اثر بار، فرکانس لغزش و دما بر خواص تریبولوژیکی نانوپلاکت‌های گرافن با عایق کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با فیبر کربن
این مقاله در وهله اول بر خواص حرارتی مکانیکی و فیزیکی کامپوزیت‌های پلیمری متمرکز است. همچنین اثرات بار نرمال، فرکانس لغزش و دما بر روی عملکرد لغزشی متقابل قطعات فیبر کربن (CF) را مورد بررسی قرار می‌دهد. این قطعات CF با نانوپلاکت‌های گرافن (GNP) و کامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با (اپوکسی) فیبر کربن (CFRP) پوشیده شده‌اند. آزمایشات نیز در سه بار نرمال مختلف (55، 75 و 95 نیوتن)، فرکانس لغزشی (8، 12 و 16 هرتز) و دما (25، 40 و 60 درجه سانتی‌گراد) انجام شدند. آزمایشات به مدت 20 دقیقه با طول حرکت ثابت 1.5 میلی‌متری در برابر یک توپ فولادی کروم سخت شده 62 HRC به‌عنوان ماده سطحی متقابل انجام شد. به‌منظور بررسی سطوح فرسوده از میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده شده است. علاوه براین، از شبکه عصبی مصنوعی (ANN) برای مدل‌سازی ضریب اصطکاک بر مبنای پارامترهای مختلف استفاده می‌شود. مشاهده شد که افزودن GNP به رشته‌های فیبر کربن، تمایل رشته‌ها به پیوند با ماتریس را بهبود می‌بخشد و در نتیجه، مقاومت سایشی را افزایش می‌دهد. با افزودن GNP به رشته‌های فیبر کربن، نرخ سایش آنها تا 32.39 درصد کاهش یافت درحالی‌که رسانش حرارتی به 47.95 درصد افزایش یافت. ضریب اصطکاک با بار معمولی تا 75 نیوتن افزایش دارد و سپس به دلیل وجود قطعات الیاف و فیلم اصطکاک در بارهای زیاد افت می‌کند. با بالا رفتن فرکانس لغزشی و افزایش دما، ضریب اصطکاک کاهش می‌یابد. همچنین مشاهده شد که مدل ANN قادر به پیش‌بینی ضریب اصطکاک با دقت بالا است.
مواد کامپوزیت پلیمری به تازگی به دلیل دارا بودن خواص مهندسی برتر مانند مقاومت سایش بالا، چگالی کم، مقاومت مکانیکی بالا، سهولت در ساخت، بی اثر بودن شیمیایی و خواص خود-روانکاری کاربرد گسترده‌ای در بخش‌های اصطکاکی صنعت هوافضا دارد. در بیشتر موارد، مواد واحد اصطکاک بایستی ضریب اصطکاک ثابت و قابل پیش بینی در موقعیت‌های مختلف را حفظ کنند. با این حال، تاکنون فقط از مواد پلیمری منحصر به فردی استفاده شده است که نمی‌تواند این موارد را برآورده کند. معرفی الیاف مختلف مانند کربن، شیشه و آرامید به‌عنوان تقویت کنندۀ ماتریس یکی از موثرترین ابتکارات برای تقویت ویژگی‌های تریبولوژیکی و مکانیکی مواد اصطکاکی حاوی پلی آمید است. تقویت فیبری با هدف حفظ خواص مواد کامپوزیت ازجمله استحکام مکانیکی، پایداری حرارتی، سختی و مشخصه اصطکاکی ضرورت دارد. برای تنظیم ویژگی‌های مکانیکی و حرارتی مورد نظر، می‌توانیم محتوای بارگذاری اکسید گرافن سبز را تغییر دهیم. خصوصیات بیولوژیکی و مکانیکی CFRP ها توسط چسبندگی بین دو سطح در رابط ماتریس فیبر کربن-پلیمر تعیین می‌شود. با این حال، استفاده از نانوپلاکت‌های گرافن (GNP) در اینترفاز فیبر/ماتریس می‌تواند چسبندگی سطحی را در حین تغییر خواص مکانیکی و الکتریکی کامپوزیت افزایش دهد. با افزودن GNP به ماتریس پلیمری، خواص پیوندی زنجیره‌های پلیمری بهبود یافته و فاصله بین لایه‌ها با افزایش بارگیری محتوای GNP نیز از بین رفت. GNP ها به دلیل نیروی برهمکنش واندروالس بین لایه‌های متمایز گرافن تمایل به انباشته شدن و تجمیع دارند. تنش‌های محلی به دلیل نیروهای خارجی که به آنها اعمال می‌شود، ایجاد می‌شوند. در اینجا ناحیه تنش در اطراف GNP عایق شده با رشته فیبر کربن (GCF) تقویت شده با کامپوزیت ماتریس پلیمری (GCF/اپوکسی) به کمک آنالیز فتوالاستیک مورد بررسی قرار گرفت و همچنین کشف شد که پس از عملکرد فیبر کربن حاوی GNP، یک رابط فیبر-ماتریس پایدار بین سطح ممکن است تشکیل شود که به‌طور قابل ملاحظه‌ای خواص فیبر را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
از GNP در کامپوزیت‌های ماتریس پلیمری به‌منظور تقویت خواص تریبولوژیکی و مکانیکی آنها استفاده می‌شود. روان کننده‌های جامد، الیاف و نانوذرات نمونه‌هایی از پرکننده‌های سخت هستند که برای افزایش مقاومت سایشی کامپوزیت‌های پلیمری حاوی پرکننده‌ها استفاده می‌شوند درحالی‌که هزینه ساخت آنها را نیز کاهش می‌دهد. همچنین، تاثیر دما بر ویژگی سایشی و اصطکاک پلی آمیدهای خطی و متقاطع در این مقاله بررسی شده‌اند. درمورد تاثیر الیاف کربن (CF) مختلف روی ویژگی‌های سایشی پلی آمیدها هم مطالعه شده است. در دمای بالا، برهمکنش‌های شیمیایی بین گرافیت و ماتریس پلی آمید مشاهده شده‌اند. GNP می‌تواند با کامپوزیت‌های الیاف کربن برای بهبود مقاومت سایشی ناشی از افزایش چسبندگی سطحی ترکیب شود و همچنین مشاهده شد که GNP به تثبیت فیلم سه‌گانه کمک می‌کند. قیمت کل محصول نهایی با افزودن مقدار GNP به مواد افزایش می‌یابد. کامپوزیت‌های پلیمری هیبریدی حاوی دو نوع الیاف مختلف ممکن است برای دستیابی به اهداف اقتصادی و صرفه جویی در هزینه مناسب باشد. برخی از نویسندگان در حال بررسی کامپوزیت‌های هیبریدی مانند کامپوزیت‌های پارچه کربن/شیشه و پارچه کربن/آرامید با هدف تقویت خواص مکانیکی در مصارف مختلف هستند. کامپوزیت‌های پلیمری همچنین در صنایع زیست پزشکی نیز استفاده می‌شوند. پرکننده اکسید گرافن کاهش یافته به وزن مولکولی فوق العاده بالا برای تولید مواد بیوکامپوزیت با مقاومت سایش عالی به ماتریس پلی اتیلن افزوده شد. نداشتن مقاومت سایشی و ضریب اصطکاک نیز تحت تاثیر فرکانس لغزشی متقابل قرار می‌گیرد. پاسخ تریبولوژیکی کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف بیشتر تحت تاثیر بار نرمال اعمال شده است. هدف از این مقاله درک بهتر خواص تریبولوژیکی کامپوزیت اپوکسی تقویت شده با پارچه کربن بافته شده (اپوکسی/CF) و کامپوزیت اپوکسی/GCF است درحالی‌که روی توپ فولادی کروم در یک نمایشگر اصطکاکی متقابل با لغزش خشک می‌لغزند. به‌طور کلی، هدف این مقاله تعیین تاثیر چگونگی بار، فرکانس و دما بر خواص سایشی و اصطکاکی کامپوزیت‌های اپوکسی/CF و اپوکسی/GCF است. مکانیسم سایشی کامپوزیت‌های پلیمری نیز براساس تصاویر میکروسکوپ نوری از سطوح فرسوده آنالیز شدند.
فیبر کربن و GNP ها با عایق کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف کربن ازلحاظ مقاومت سایشی و میزان اصطکاک مکرر تست شدند. یافته‌های کلیدی این مقاله شامل موارد زیر هستند:
1. تمایل به پیوند رشته فیبر با ماتریس با هدف بهبود عایق GNP روی رشته فیبر است و از این رو، مقاومت سایشی را افزایش می‌دهد.
2. درصورت افزایش بار، دما افزایش یافته و باعث افزایش تمایل به چسبندگی می‌شود. از این رو، ضریب اصطکاک را در مراحل اولیه افزایش می‌دهد اما در بار کم معکوس بود.
3. با افزایش بار، ضریب اصطکاک افزایش می‌یابد اما در 75 نیوتن به دلیل تشکیل لایه اصطکاک و پودر شدن قطعات سایشی کاهش می‌یابد.
4. ضریب اصطکاک با افزایش فرکانس لغزش یا دما کاهش می‌یابد.
5. مکانیسم سایشی در بار کم، فرکانس پائین و دمای پایین که غالب است، همان سایش چسب و سایش متوسط الیاف است و در تشکیل بار بالای فیلم اصطکاک و پودر شدن سایش، قطعات انجام می‌شود.
6. مدل ANN می‌تواند ضریب اصطکاک را پیش بینی کند و مقادیر پیش بینی شده با مقادیر تجربی به خوبی مطابقت دارند.
