بخشی از مقاله
چکیده
کامپوزیتهای کربن- اپوکسی به دلیل استحکام بالا نسبت به وزن پایین، کاربرد زیادی در سازههای کامپوزیتی پیشرفته دارند. هدف کلی این مقاله بررسی افزایش خواص کششی کامپوزیتهای کربن- اپوکسی با افزودن نانوذرات سیلیکا، برای پیشرفت در طراحی سازههای کامپوزیتی کربن- اپوکسی میباشد. برای ساخت چندلایه های کامپوزیتی، از روش تزریق رزین اپوکسی در خلأ - اپوکسی خالص یا تقویت شده با نانوذرات سیلیکا - استفاده شده است. درصدهای وزنی 0/1، 0/5 و 0/9 از نانوذرات سیلیکا برای افزودن به رزین اپوکسی انتخاب گردید و با استفاده از دستگاههای همزن مکانیکی و فراصوت در رزین اپوکسی پراکنده شدند. برای بررسی و مقایسه خواص کششی نمونههای مختلف نیز دستگاه کشش مورد استفاده قرار گرفت.
نتایج آزمایش کشش، افزایش استحکام و مدول کششی در نمونههای کامپوزیتی تقویت شده با نانوذرات سیلیکا را نشان میدهد. بطوریکه تنها با افزودن 0/5 درصد وزنی نانوسیلیکا به کامپوزیت کربن- اپوکسی، 15/3 درصد استحکام و 12/8 درصد مدول کششی افزایش یافته است. با افزایش درصد وزنی نانوذرات به 0/9 درصد، روند افزایش خواص کششی دچار افت شد. در انتها دلایل افزایش خواص کششی کامپوزیتهای حاوی نانوذرات با استفاده از تصاویر میکروسکوپی - - SEM از سطوح شکست، مورد بررسی قرار گرفته است.
-1 مقدمه
در اواخر قرن بیستم زمینه جدیدی تحت عنوان » نانوکامپوزیت ها« وارد عرصه علم و فناوری کامپوزیتها شد. واژه نانوکامپوزیت، به کامپوزیتهایی اطلاق میشود که حداقل یکی از ابعاد فاز پراکنده در آن در مقیاس نانو باشد.این عبارت معمولاً در دو بخش از علم مواد استفاده میشود که شامل سرامیک ها و پلیمرها است. نانوذرات از بدو تولید خواص خوبی از خود نشان دادهاند و از طرف دیگر هزینههای فرآیندی لازم برای تولید این مواد، چندان بالا نیست. دو عامل فوق انگیزه ای کافی برای شرکت های بزرگی بود که خواهان افزایش قدرت رقابتی خود در بازارهای بینالمللی بودهاند. بنابراین آنها به تدریج فعالیت های خود را به این سمت سوق دادهاند.
به دلیل تغییر در ترکیب شیمیایی و ساختار مواد در مقیاس نانومتری و ارائه خواص ویژه و بینظیر این ترکیبات نسبت به مواد کامپوزیتی در مقیاسهای متداول، در ده سال اخیر پیشرفت قابلتوجهی در این زمینه صورت گرفته است و فناوریهای پیشرفتهای در ساخت ذرات نانومتری ارائه شده است. نانوکامپوزیتهای پلیمری برای نخستین بار توسط محققین مرکز تحقیق و توسعه تویوتا ساخته شدند تا جایگزین برخی قطعات اتومبیل که در برابر گرما مقاوم هستند شوند.
در سال1980 با تهیه نانوکامپوزیتهای بر پایه نایلون-6 و خاک رس به صورت تجاری به وسیله این مرکز، تحقیقات برای ساخت این مواد وارد دوران جدیدی شد و از آن پس شرکتهای دیگری تولید نانوکامپوزیت بر پایه نایلون-6 را آغاز نمودند. تعداد دیگری از شرکتها نیز نانوکامپوزیتها را به منظور کاربردهای تجاری مورد مطالعه قراردادند و در اواخر سال2001 میلادی شرکت های جنرال موتورز و بازل اولین کاربرد نانوکامپوزیتهای بر پایه ترموپلاستیک های پلی اولفینی را در قطعات خارجی اتومبیل ارائه نمودند. در حال حاضر نیز جدیدترین تحقیقات در جهان در زمینه نانوکامپوزیتها، عمدتاً روی ساخت ذرات بسیار ریز نانومتری و ساخت ترکیبات نانوکامپوزیت پلیمری و بهبود خواص آنهاست.
با گسترش و توسعه مواد نانومتری و پس از تحلیل های مختلف مواد نانوکامپوزیتی، محققان به این نتیجه رسیدند که می توان به کمک همین نانوذرات خواص کامپوزیتهای کلاسیک مرسوم - با تقویت کننده های الیافی بلند - را نیز بهبود بخشید، به این ترتیب ایده "کامپوزیت های چند مقیاسی" شکل گرفت. در واقع این کامپوزیت ها علاوه بر فاز پلیمری دارای دو یا چند نوع فاز تقویت کننده با ابعاد مختلف هستند. در کامپوزیتهای چند مقیاسی معمولاً با درصد وزنی خیلی کم از این نانوذرات میتوان، مدول، استحکام و بسیاری از خواص مکانیکی دیگر کامپوزیت های کلاسیک را افزایش داد. در این شرایط، علاوه بر تقویت کننده های الیافی بلند نانو یا میکرو ذرات را نیز به زمینه پلیمری کامپوزیت اضافه میکنند.
استفاده از نانوذرات در بسترهای پلیمری و تولید نانوکامپوزیت هایی با خواص بهتر نسبت به پلیمر پایه بطور گسترده مورد نظر محققان بوده است، اما استفاده از این نانوذرات در کامپوزیت های کلاسیک کمتر مورد توجه قرار گرفته است. به همین دلیل در این پروژه تحقیقاتی به اثر افزودن درصد بسیار کمی از نانوذرات کروی سیلیکا بر خواص مکانیکی کامپوزیت کلاسیک کربن- اپوکسی پرداخته شده است.
امروزه یکی از پراهمیتترین نانوذرات تجاری، اکسیدهای ساده فلزی سیلیکا میباشد. بر اساس گزارشهای موجود، نانو پودرهای فلزی سیلیکا، در حال حاضر به میزان بیشتر و به صورت معمولتر مورد استفاده قرار میگیرند. به همین علت تولید این نانو پودرها دارای جاذبهی کافی برای تولید در بازار نانو مواد میباشند. نانو ذرات سیلیکا شامل مجموعهای از ذرات کوچک دیاکسید سیلیس میباشد که از طریق پیوندهای کووالانسی و هیدروژنی به هم متصل شده و ذرات بزرگتری را تشکیل میدهد. بر اساس اندازه ذرات اولیه، اندازه کلوخههای نهایی، این ماده میتواند کاربردهای متفاوتی داشته باشد. مزیت اصلی نانوسیلیکا در مقایسه با میکروسیلیکا، مساحت سطح بالای آن بوده که باعث میشود در بسترهای مورد استفاده برهمکنش بیشتری از خود نشان دهد.
در سال های اخیر محققان زیادی تحقیقات خود را به بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت ها با اضافه نمودن نانوذرات اختصاص داده اند. در این بین، پژوهش ها در مورد تقویت خواص مکانیکی کامپوزیت ها با نانوذرات سیلیکا بسیار کم می باشد. در ادامه به مواردی از این پژوهش ها اشاره می شود. می توان نوآوریهای این پژوهش نسبت به پژوهش های پیشین را بطور خلاصه چنین برشمرد:
-1 از این نانوذره در کارهای پیشین عموما در بسترهای پلیمری برای ساخت نانوکامپوزیت استفاده شده است و این نانو ذره را کمتر به کامپوزیت های کلاسیک اضافه کردهاند.
-2 به دلیل ماهیت کروی این نانو ذرات، از آن ها برای بهبود خواص مکانیکی کمتر استفاده شده است که در این پژوهش بطور ویژه به خواص مکانیکی پرداخته شده است.
-3 در پژوهش های گذشته، این نانوذرات را عمدتا در درصدهای وزنی بالاتر از 1 بکار گرفته اند ولی در این پژوهش این نانوذرات در 3 درصد وزنی کمتر از 1 بکارگرفته شده اند که در هر 3 مورد نیز بهبود خواص رخ داده است.
جوماهات و همکارانش[1] به بررسی نانوکامپوزیتهای نانوسیلیکا- اپوکسی پرداختند در پژوهشی که توسط آنها صورت گرفت نانوکامپوزیتهایی با 5 تا 25 درصد وزنی نانوسیلیکا در بستر اپوکسی با روش هم زدن مکانیکی ساختهشد. نتایج آزمایش کشش برای نمونهی حاوی 25 درصد وزنی نانوسیلیکا، بهبود 38 درصد مدول و 24 درصد استحکام کششی را نشان داد. همچنین کرنش شکست با افزایش درصد وزنی نانوسیلیکا افزایش یافت.
هسیه و همکارانش [2] در پژوهشی به بررسی نانوکامپوزیتهای نانوسیلیکا- اپوکسی پرداختند. آنها10 تا 20 درصد وزنی نانوسیلیکا با همزن مکانیکی به اپوکسی اضافه کرده و نمونههای نانوکامپوزیتی در قالب ساختند و خواص شکست و کششی نانوکامپوزیتهایی با 4 نوع بستر اپوکسی حاوی 0، 10 و 20 درصد وزنی نانوسیلیکا را بررسی کردند. نتایج این پژوهش بهبود خواص با افزودن نانوذرات برای همهی نمونهها را نشان داد.
چن [3] و همکارانش به بررسی نانوکامپوزیت های نانوسیلیکا-اپوکسی پرداختند. آن ها نانوسیلیکا را به اپوکسی اضافه کرده و 3 ساعت با همزن مغناطیسی مخلوط کردند سپس با روش فراصوت همگن سازی نانوذرات در بستر اپوکسی را انجام دادند. آزمایش کشش روی نمونه ها تا 10 درصد وزنی نانوسیلیکا، بهبود 25 درصد برای مدول و 30 درصد برای چقرمگی شکست را نشان داد، اما برای نمونه های بالاتر از 10 دردصد وزنی نانوسیلیکا، مدول افزایشیافته ولی استحکام و چقرمگی شکست کاهش یافت.
بری و همکارانش [4] به بررسی مدلسازی نانوکامپوزیت نانوسیلیکا- اپوکسی پرداختند. طی این مدلسازی اثر درصد حجمی و اندازهی نانوسیلیکا بر روی پراکندهسازی نانوذره در ماتریس پایه بررسی شد که دید مناسبی از مقدار اضافه نمودن نانوسیلیکا به بستر اپوکسی به خواننده میدهد.
زنگ و همکارانش [5] در پژوهشی کامپوزیت کربن- اپوکسی حاوی نانوسیلیکا را مورد بررسی قرار دادند. آنها برای مخلوط کردن نانوذرات با رزین، مقدار مشخص نانوسیلیکا را به رزین اضافه و بهمدت 40 دقیقه با همزن مکانیکی مخلوط کردند. پس از اضافه نمودن هاردنر، نمونهی کامپوزیتی با 18 لایه الیاف از کربن را به روش چیدمان دستی ساختند. سپس برای بررسی چقرمگی شکست، آزمایش مد I لایه لایه شدن انجام گرفته است که در بهترین حالت با اضافه نمودن 6 درصد وزنی نانوسیلیکا، بهبود زیادی در چقرمگی شکست گزارش کردند.
مانجوناتا و همکارانش [ 6 ] کامپوزیت الیاف شیشه- اپوکسی حاوی نانوذرات سیلیکا را برای پژوهش خود ساختند. برای این کار 10 درصد وزنی نانوسیلیکا به رزین اضافه و با همزن مکانیکی مخلوط کردند. آن ها نمونه های کامپوزیتی را با روش تزریق رزین در قالب انعطافپذیر ساختند. سپس آزمایش کشش و عمر خستگی انجام گرفته که برای استحکام کششی حدود 5 درصد و برای مدول کششی حدود 7 درصد افزایش گزارش کردند. همچنین عمر خستگی بهبود یافت که دلیل آن کاهش چگالی ترکها گزارش شده است.
وی و همکارانش [7 ] به بررسی اثر پوشش دهی نانوسیلیکا بر کامپوزیت بازالت- اپوکسی پرداختند. در این پژوهش ابتدا نانوسیلیکا بر روی الیاف پوشش دهی شد سپس رزین اضافه اپوکسی را به آن اضافه کردند. آن ها با پوشش دهی 5 درصد وزنی نانوسیلیکا، بهبود استحکام کششی و استحکام تنش برشی بین لایهای گزارش کردند.
-2 فرآیندهای آزمایشگاهی
بطور کلی فرآیند آزمایشگاهی صورت گرفته در این مقاله شامل دو مرحله کلی ساخت نمونه های کامپوزیتی و انجام آزمایش می باشد که در ادامه هر دو مرحله به تفصیل مورد بررسی قرار گرفتهاند.
-1-2 ساخت نمونه های کامپوزیتی
مواد اولیه
در این پژوهش انتخاب مواد، با توجه به کاربرد مواد اولیه ی بهکار رفته در ساخت سازه های پرکاربرد کامپوزیتی صورت گرفت.
