بخشی از مقاله
چکیده
کامپوزیت های چندلایهای فلز/الیاف،مواد مرکب نسبتاً جدیدی هستند که جزئی از خانواده ی مواد هیبریدی در نظر گرفته میشوند. این نوع از کامپوزیتها به علت دارا بودن خصوصیات خوب مکانیکی و محیطی، در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار میگیرند. یکی از کاربردهای مهم این ماده در بدنه هواپیمای ایرباسA 380 میباشد. در این مطالعه به شناسایی جدایش بین آلومینیوم و لایه از پیش آغشته کامپوزیتی در چند لایه های فلز الیاف پرداخته می شود.
جهت اتصال مطلوب آلومینیوم و لایه از پیش آغشته کامپوزیتی سطح آلومینیوم 2024 T3 آنودایز کرومیکی شده است. ابتدا شناسایی لحظه جدایش توسط روش های مکانیکی و با پردازش سیگنال های نشرآوایی صورت میپذیرد. در ادامه با روش آکوستوکانیکی که تلفیقی از روشهای مکانیکی و نشر آوایی میباشد لحظه جدایش تعیین میگردد. در انتها مقایسه بین روشهای معرفی شده صورت گرفته است.
1. مقدمه
در دهه های اخیر با توجه به نیاز صنایع هوایی در خصوص عملکرد بالا و کاهش وزن انگیزه زیادی جهت توسعه کامپوزیتهای فلز الیاف بوجود آمده است. کامپوزیتهای فلز الیاف از نوع مواد هیبریدی هستند که از لایههای نازک فلزی و لایه کامپوزیتی تقویت شده با الیاف تشکیل شده است
برای اولین بار در سال 1980 در دانشگاه دلف این نوع کامپوزیت را بعنوان یک نوع جدید از کامپوزیتها برای استفاده در پنل های سازههای هوایی توسعه داده است
انواع تجاری این نوع مواد آرال - 1الیاف آرامید - ، گلر2 - الیاف شیشه - و کارال3 - الیاف کربن - میباشد. استفاده از ساختار هیبریدی دو جزئی فلز - معمولا آلومینیوم - و لایه تقویت شده از الیاف باعث بهبود تلرانس خرابی رشد ترک خستگی و ضربه مخصوصا در کاربردهای هوایی میشود
با توجه به کاربرد این نوع مواد در سازههای هوایی احاطه داشتن بر پارامترهای تاثیرگذار در رفتار مواد امری لازم میباشد.
یکی از این پارامترها چقرمگی شکست است که نشان دهنده انرژی لازم برای واماندگی مواد میباشد. آزمون بدست آوردن چقرمگی شکست برای مواد کامپوزیتی، بدون لایه فلزی بخاطر عدم وقوع پلاستیسیته دارای روندی مشخص میباشد، ولی در چند لایههای فلز الیاف در حین آزمون لایه فلزی وارد محدوده پلاستیک میشود و این امر باعث خطا در محاسبات مربوط به چقرمگی شکست میشود
عیوب میتواند در حین ساخت×چند لایههای فلز الیاف، هنگام اتصال لایه کامپوزیتی به آلومینیومی و یا در حین سرویس ایجاد گردند بَب. این عیوب نظیر ایجاد فاصله هوایی بین لایهها و ذرات خارجی میباشد بُب.×عدم اتصال×1 و جدایش بین لایهها جزء عیوب معمول در صنایع ساخت پنلهای سازههای هوایی می باشند. ارزیابی دقیق این عیوب بخاطر تاثیر منفی آنها بر عملکرد و قابلیت اطمینان قطعات لازم میباشد. برای تشخیص این عیوب معمولا از روشهای غیر مخرب استفاده میگردد
در کامپوزیتهای با الیاف شیشه در صورت وقوع جدایش بین لایهای تغییر رنگ در محل وقوع جدایش مشاهده میشود ولی در بقیه کامپوزیتها غیر شفاف شناسایی وقوع جدایش با بازرسی دیداری امکان پذیر نمیباشد. در×چند لایههای فلز الیاف نیز بازرسی دیداری امکان پذیر نبوده و باید از روش های دیگر آزمون غیر مخرب جهت شناسایی جدایش استفاده نمود.
برای تشخیص جدایش بین لایه ای تاکنون روش های غیرمخرب گوناگونی از جمله گرمانگاری، روش فراصوتی و اشعه ایکس مورد استفاده قرار گرفته که هر کدام از این روشها مزایا و معایبی خاص خود دارند بِب. ×اکثر روشهای اشاره شده قابلیت تشخیص وقوع عیب را به صورت بلادرنگ ندارند ولی جهت تشخیص بلادرنگ عیوب میتوان از روش نشرآوایی2 استفاده نمود. گودین و همکارانش آکوستیک امیشن را به عنوان وسیلهای برای تشخیص انواع مختلف خرابیها در مواد کامپوزیتی شیشه-پلی استر به کار گرفتند. که هدف عمده کار آنها تحلیل سیگنالها در جهت تشخیص منابع مختلف امواج ساطع شده بود
انتشار موج تنش الاستیک در ماده در اثر وقوع خرابی و یا بعبارتی آزاد شدن سریع انرژی کرنشی در جسم را نشرآوایی گویند.×از دیگر مزایای استفاده از روش نشرآوایی در بررسی خرابی کامپوزیتها، میتوان به قابلیت تفکیک انواع مختلف خرابی، همچون ترک خوردگی ماتریس، شکست الیاف، جدایش الیاف از ماتریس و جدایش بینلایهای اشاره نمود
در پژوهشی برای نمونههای شیشه/اپوکسی تحت خمش سه نقطه ای رفتار رشد جدایش بینلایهای بررسی شده و انواع خرابی، از جمله شکست الیاف، شکست ماتریس و جدایش الیاف از ماتریس با استفاده از تبدیل موجک و دستهبندی فازی سیگنالها، از یکدیگر تفکیک گردیده و میزان تاثیر هر مکانیزم خرابی برای هر نمونه تعیین و عملکرد مطلوب روش نشرآوایی در تعیین انواع مختلف خرابیها توسط تصاویر گرفته شده از سطوح شکست نمونهها صحه سنجی شده است بَب. در دیگر پژوهشی چقرمگی شکست بینلایهای را در کامپوزیت پلیاستر/شیشه تحت بارگذاری مود یک را با استفاده از تابع سنتری، که بیانگر نسبت انرژی مکانیکی به انرژی نشرآوایی نمونه در حین بارگذاری است، محاسبه شده است
برای تعیین چقرمگی شکست و شناسایی لحظه شروع شکست کامپوزیتهای پایه الیاف تحقیقات زیادی صورت گرفته و استانداردهایی برای بدست آوردن چقرمگی شکست ارائه شده است ولی در خصوص چند لایههای فلز الیاف هنوز استانداردی جهت تعیین چقرمگی شکست ارائه نشده است همچنین بررسی سیگنالهای نشرآوایی در خصوص جدایش در مد یک شکست نیز نیاز به تحقیقات و بررسی های بیشتر دارد. بدین منظور در این پژوهش ابتدا به بررسی رفتار مکانیکی و نشرآوایی شروع و رشد جدایش بین آلومینیوم و لایه کامپوزیتی تحت مود بارگذاری یک پرداخته شده و در ادامه، با استفاده از روش آکوستومکانیک، که ترکیب رفتار نشرآوایی و رفتار مکانیکی میباشد، لحظه شروع جدایش در این کامپوزیتها تعیین میگردد.
2. روش تحقیق
طراحی نمونه
استانداردهای موجود برای تعیین چقرمگی شکست کامپوزیتها با الیاف تک جهته طراحی شده است و نمیتوان از آنها برای چند لایههای فلز الیاف×ها استفاده نمود بنابراین اعمال یک سری تغییرات در نمونه نسبت به استاندارد معرفی شده لازم میباشد. مهم ترین عامل خطا در نمونهها وقوع تغییر شکل پلاستیک در لایه نازک فلزی چند لایههای فلز الیاف در حین بارگذاری مد یک میباشد.
از آنجایی که این تغییر شکل پلاستیک انرژی مصرف می نماید نباید در انرژی لازم برای جدایش لحاظ گردد؟ همچنین از نظر نشر آوایی نیز در محدوده پلاستیک سیگنالهایی تولید میگردد که باید به طریقی فیلتر شود.
برای جلوگیری از تغییر شکل پلاستیک و باقی ماندن در محدوده الاستیک در بارگذاری در مد شکست یک، ضخامت لایه آلومینیومی افزایش داده شده است تا تنش در لایه نازک آلومینیوم کاهش پیدا کند. جهت اطمینان از عدم تغییر شکل پلاستیک شبیه سازی با نرمافزار آباکوس صورت پذیرفته که در نهایت ابعاد و ضخامت نمونه به صورت شکل 1 طراحی گردید.
شکل .1 الف - ابعاد نمونه ب - چیدمان لایه ها و ضخامت
توصیف مواد آزمایش و آمادهسازی نمونهها
همان طور که در شکل 1 نمایش داده شده نمونههای مورد استفاده از دو لایه کامپوزیتی و دو ورق آلمینیومی ساخته شده است. ورق آلمینیومی از جنس 2024-T3 بوده و لایه کامپوزیتی به صورت پارچه1 از پیش آغشته2 با الیاف عمود بر هم میباشد که الیاف آن شیشه از نوع ای3 و رزین آن اپوکسی میباشد. خواص رزین در جدول 1 ذکر شده است. برای ساخت نمونه با توجه به تعداد و ابعاد نمونهها دو ورق آلومینیومی برش داده شده و برای اتصال به لایه کامپوزیتی با کیفیت بهتر سطح ورق آلومینیومی آنودایز کرومیکی شده است.
جهت ایجاد ترک اولیه روی ورق آلومینیومی یک لایه نوار چسب به ضخامت 50 میکرون به عرض 63/5 mm در طول ورق چسبانده شده سپس دو لایه کامپوزیتی برش داده شده و بر روی دو سطح ورق آلومینیومی چسبانده میشود. در مرحله بعدی فرآیند بگ4 صورت گرفته و نمونه در کیسه خلاء5 - فشار خلاء - 0/3 قرار میگیرد. این فرآیند به طور کلی جهت رزینگیری و جلوگیری از بهم خوردن تنظیمات نصب نمونه صورت میگیرد. در ادامه مجموعه بگ در داخل اتوکلاو قرار داده شده و تحت دمای 130 C و فشار محیطی 2/5 بار به مدت سه ساعت پخت میشود و در نهایت دو لولا جهت اعمال بار به دو سطح بالایی و پایینی انتهای نمونه چسبانده شده است.
جدول خواص رزین
دستگاه آزمایش
از دستگاه آزمایش کشش مدل هیوا، با ظرفیت 5ton با قابلیت تنظیم سرعت بارگذاری 0/1 تا 500 میلیمتر بر دقیقه برای آزمایش استفاده گردید. در این پژوهش سرعت بارگذاری 1 mm/min انتخاب شده است.
