مقاله مطالعه تجربی پدیده شکست کششی و تخریب سفتی در لمینیتهای کربن/اپوکسی

بخشی از مقاله

مطالعه تجربی پدیده شکست کششی و تخریب سفتی در لمینیتهای کربن/اپوکسی

چکیده

لمینیتهای کربن/اپوکسی از مواد کامپوزیت گران قیمتی هستند که دارای خواص مکانیکی بالایی نسبت به اکثر کامپوزیتهای الیـاف/رزین ماننـد شیشه/پلیاستر و یا کولار/وینیلاستر میباشند. لمینیتهای کربن/اپوکسی به دلیل قیمت بالای الیاف کـربن و رزیـن اپوکسـی تنهـا بـرای سـاخت بخشهای حساس در شناورها و سایر سازهها مورد استفاده قرار میگیرند. با توجه به اینکه در نظر است تا پروانههای بسیار سخت نیمه مغروق بـرای موتورهای با توان چندهزار اسب، با استفاده از لمینیت کربن/اپوکسی طراحی شوند در این مقاله شکست لمینیتهـای کربن/اپوکسـی تحـت تسـت کشش مورد مطالعه قرار گرفته است. جهت مطالعه تاثیر نوع بافت الیاف بر شکست لمینیت، دو نوع بافت ساده و جناغی استفاده شـده و نیـز تـاثیر تراکم الیاف نیز با استفاده از الیاف 3K و 12K مورد ارزیابی قرار گرفته است. با توجه به نوع بافت و تراکم الیاف و تعداد و ضخامت لایـههـا، 6 نـوع لمینیت با استفاده از روش تزریق خلاء ساخته شده و تحت تست کشش قرار گرفته است. نتایج حاصل از تست کشش نشان میدهـد کـه دیـاگرام تنش-کرنش برای لمینیتهای الیاف 3K دارای رفتار خطی است درحالی که این دیاگرام برای لمینیتهای الیاف 12K دارای یک تغییر شیب قابل توجه و تخریب سفتی میباشد که به رفتار زانویی معروف است و عامل ایجاد آن ایجاد ترک عرضی ماتریس در جهت عمود بر بارگذاری میباشد.

کلمات کلیدی: لمینیت کربن/اپوکسی، تراکم دسته الیاف، تست کشش، تخریب سفتی، رفتار زانویی

مقدمه

افزایش چشمگیر کامپوزیتهای الیاف کربن در صنایع مختلف به ویژه در صنایع دریایی، اهمیت بررسی خواص مکـانیکی و اسـتحکام ایـن مـواد را نشان می دهد. این افزایش کاربرد کامپوزیت های الیاف کربن به علت دارا بودن نسبت استحکام به وزن و سفتی به وزن بـالا و خـواص مناسـب در برابر بارهای خستگی آن ها می باشد .[1] استفاده از الیاف کربن در ابتدای امر با تراکم 3K یعنی 3000 تار در یک دسته الیاف مـورد توجـه قـرار گرفت اما میل به ساخت شناورهای کامپوزیتی با طولهای بالاتر و همچنین به علت جایگزینی قطعات و وسایل کـامپوزیتی در نـواحی دارای تـنش های بالا مانند پروانه کامپوزیتی استفاده از الیاف با تراکم بالاتر بیشتر مورد توجه قرار گرفت. به همین دلیل تحقیقات در زمینه خواص مکـانیکی و استحکامی در لمینیتهای الیاف کربن مورد توجه قرار گرفت و همچنان نیز ادامه دارد. تحقیقات فراوانی در زمینه رفتار لمینیتهای الیـاف کـربن وجود دارد که می توان به کارایاکا و کوراس[2] 1 در سال 1994 و مائو و همکارانش[3] 2 در سـال 2012 اشـاره کـرد. در ایـن مقـالات مطالعـات تجربی بر روی الیاف کربن 3K انجام و رفتار خطی در دیاگرام تنش-کرنش آنها گزارش شده است. سابقه مطالعـات تحلیلـی جهـت بررسـی رفتـار لمینیت ها بیشتر می باشد اما نقطه عطف محاسبات نحلیلی به تحقیقات نایک[4] 3و[5] بازمی گردد. در بررسی های تحلیلی سابقه مطالعـه رفتـار لمینیتهای با تراکم 12K یعنی 12000 تار در یک دسته الیاف شیشه به سال 1982 بازمی گردد جایی که ایشیکاوا و چو[6] 4 با استفاده از روش تئوری نشان داد که در دیاگرام تنش-کرنش این لمینیتها تغییر شیب وجود دارد و به آن رفتار زانویی5 اطلاق شـد و در مقالـه دیگـری [7] نتـایج تئوری خود را با نتایج تجربی در الیاف شیشه/پلیماید نشان داد. ایجاد خرابی در الیاف پود که عمود بر راستای بارگذاری می باشـند موجـب ایجـاد رفتار زانویی می شوند که این امر در مطالعات تحلیلی [8] [5] گزارش شده است. پارامتری که می توان آن را در اکثر مطالعات مشاهده کرد ضریب موجی6 می باشد این ضریب نسبت ضخامت الیاف را به طول تارها نشان می دهد. در سال 1996 وایکامب و سریرنگان[9] 7 با مطالات تحلیلی خود نشان دادند که افزایش میزان ضریب موجی لایه های لمینیت می تواند موجـب ایجـاد رفتـار زانـویی در دیـاگرام تـنش – کـرنش شـود. اوسـادا و

همکارانش[10]8 در سال 2003 مقاله ای ارائه دادند و به تشریح کامل رفتار زانویی پرداختند و نقاط زانویی در دیاگرام تنش-کرنش را متنـاظر بـا اتفاق افتادن ترک عرضی در الیاف پود دانسته است. در سال 2004 نیز نیکولتو وریوا[11] 9 در تحقیقی بر روی الیاف کربن بـا بافـت جنـاغی 3K

رفتار مواد را خطی گزارش نموده اند اما با استفاده از روش اجزای محدود نشان دادند که افزایش ضریب موجی موجب ایجاد تغییر شیب در دیاگرام تنش-کرنش می شود. در سال های اخیر نیز استفاده از روش های پیشرونده خرابی جهت مـدل سـازی تحلیلـی رفتـار زانـویی در لمینیـت هـای کامپوزیتی ادامه دارد [12] که با نتایج تجربی نیز مقایسه شده اند.[13]

تست کشش

یکی از بخش های مهم در انجام تست کشش ساخت نمونه می باشد. در تعیین خواص مکانیکی و استحکامی نمونه های تست، پارامترهای مختلفی تاثیرگذار می باشند که دو پارامتر اساسی در این حوزه عبارتند از خصوصیات مواد بکار گرفته شده اهم از الیاف و رزین و تکنولوژی بکار رفته در ساخت نمونه. در دهه اخیر بکارگیری الیاف کربن در صنعت دریایی افزایش چشمگیری داشته است و برای دست یابی به شناورهای کامپوزیتی با طول های بالا و نیز همچنین در ساخت قطعات کامپوزیتی در صنایع دریایی جهت سبک سازی وزن کاربردهای وسیعی یافته است. به همین منظور در این مقاله سعی بر آن شده از موادی که کاربرد وسیعی در صنایع دریایی دارد استفاده شود. رزین متناسب با این الیاف در اکثر کاربردهای صنعتی نیز رزین اپوکسی می باشد. به همین دلیل جهت انجام تست از نمونه های کربن/اپوکسی استفاده شده است. این نوع کامپوزیت ها دارای نسبت استحکام به وزن و سفتی به وزن بالایی می باشند و در فرایند سبک سازی شناور دارای قابلیت بالایی بوده و همچنین از استحکام بالایی برخوردار بوده و می توان در شناورهای با طول بالا نیز از آن ها استفاده کرد و تنها عاملی که موجب کاهش کاربرد این نوع کامپوزیت ها نسبت به کامپوزیت های شیشه/پلی استر می شود قیمت نسبتا بالاتر آن ها می باشد.در این مقاله از دو نوع بافت الیاف که بیشترین کاربرد را در صنایع دریایی دارد استفاده شده است.در نوع بافت اول الیاف تار و پود به صورت یک در میان از زیر و روی همدیگر عبور می نمایند که به آن بافت ساده10

اتلاق می شود و از رایج ترین بافت هایی است که در ساخت بدنه شناورها مورد استفاده قرار می گیرد. نوع دوم بافت الیاف تار و پود به صورت دوتازیر دوتا رو می باشد که به آن بافت جناغی11 گفته می شود که این بافت بیشتر در ساخته قطعات کامپوزیتی در صنایع دریای بکار می رود که از این جمله موارد کاربرد می تو.ان به ساخت پروانه کامپوزیتی اشاره کرد. علاوه بر بافت، پارامتر دیگری که در خصوصیات استحکامی لمینیت ها موثر است تراکم الیاف می باشد که در این میان الیاف 200 و 600 گرم بر متر مربع مورد بررسی قرار گرفته است. الیاف 200 گرم بر متر مربع

(3K) بیشتر در صنایع کاربرد دارد اما برای ساخت بخش هایی که تنش های بالاتری را تحمل می نمایند از الیاف 600 گرم بر متر مربع (12K)
استفاده می شود. همچنین بکارگیری الیاف 12K به علت استفاده از تعداد لایه کمتر جهت رسیدن به یک ضخامت یکسان نسبت به الیاف 3K از سهولت در فرایند ساخت بیشتری برخوردار می باشد. در شکل -1الف نمونه ای از الیاف جناغی 12K و در شکل-1ب نمونه ای از الیاف ساده 3K نشان داده شده است. الیاف کربن بکار رفته در این تحقیق الیاف کربنT700,TORAYCATبوده و از رزین اپوکسی رزین اپوکسی Araldite LY 5052 و سخت کننده Aradur 5052از شرکت Huntsmanبا نسبت ترکیب (100/38)استفاده شده است.

شکل(:(1 بافتهای کامپوزیت الف: بافت جناغی، ب: ساده

2

_

پارامتر دیگری که در تعیین خواص مکانیکی و استحکامی نمونه های تست موثر است تکنولوژی بکار رفته در ساخت نمونه می باشد. روش سنتی لایه گذاری دستی به علت سهولت در فرآیند ساخت و عدم نیاز به تجهیزات خاص، یکی از پرکاربردترین روش های ساخت در صنایع مختلف می باشد اما عدم یکنواختی در نمونه و نیز درصد حجمی پایین الیاف موجب کاهش در خواص مکانیکی نمونه در این روش می شود. با توجه به کاربردهای لمینیت های کربن/اپوکسی در نواحی پرتنش نیاز به کیفیت ساخت و خواص مکانیکی و استحکامی بالا دارد که با توجه به قیمت بالاتر این مواد نسبت به مواد کامپوزیتی دیگر استفاده از فرآیندهای پیشرفته تر در ساخت جهت دست یابی به خواص مکانیکی بالا اجتناب ناپذیر می باشد به همین دلیل از روش تزریق خلا 12(VIP) جهت ساخت نمونه ها استفاده شده است. زمان پخت نمونه ها در دمای محیط 6 تا 8 ساعت می باشد.پس از پایان مراحل ساخت پانل نمونه و برش آن، نوار آلومینیومی بوسیله رزین به دو سمت انتهایی نمونه چسبانده می شود.این نوار آلومینیومی موجب جلوگیری از سر خوردن نمونه در دستتگاه تست و دمبل شکل شدن نمونه در جهت ضخامت و نتیجتا عدم وقوع شکست در فک دستگاه می شود. در شکل 2 نمونه های تست را قیل و بعد از اتصال نوار آلو مینیومی نشان می دهد.

شکل(:(2 نمونه های برش خورده تست قبل و بعد اتصال نوار آلومینیومی

نمونههای کامپوزیتی جهت انجام تست کشش در 6 لمینیت با ویژگیهای متنوع ساخته شد که با کدهایA0 تاA5 در نظر گرفته شدهاند. تمامی لمینیتها دارای ابعاد 35×35 سانتی متر مربع می باشند. در جدول 1 مشخصات تمامی لمینیت ها آورده شده است.

جدول(:(1 مشخصات لمینیتهای ساخته شده
کد لمینیت نوع بافت پارچه چگالی سطحی پارچه تراکم الیاف تعداد لایه ضخامت لمینیت درصدحجمی الیاف
(گرم بر مترمربع) (میلی متر) (%)

نمونه A2 به دلیل عدم استفاده از توری در فرآیند تزریق خلا دچار عدم کیفیت ساخت نمونه شده و تست کشش بر روی 5 لمینیـت دیگـر انجـام شده است. تست کشش ساده در این مقاله مطابق با استاندارد ASTM D3039 انجام شـده اسـت. بـدین منظـور نمونـه هـای سـاخته شـده بـا مشخصات مکانیکی مطابق جدول 1 تحت تست کشش قرار گرفته اند که برای این کار از دستگاه تست کشش INSTRONاستفاده شده است.در شکل 3نمایی از دستگاه تست کشش را مشاهده می نمایید که نمونه لمینیت A04 در آن آماده انجام تست کشش می باشد.

_

شکل : 3 نمایی از دستگاه تست کشش
نتایج تست و بحث و بررسی

در شکل 4 و 5 دیاگرام تنش – کرنش نمونه های A1 و A5 آورده شده است. در این دیاگرام ها دو لمینیت کربن اپوکسی با الیاف 3K و بافت ساده با هم مقایسه شده اند که تعداد لایه های آن ها متفاوت می باشند. رفتار مکانیکی این مواد نیز به صورت افزایش خطی در دیاگرام تنش – کرنش دیده می شود تا اینکه در نقطه خرابی به صورت خرابی ناگهانی13 اتفاق می افتد. در حالی که در شکل 6 و 7 دیاگرام تنش – کرنش نمونه های A3 و A4 آورده شده است. نمونه های A3 و A4 لمینیت های کربن/اپوکسی جناغی 12K می باشند. در این دیاگرام رفتار ماده به صورت خطی افزایش می یابد تا اینکه در یک مقدار مشخصی خرابی آغاز شده و شکستی در دیاگرام دیده می شود که به این خروج از رفتار خطی دیاگرام تنش- کرنش "رفتار زانویی" نامیده می شود. در شکل 8 نیز دیاگرام تنش – کرنش نمونه الیاف ساده 12K نمایش داده شده استکه این رفتار زانویی در آن نیز به وضوح دیده می شود.

شکل : 4 دیاگرام تنش – کرنش نمونه A1 الیاف ساده 3K