فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:161
پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد
گرایش شناسایی، انتخاب و روش ساخت مواد مهندسی
فهرست مطالب:
عنوان صفحه
مقدمه 1
فصل اول: مروری بر تحقیقات پیشین 6
1-1- سازه‌های مشبک کامپوزیتی 7
1-1-1- معرفی سازه‌های کامپوزیتی و سازه‌های مشبک کامپوزیتی 7
1-1-2- تاریخچه سازه‌های مشبک کامپوزیتی 14
1-1-3- روش‌های ساخت سازه‌های مشبک کامپوزیتی 18
1-1-4- کاربرد سازه‌های مشبک کامپوزیتی 21
1-1-5- بررسی قابلیت جذب انرژی و مقاومت خمشی صفحات مشبک کامپوزیتی 23
1-2- پلیمرها و کامپوزیت‌های خودترمیم‌شونده 28
1-2-1- معرفی و تاریخچه مواد خودترمیم‌شونده 28
1-2-2- روند خودترمیمی در پلیمرها 31
1-2-2-1- طراحی مواد خود ترمیم شونده 31
1-2-2-2- انواع مکانیزم‌های خودترمیمی در پلیمرها 31
1-2-2-2-1- خودترمیمی ذاتی در پلیمرها 31
1-2-2-2-2- خودترمیمی غیرذاتی در پلیمرها 38
1-2-2-2-3- ارزیابی بازده خودترمیمی 43
1-2-3- مروری بر کامپوزیت‌های پلیمری خودترمیم‌شونده حاوی الیاف توخالی 44
1-2-4- کاربرد پلیمرها و کامپوزیت‌های خودترمیم‌شونده 54
1-2-4-1- پوشش‌های ضدخراش 54
1-2-4-2- صنایع پزشکی 55
1-2-4-3- صنایع هوافضا 55
1-2-4-4- صنایع نفت، گاز و پتروشیمی 56
1-2-4-5- سایر کاربردها 56
1-3- اهداف اصلی از انجام پژوهش 57
فصل دوم: مواد، تجهیزات و روش‌های آزمایش 58
2-1- معرفی مواد 59
2-1-1- رزین اپوکسی 59
2-1-2- الیاف و پارچه شیشه 61
2-1-3- لوله‌های موئین شیشه‌ای 63
2-1-4- سیلیکون قالب‌گیری 65
2-2- تجهیزات آزمایش 66
2-2-1- تجهیزات مورد نیاز برای قالب‌گیری 66
2-2-2- تجهیزات مورد نیاز برای ساخت نمونه کامپوزیت مشبک 68
2-2-3- نگهدارنده آزمون خمش سه‌نقطه‌ای 70
2-2-4- دستگاه آزمون خمش سه‌نقطه‌ای 73
2-2-5- سیستم اعمال فشار بر روی نمونه‌های کامپوزیتی مشبک 74
2-3- روش انجام آزمایش 74
2-3-1- ساخت قالب سیلیکونی 76
2-3-2- روش ساخت نمونه‌های کامپوزیتی مشبک خودترمیم‌شونده 79
2-3-2-1- محاسبات مربوط به وزن و درصد حجمی مواد مورد نیاز برای ساخت نمونه 79
2-3-2-2- برش الیاف و پارچه شیشه 83
2-3-2-3- ساخت شبکه خودترمیم‌شونده 83
2-3-2-4- ساخت نمونه کامپوزیت‌مشبک (خودترمیم‌شونده و شاهد) 85
2-3-2-5- کدگذاری نمونه‌ها 89
2-3-3- تخریب نمونه‌های خودترمیم‌شونده 92
2-3-4- آزمون خمش سه‌نقطه‌ای 93
فصل سوم: نتایج و بحث 94
3-1- نتایج آزمون خمش نمونه‌های کامپوزیت مشبک 95
3-1-1- نمونه‌های شاهد 95
3-1-2- نمونه‌های خودترمیم‌شونده 108
3-1-2-1- تخریب نمونه‌های خودترمیم‌شونده 108
3-1-2-2- محاسبه بازده ترمیم و تعیین درصد حجمی بهینه مواد خودترمیم‌شونده 111
3-1-2-3- تعیین مدت‌زمان بهینه مورد نیاز برای ترمیم 120
3-2- نتایج آزمون خمش نمونه‌های اپوکسی مشبک 121
3-2-1- نمونه‌های شاهد 121
3-2-2- نمونه‌های خودترمیم‌شونده 125
3-2-2-1- تخریب نمونه‌های خودترمیم‌شونده 125
3-2-2-2- محاسبه بازده ترمیم و تعیین درصد حجمی بهینه مواد خودترمیم‌شونده 127
3-2-2-3- تعیین مدت‌زمان بهینه مورد نیاز برای ترمیم 137
فصل چهارم: نتیجه‌گیری و پیشنهادها 138
4-1- نتیجه‌گیری 139
4-2- پیشنهادها 141
مراجع 142
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 1-1- اجزای اصلی تشکیل‌دهنده یک سازه مشبک 10
شکل 1-2- پارامترهای هندسی موثر در طراحی یک سازه مشبک کامپوزیتی 11
شکل 1-3- سازه مشبک نوع مثلثی (ایزوگرید) 12
شکل 1-4- سازه مشبک نوع شش‌ضلعی (انیزوگرید) 12
شکل 1-5- الگوهای هندسی سازه‌های مشبک 13
شکل 1-6- انواع سازه‌های مشبک کامپوزیتی 14
شکل 1-7- برج رادیویی شخوف (1921) 16
شکل 1-8- نمایی از سازه‌های مشبک فلزی در بمب‌افکن ولینگتون انگلیسی (1930) 17
شکل 1-9- هسته فومی مورد استفاده در فرآیند رشته‌پیچی سازه مشبک کامپوزیتی 19
شکل 1-10- قالب‌های لاستیکی شیاردار مخصوص رشته‌پیچی سازه مشبک کامپوزیتی 19
شکل 1-11- قالب پلاستیکی ساخت کامپوزیت مشبک صفحه‌ای ایزوگرید، و روش رشته‌پیچی صفحه‌ای 20
شکل 1-12- تجهیزات آزمایشگاهی برای انجام آزمون خمش سه¬نقطه-ای 25
شکل 1-13- منحنی نیرو-جابجایی پنل مشبک کامپوزیتی ایزوگرید تحت آزمون خمش سه‌نقطه‌ای 25
شکل 1-14- نمودار نیرو-جابجایی آزمون خمش سه‌نقطه‌ای پنل ایزوگرید پلی¬پروپیلن- الیاف شیشه E 26
شکل 1-15- تجهیزات آزمایشگاهی برای انجام آزمون ضربه دینامیکی 27
شکل 1-16- رویکردهای فرآیند خودترمیمی الف) ذاتی، ب) آوندی و پ) کپسولی 29
شکل 1-17- طراحی چرخه ترمیم در پلیمرهای خودترمیم‌شونده ذاتی 33
شکل 1-18- نسل جدید پلیمرهای خودترمیم‌شونده نوری 35
شکل 1-19- چگونگی ترمیم یک پلیمر گرماسخت با استفاده از عامل ترمیم گرمانرم 36
شکل 1-20- مراحل ترمیم هیدروژل یوریوپیریمدینون 37
شکل 1-21- نمایی از فرآیند ترمیم در حضور کپسول‌ها (میکروکپسول‌ها) و کاتالیزورها 39
شکل 1-22- شماتیکی از خودترمیمی با استفاده از الیاف توخالی 40
شکل 1-23- طرح شماتیک شبکه‌های آوندی 42
شکل 1-24- (الف) الیاف کربن توخالی و (ب) الیاف شیشه توخالی 44
شکل1-25- مکانیزم خودترمیمی در کامپوزیت‌های پلیمری خودترمیم‌شونده برمبنای الیاف توخالی 45
شکل 1-26- روش پرکردن الیاف شیشه توخالی با رزین رقیق‌شده و به‌کمک خلاً 46
شکل 1-27- (الف) کامپوزیت لایه‌ای شیشه/اپوکسی حاوی الیاف توخالی و (ب) ردیابی مناطق درحال ترمیم با روش ردیابی ماورای بنفش 47
شکل 1-28- (الف) توزیع آسیب در کامپوزیت لایه‌ای (تورقی شدن)، (ب) ورود رزین حاوی رنگ فلورسنت به ترک‌ها، (پ) آغاز تورقی‌شدن از فصل مشترک الیاف توخالی و کامپوزیت و (ت) رشد ترک در امتداد فصل مشترک 48
شکل 1-29- ابعاد نمونه کامپوزیت خودترمیم‌شونده حاوی لوله‌های موئین شیشه‌ای 49
شکل 1-30- ناحیه تورقی‌شده و الیاف توخالی شکسته‌شده در نمونه تحت ضربه با انرژی 4ژول 50
شکل 1-31- لایه میانی خودترمیم‌شونده، رزین (آبی رنگ) و هاردنر (قرمز رنگ) و محل قرارگیری لایه در ساندویچ پنل کامپوزیتی 51
شکل 1-32-نمونه‌های ترمیم‌شده پس از تخریب ضربه‌ای 51
شکل 1-33- الگوی موازی و زیگزاگی شبکه‌های سه‌بعدی الیاف توخالی در کامپوزیت 52
شکل 1-34- (الف) مکانیزم خودترمیمی در واکنش شیمیایی کلیکی فعال‌شونده با اشعه ماورای بنفش در لوله‌های موئین، (ب) نمونه‌ای از کامپوزیت خودترمیم‌شونده و (پ) طرحی از واکنش پلیمری ترمیم کلیکی و ایجاد اتصالات عرضی پس از تابش اشعه ماورای بنفش 53
شکل 1-35- فرآیند پرکردن لوله‌های موئین و ساخت کامپوزیت خودترمیم‌شونده 54
شکل 1-36- اصول کار پوشش ضدخراش طراحی‌شده توسط نیسان موتور در مقایسه با پوشش‌های معمولی 55
شکل 1-37- شماتیکی از خودترمیمی برمبنای استفاده از پلیمر جاذب آب در تایر 56
شکل 2-1- الیاف رووینگ تک‌جهته شیشه سری E 62
شکل 2-2- پارچه شیشه سری E دارای بافت تاروپود ساده 63
شکل 2-3- تصویر میکروسکوپ نوری از مقطع لوله‌های موئین شیشه‌ای 64
شکل 2-4- نمای طولی از لوله‌های موئین شیشه‌ای 64
شکل 2-5- الگوی طراحی‌شده شبکه انیزوگرید برای ساخت شابلون قالب‌گیری 67
شکل 2-6- شابلون قالب‌گیری از جنس PVC 68
شکل 2-7- (الف) بشر مخصوص اختلاط رزین و هاردنر و (ب) غلتک مخصوص لایه‌گذاری دستی 69
شکل 2-8- شمای کلی و ابعاد نگهدارنده آزمون خمش سه‌نقطه‌ای با استاندارد ASTM D7264 71
شکل 2-9- تغییرحالت نگهدارنده آزمون خمش برای رعایت ملزومات استانداردهای مختلف خمش 73
شکل 2-10- دستگاه آزمون خمش و قرارگیری نگهدارنده خمش بر روی آن 74
شکل 2-11- نمودار درختی پروژه کامپوزیت مشبک خودترمیم‌شونده 75
شکل 2-12- مراحل ساخت قالب سیلیکونی 78
شکل 2-13- (الف) الیاف رووینگ شیشه مخصوص ریب‌های هلیکال و (ب) الیاف رووینگ شیشه مخصوص ریب‌های طولی 80
شکل 2-14- الیاف رووینگ شیشه بریده‌شده برای ساخت نمونه کامپوزیت مشبک 83
شکل 2-15- شبکه‌های خودترمیم‌شونده مورد استفاده در ساخت نمونه 84
شکل 2-16- روند ساخت نمونه کامپوزیت مشبک خودترمیم‌شونده 88
شکل 2-17- روش کدگذاری نمونه‌ها 89
شکل 2-18- تصویر برخی از نمونه‌های اپوکسی مشبک خودترمیم‌شونده آماده برای آزمون خمش 91
شکل 2-19- فرآیند تخریب کنترل‌شده و تخلیه لوله‌های موئین درون ترک‌های ایجاد شده در ریب‌ها 92
شکل 2-20- نمونه کامپوزیتی مشبک تحت آزمون خمش سه‌نقطه‌ای طبق استاندارد ASTM D7264 93
شکل 3-1- نمودار نیرو-جابجایی نمونه شاهد تحت خمش سه‌نقطه‌ای 96
شکل 3-2- توزیع شماتیک تنش در نمونه‌های کامپوزیتی مشبک تحت بار خمشی 97
شکل 3-3- تنش‌های کششی و فشاری غیرهم‌جهت و جدایش فصل مشترک بین لایه‌ها تحت آزمون خمش 98
شکل 3-4- طرح شماتیک حالات ممکن شکست کامپوزیت تحت بارگذاری خمش سه‌نقطه‌ای 99
شکل 3-5- مکانیزم شکست الیاف پیوسته تقویت‌کننده ریب‌های طولی تحت نیروی کششی 100
شکل 3-6- حالت I شکست (تحت بارکششی) در کامپوزیت‌های زمینه پلیمری تقویت‌شده با الیاف پیوسته 101
شکل 3-7- نمونه کامپوزیت مشبک شاهد در لحظه شکست ریب‌های طولی و حداکثر بار خمشی 102
شکل 3-8- تصویر میکروسکوپ نوری از سطح شکست الیاف شیشه در اثر شکست کششی در ریب طولی 103
شکل 3-9- لایه‌لایه شدن ریب‌ها در اثر تنش‌های برشی بین لایه‌ای در ناحیه 2 104
شکل 3-10- نمونه کامپوزیت مشبک در ناحیه 3 آزمون خمش سه‌نقطه‌ای 105
شکل 3-11- لایه‌لایه شدن و کمانش موضعی پوسته تحت تنش‌های فشاری ناشی از خمش 106
شکل 3-12- طرح شماتیک مکانیزم کمانش موضعی پوسته تحت تنش‌های فشاری ناشی از خمش 106
شکل 3-13- (الف) وقوع شکست نهایی در نمونه کامپوزیتی مشبک و (ب) شکست نهایی پوسته در مرحله 4 107
شکل 3-14- نمودار نیرو-جابجایی فرآیند تخریب نمونه AGSC-R30-HA8-D7 109
شکل 3-15- فرآیند تخریب نمونه کامپوزیتی خودترمیم‌شونده و تخلیه لوله‌های موئین درون ترک سطحی 110
شکل 3-16- نفوذ مواد خودترمیم به سطح ریب‌های طولی در نمونه‌های خودترمیم‌شونده 111
شکل 3-17- نمودار نیرو-جابجایی آزمون خمش نمونه‌های AGSC-R30-HA5-D0/3/7 112
شکل 3-18- نمودار نیرو-جابجایی آزمون خمش نمونه‌های AGSC-R30-HA8-D0/3/7 113
شکل 3-19- نمودار نیرو-جابجایی آزمون خمش نمونه‌های AGSC-R30-HA11-D0/3/7 114
شکل 3-20- حداکثر بارخمشی نمونه‌های خودترمیم‌شونده براساس تغییردرصد حجمی مواد خودترمیم 116
شکل 3-21- بازده ترمیم حداکثر بار خمشی در نمونه‌های کامپوزیت مشبک خودترمیم‌شونده 117
شکل 3-22- بازده ترمیم متوسط نمونه‌های خودترمیم‌شونده پس از ترمیم‌های 3 و 7روزه 120
شکل 3-23- حداکثر بارخمشی قابل تحمل نمونه‌های خودترمیم‌شونده براساس تغییر مدت‌زمان ترمیم 121
شکل 3-24- نمودار نیرو-جابجایی نمونه شاهد تحت خمش سه‌نقطه‌ای 122
شکل 3-25- جدایش ریب‌ها از پوسته در ناحیه تمرکز بار خمشی در نمونه شاهد 124
شکل 3-26- خمش Uشکل پوسته در لحظه اتمام آزمون خمش نمونه شاهد و عدم شکست آن 125
شکل 3-27- ترک ایجاد شده دراثر تخریب در نمونه اپوکسی مشبک و نفوذ ماده خودترمیم به درون آن 126
شکل 3-28- نمودار نیرو-جابجایی فرآیند تخریب نمونه AGSC-R0-HA11-D3 127
شکل 3-29- نمودار نیرو-جابجایی آزمون خمش نمونه‌های AGSC-R0-HA5-D0/3/7 128
شکل 3-30- تصویر ماکروسکوپی از ترک ترمیم‌شده در نمونه AGSC-R0-HA5-D7 129
شکل 3-31- تصویر میکروسکوپ نوری از ترک ترمیم‌شده در نمونه AGSC-R0-HA5-D7 130
شکل 3-32- نمودار نیرو-جابجایی آزمون خمش نمونه‌های AGSC-R0-HA8-D0/3/7 131
شکل 3-33- نمودار نیرو-جابجایی آزمون خمش نمونه‌های AGSC-R0-HA11-D0/3/7 132
شکل 3-34- حداکثر بارخمشی نمونه‌های خودترمیم‌شونده براساس تغییردرصد حجمی مواد خودترمیم 133
شکل 3-35- بازده ترمیم حداکثر بار خمشی در نمونه‌های اپوکسی مشبک خودترمیم‌شونده 134
شکل 3-36- بازده ترمیم متوسط نمونه‌های خودترمیم‌شونده پس از ترمیم‌های 3 و 7روزه 135
شکل 3-37- حداکثر بارخمشی قابل تحمل نمونه‌های خودترمیم‌شونده براساس تغییر مدت‌زمان ترمیم 137
فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 1-1- برخی از کاربردهای سازه‌های مشبک کامپوزیتی 21
جدول 1-2- میزان جذب انرژی ویژه پنل ایزوگرید کامپوزیتی پلی¬پروپیلن- الیاف شیشه E 26
جدول 2-1- خواص فیزیکی و ظاهری رزین اپوکسی ML-526 59
جدول 2-2- مشخصات پخت رزین اپوکسی ML-526 60
جدول 2-3- خواص مکانیکی رزین اپوکسیML-526 60
جدول 2-4- مشخصات فیزیکی و مکانیکی رووینگ تک‌جهته شیشه سری E 61
جدول 2-5- مشخصات فیزیکی و مکانیکی پارچه شیشه سری E 62
جدول 2-6- مشخصات فیزیکی و مکانیکی لوله‌های موئین شیشه‌ای 65
جدول 2-7- مشخصات سیلیکون قالب‌گیری 66
جدول 2-8- ابعاد قالب سیلیکونی و مشخصات نمونه‌های کامپوزیتی 79
جدول 2-9- وزن و طول تک‌الیاف تقویت‌کننده ریب‌های هلیکال و طول 81
جدول 2-10- وزن رزین و هاردنر مورد نیاز برای ساخت یک نمونه کامپوزیت مشبک 81
جدول 2-11- تعداد واحدهای خودترمیمی مورد استفاده در ساخت شبکه‌های خودترمیمی 84
جدول 2-12- مشخصات کامل نمونه‌های کامپوزیتی مشبک 90
جدول 2-13- ملزومات آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌های کامپوزیت مشبک با استاندارد ASTM D7264 93
جدول 3-1- نتایج آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌های شاهد AGSC-R30-HA0-D0 96
جدول 3-2- نتایج آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌های خودترمیم‌شونده حاوی 5%حجمی مواد خودترمیم 112
جدول 3-3- نتایج آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌های خودترمیم‌شونده حاوی 8%حجمی مواد خودترمیم 113
جدول 3-4- نتایج آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌های خودترمیم‌شونده حاوی 11%حجمی مواد خودترمیم 114
جدول 3-5- نتایج آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌های شاهد AGSC-R0-HA0-D0 122
جدول 3-6- نتایج آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌های خودترمیم‌شونده حاوی 5%حجمی مواد خودترمیم 128
جدول 3-7- نتایج آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌های خودترمیم‌شونده حاوی 8%حجمی مواد خودترمیم 131
جدول 3-8- نتایج آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌های خودترمیم‌شونده حاوی 11%حجمی مواد خودترمیم 132
چکیده
سازه‌های مشبک کامپوزیتی نسل جدیدی از مواد کامپوزیتی پیشرفته هستند که با توجه به طراحی منحصربفردی که دارند، از استحکام و سفتی ویژه بالا، و جذب انرژی فوق‌العاده خوبی برخوردار هستند. خواص مکانیکی قابل توجه و کاربردهای چندمنظوره، موجب جلب توجه صنایع هوافضا، نظامی، نفت و گاز، ساختمانی و... به این سازه‌های پیشرفته شده است. قرارگیری سازه‌های مشبک کامپوزیتی در معرض بارگذاری‌های شدید در شرایط کاری، تشکیل ریزترک‌های ساختاری را در این مواد ناگزیر می‌کند. با توجه به این که ردیابی و تعمیر ترک‌های ایجاد شده در این سازه‌ها در شرایط کاری امری دشوار است، باید از موادی استفاده شود که قابلیت ترمیم خودکار عیوب را داشته باشند. تحت این شرایط استفاده از مواد خودترمیم‌شونده در سازه‌های مشبک کامپوزیتی منجر به کاهش چشمگیر هزینه‌های سنگین تعمیرات و نگهداری در صنایع مختلف و افزایش بهره‌وری سازه‌های مشبک خواهد شد.
در این پژوهش، پنل‌های مشبک کامپوزیتی اپوکسی/الیاف شیشه حاوی مواد خودترمیم‌شونده و با الگوی انیزوگرید ساخته شده و تحت آزمون خمش سه‌نقطه‌ای قرار گرفتند. سیستم خودترمیم‌شونده شامل مجموعه‌ای از لوله‌های موئین شیشه‌ای بوده که با رزین اپوکسی (ML-526) و هاردنر آمینی (HA-11) به عنوان عامل ترمیم پر شدند. در ادامه تاثیر تغییر درصد حجمی مواد خودترمیم‌شونده (5، 8 و 11 درصد حجمی) و تغییر مدت زمان ترمیم (3 و 7 روز) بر بازیابی حداکثر بار خمشی نمونه‌های ترمیم‌شده پس از تخریب شبه استاتیک، بررسی شده است. نتایج آزمون خمش نشانگر آن است که بیشترین بازده ترمیم (84%) در نمونه‌های کامپوزیت مشبک حاوی 8 درصد حجمی مواد خودترمیم‌شونده و پس از ترمیم 7 روزه مشاهده شده است.
کلمات کلیدی: سازه مشبک کامپوزیتی، خودترمیم‌شونده، آزمون خمش سه‌نقطه‌ای، لوله‌های موئین شیشه‌ای