با ما پیغام بگذارید و یا در تلگرام با ما در تماس باشید، تا شکایت شما مورد بررسی قرار گیرد.
برای دانلود فایل روی دکمه خرید و دانلود کلیک نمایید.
ديدگاه ها