نانو الیاف کربن و خستگی پلیمرهای تقویت‌شده

تأثیر جهت‌گیری نانوالیاف کربن بر خستگی پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف کربن

تقویت‌کننده‌های نانو در پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف کربن (CFRP) که خواص مکانیکی را با درنظر گرفتن شبه استاتیک افزایش می‌دهند و همچنین بار خستگی باتوجه به بهینه‌سازی عملکرد CFRP جایگزین‌های امیدوارکننده‌ای هستند. از آنجا که دانش کلی درمورد محتوای نانوفیلر و تأثیر آن بر CFRP به‌خوبی مستند شده است، استفاده از تکنیک‌های هم تراز برای جهت‌گیری خاص تقویت‌کننده‌های نانو هنوز به‌درستی مورد بررسی و مطالعه قرار نگرفته است. در این مقاله، نفوذ نانوالیاف کربن گرا (CNF) بر خواص مکانیکی دوطرفه CFRP بررسی شده است. CFRP، CNF تقویت شده با و بدون جهت را با استفاده از پرس گرم ایجاد کرد که در آن یک میدان الکتریکی در حین پخت اعمال می‌شود. ورقه‌ها با توجه به کیفیت پراکندگی، حجم منافذ، خواص شبه استاتیکی (تست کششی و خمشی) و خواص دینامیکی (تست خستگی) تعیین شدند. اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی همراه با همبستگی تصویر دیجیتال و توموگرافی کامپیوتری درجا برای ایجاد دانش تکامل آسیب ناشی از خستگی اعمال شد و از سنسورها برای کاربرد مناسب پایش وضعیت استفاده شد. نتایج به‌دست آمده نشان می‌دهد که جهت‌گیری CNF از تاثیر خوبی بر خواص شبه استاتیکی و خستگی برخوردار است و استحکام را افزایش می‌دهد و درعین حال، آسیب به وجود آمده را به حداقل می‌رساند. بنابراین جهت‌گیری نانوفیلرها پتانسیل بهینه سازی زیادی از خواص مکانیکی اجزای CFRP را نشان می‌دهد.

پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف کربن (CFRP) مواد سبک وزن توسعه یافته‌ای هستند که در آنها، الیاف کربن با مدول و استحکام بالا در یک ماتریس ترموست تعبیه شده است؛ به‌عنوان مثال، کاربرد اپوکسی در بخش‌های مختلف. این مواد به دلیل دارا بودن این ترکیب، نسبت وزن-به-نیروی منحصر به‌فردی دارند اما رفتار ناهمسانگرد و شکست احتمالی را به‌دلیل لایه لایه شدن از خود نشان می‌دهند.

نانوفیلرهای مختلف مانند نانولوله‌های کربنی (CNT)، نانوالیاف کربنی (CNF) یا گرافن ثابت کرده‌اند که می‌توانند خواص مکانیکی CFRP را ارتقا دهند. نانومواد CNF در حوزه‌های مواد الکتریکی و حرارتی برای بهبود کلی کامپوزیت‌ها کاربرد دارند؛ برای مثال، کامپوزیت‌های چند فازی تقویت‌شده با ذرات یا الیاف برای پره‌های توربین بادی. افزودن 1-0.067 درصد وزنی CNF باعث افزایش 12-9 درصدی مقاومت برشی بین لایه‌ای و 13-10 درصدی مقاومت فشاری در پلیمر تقویت شده می‌شود. همچنین افزودن 2 درصد وزنی CNT به ماتریس اپوکسی CFRP باعث بهبود استحکام کششی و مدول الاستیک به ‌ترتیب تا 26 و 19 درصد می‌شود. مقدار CNF تعبیه شده در CFRP نیز یک عامل مرتبط است: کاتگیری و همکارانش به این نتیجه رسیدند که افزودن حدود 2 درصد وزنی CNF استحکام خمشی و مدول فلکسورال را افزایش می‌دهد، اما رفتار مواد شکننده‌تر منجر به کاهش خواص مکانیکی می‌شود. به‌طور کلی، استفاده از CNT، CNF و الیاف کربن کوتاه چقرمگی شکست کامپوزیت را به‌طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. برهمکنش بین فیلر و ماتریس مکانیسم‌های شکست را تعیین می‌کند: در CFRP معمولی، ماتریس نیروها را به الیاف کربن منتقل و پراکنده می‌کند، در حالی‌که افزودن نانوفیلرها می‌تواند ترک‌ها را پر کرده و رابط الیاف-ماتریس را تقویت می‌کند؛ بنابراین می‌تواند نیروی نهایی را افزایش دهد. بنابراین، پراکندگی مناسب نانوفیلرها برای ایجاد برهمکنش فیلر و ماتریس ضرورت دارد.

چندین روش برای پراکندگی خوب نانوفیلر در ماتریس وجود دارد: در اکثر مواقع از دستگاه تقویم آسیاب سه رول (TRM) برای پراکندگی CNF و CNT در شکست ماتریس استفاده می‌شود که با نیروهای برشی و پراکندگی ذرات آگلومره می‌شود. معمولاً برای پراکندگی مناسب به روش‌هایی با کاهش اندازه شکاف نیاز است. علاوه براین، از چند روش همچون رئولوژی و میکروسکوپی نوری می‌توان برای کنترل کیفیت پراکندگی استفاده کرد. همچنین منافذ در رابط ماتریس الیاف بسیار مرتبط با عملکرد CFRP هستند. CT تجزیه و تحلیل دقیق کوتاه مدت کل حجم‌های لمینت با وضوح حجم منافذ و محلی‌سازی را امکان‌پذیر می‌سازد و ازطرفی، کاربرد این تکنیک را برای بیان اینکه تشکیل منافذ به جهت جریان رزین و ساختار لمینت بستگی دارد نشان می‌دهد. در دسته‌های الیاف در جهت جریان رزین کمترین منافذ تشکیل می‌‌شوند، درحالی‌که در دسته‌های الیاف موجود در جهت‌های ۴۵ و 90 درجه (در تعداد و اندازه) به دلیل انسداد جریان بسیار بیشتر است. علاوه براین، منافذ در سطح مشترک لایه‌های لمینت تجمع می‌کنند. در عملکرد خستگی بالای FRP، منافذ باید تا آنجا که ممکن است کاهش یابند زیرا با افزایش خستگی منافذ، عمر آن کاهش یافته و ترک‌های ماتریس عمدتاً در نزدیکی منافذ رخ می‌دهند.

این نتایج حاصل تحقیقات انجام شده در بررسی تأثیر جهت‌گیری نانوالیاف کربن بر خواص خستگی پلیمر تقویت‌شده با الیاف کربن است: استفاده از یک میدان الکتریکی در زمان‌های مختلف برای هر دو نمونه منجر به جهت‌گیری CNF، هم در مواجه کوتاه مدت و طولانی مدت با میدان الکتریکی، می‌شود. جهت‌گیری کیفی توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشان داده شد که در آن تراز نانوالیاف واحد در CFRP تجزیه و تحلیل شد. تاثیر جهت‌گیری بر گذردهی نسبی استاتیک نیز نشان داده شد. به‌منظور تحلیل رفتار مکانیکی شبه استاتیک CNF جهت‌دار در CFRP چندین آزمایش انجام شد. باتوجه به حجم منافذ اولیه، جهت‌گیری نانوفیلرها منجر به بهبود خواص مکانیکی شبه استاتیک می‌شود: رفتار برشی بین لایه‌ای و مقاومت کششی (بسته به حجم منافذ اولیه) بهبود یافته و درنتیجه، وقوع احتمالی لایه لایه شدن کاهش یافت یا به‌ترتیب برای حجم منافذ مشابه کند شد. به‌دلیل وجود خواص فلکسورال، حجم منافذ اولیه دارای بیشترین معیار شکست است؛ حتی زمانی‌که از نانوفیلرهای جهت‌دار برای بهبود آن خواص استفاده می‌شود، خواص کششی تحت تأثیر حجم منافذ قرار نمی‌گیرند و به‌طور قابل توجهی با جهت‌گیری CNF تقویت می‌شوند. بنابراین، عملکرد مکانیکی CFRP با مقدار مشخصی از منافذ همچنان می‌تواند با تراز کردن نانوالیاف تقویت شود. برای ارزیابی تأثیر نانوالیاف جهت‌دار در مواد ماتریس CFRP با درنظر گرفتن خواص خستگی در تنش چرخه‌ای-بار کششی، روش آزمایش خستگی با موفقیت اعمال شد. با کمک ارزیابی مقاومت الکتریکی و همبستگی تصویر دیجیتال، افزایش آسیب میکروساختاری تحت بار خستگی شناسایی شد. توموگرافی کامپیوتری امکان تعیین منافذ اولیه و ارزیابی تکامل آسیب مکانیکی وارد شده را فراهم می‌کند.

تفاوت‌های محسوسی می‌توان بین شدت جهت‌گیری بررسی‌شده برحسب ظرفیت بار خستگی قابل اعمال و آسیب رخ داده مشاهده کرد. رفتار کلی خستگی CFRP که با آزمون دامنه چندگانه (MAT) قابل مقایسه بود و آزمون دامنه ثابت (CAT) قابل قیاس بود، پتانسیل MAT را باتوجه به کاربرد کوتاه مدت آن برای دستیابی به خواص مطلوب مواد نشان می‌دهد. با کمک همبستگی تصویر دیجیتال و توموگرافی کامپیوتری درجا، مشاهده تمایز دقیق بین افزایش آسیب رخ داده در جهت‌گیری امکان پذیر بود: جهت‌گیری نانوالیاف در 300 ولت، به‌ویژه در مدت زمان طولانی‌تر، آسیب را شدیدا کاهش می‌دهد. این نمونه‌ها ترک‌های بین‌ الیافی و لایه لایه شدن را کمتر و کندتر نشان می‌دهند درحالی‌که سفتی آن را برای مدت طولانی‌تری حفظ می‌کند که نشان‌دهنده تأثیر مثبت جهت‌گیری نانوالیاف در کاربردهای مربوط به تنش چرخه‌ای-بارگذاری تنش است. در این بررسی اثبات شد که می‌توان از اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی برای پایش آسیب استفاده کرد؛ جایی‌که جهت‌گیری نانوالیاف منجر به دو فاز اصلی تغییرات شد: به‌جای افزایش مداوم مقاومت مشاهده شده برای نمونه بدون جهت، مقاومت مشاهده شده اولیه که در نمونه جهت‌دار کاهش می‌یابد ممکن است یک پارامتر بالقوه برای ارزیابی تکامل آسیب و عمر خستگی باشد.