اثر الیاف توخالی خودشفا بر خواص مکانیکی کامپوزیت های پلیمری The effect of self-healing hollow fibres on the mechanical properties of polymer composites
- نوع فایل : کتاب
- زبان : فارسی
- ناشر : IOPscience
- چاپ و سال / کشور: 2010
توضیحات
رشته های مرتبط: مهندسی پلیمر، مهندسی نساجی، کامپوزیت، نانو فناوری پلیمر، نساجی و علوم الیاف
مقدمه ساختارهای کامپوزیت پلیمر-الیاف به لایه لایه شدگی ترک خوردگی ناشی از ضربه، بارهای ضخیم مستقیم، تنش های لبه، تخریب محیطی و دیگر رویدادهای مخرب آسیب پذیر می باشد. ترک های لایه لایه بین چند لایه می تواند به شدت خواص ساختاری مواد کامپوزیت، مانند مقاومت تراکمی و عمر خستگی را کاهش دهد. آسیب لایه لایه شدگی در مفاصل کامپوزیت پیوندی می تواند مقاومت کششی وعمر خستگی را پایین بیاورد. روش های مختلفی برای جلوگیری از شروع و/یا رشد ترک های لایه لایه در قطعات (پانل های) کامپوزیت و مفاصل پیوندی، شامل سیستم های رزین سخت، جایگذاری گرمانرم، و تقویت مستقیم ضخامت با بافندگی، بخیه زدن یا اتصال سه بعدی توسعه یافته است. اگرچه این روش ها در ترک خوردگی لایه لایه مقاومتی مرثر هستند، اما هر گونه رشد آسیب باید بدون تعمیر باقی بماند تازمانی که قطعه از سرویس خارج شود. یک جواب برای آسیب لایه لایه شدگی فرایند تعمیر ارادی خودشفا می باشد، که با پراکنده کردن مجرا های کوچک حاوی کاتالیست و سیال شفابخش با ویسکوزیته کم به داخل ماتریس پلیمر [۱-۳] حاصل می شود. خودشفایی اساسا با رشد لایه لایه مجرا ها را پاره می کند و درنتیجه عامل شفابخش مایع را به داخل ترک آزاد می کند. عامل شفابخش در داخل ترک به وسیله واکنش با کاتالیزگر، که به عنوان یک سیال در مجرای جداگانه یا به عنوان ذرات جامد در ماتریس ذخیره شده است، پلیمریزه (ترکیب) می شود. با انتخاب و پراکندگی مناسب عامل شفابخش و کاتالیست، تعمیر ترک ها و دستیابی به بازیابی مناسب در خواص مکانیکی پلیمرها، پوشش های پلیمری و کامپوزیت های پلیمری امکان پذیر می باشد (برای مثال، [۱ – ۱۲]). سیستم های خودشفای اصلی از کپسول های کوچک برای ذخیره سازی عامل شفابخش مایع استفاده می کنند. کپسول ها به طور معمول در اندازه های ۱۰-۵۰۰ μm هستند، که در ماتریس پلیمری به محتویات حجمی بین ۲% و ۲۰% پراکنده می شوند [۲, ۳]. چندین محدودیت در استفاده از کپسول ها وجوددارد، مانند محدودیت منابع سیال خودشفا برای تعمیر ترک های بزرگ و این که این عامل ها یک بار مصرف هستند. توجه زیادی به الیاف توخالی برای انتقال و ذخیره سازی رزین وجوددارد، که شفابخشی ارادی سیستم های زنده با سیستم شبکه مجرایی از مجرا های نازک را تقلید می کند. شبکه های ریزمجرا با استفاده از الیاف توخالی نازک القایی در مواد کامپوزیت مکانیزم خونریزی در سیستم های بیولوژیکی را تقلید می کنند. وقتی الیاف توخالی شکسته می شود سیال خودشفا به داخل ترک آزاد می شود تا ماده را درمان کند و شفا بخشد [۲, ۳, ۱۳ – ۲۷]. Toochey et al [7] نشان داد که سیستم های مجرادار بازپرسازی پیوسته سیال های خودشفا به نواحی آسیب دیده را از منبع بیرونی قادر می سازد. این بازپرسازی با کپسول ها و دیگر مجراهای ذخیره سازی محصور امکان پذیر نمی باشد. علاوه بر خودشفایی، الیاف توخالی عملکردهای دیگری در مواد کامپوزیت، مانند خنک کنندگی از طریق انتقال سیال های خنک یا حس کردن با استفاده از رنگ های فلوئورسانس [۲, ۱۸, ۲۰, ۲۴] نیز دارا می باشد. الیاف توخالی معمولا ۴۰-۲۰۰ μm قطر دارند، اگرچه اندازه های کوچک تر و بزرگ تر نیز بکار رفته است، و الیاف ها در سطح مشترک بین لایه ها که درآن ترک خوردگی لایه لایه ای بیشترین احتمال رخداد را دارد، جایگذاری می شوند. ترکیب های آسیب دیده شامل الیاف های شیشه ای توخالی رفتار شفابخشی و بازیابی مناسبی از خواص مکانیکی را نشان می دهند [۳, ۲۱ – ۲۳, ۲۵ – ۲۷]. بررسی های اخیراز فناوری تعمیر شفابخشی توسط Keller et al [2] و Wu et al [3]اثر ذخیره سازی مجراها بر خواص مکانیکی پلیمرها و کامپوزیت ها را به عنوان یک موضوع بسیار مهم مشخص کرد. شبکه الیاف توخالی ممکن است به دلیل اثرات تراکم تنش و حذف ماده بار تکیه گاه برای تطبیق با الیاف تاثیر منفی بر خواص مکانیکی کامپوزیت پیش آسیب دیده داشته باشد. با این حال، تنها حجم اندکی از اطلاعات درباره تاثیر اندازه، کسر حجمی، جهت و توزیع الیاف توخالی بر خواص مکانیکی کامپوزیت های پلیمری [۲۲ – ۲۴, ۲۸, ۲۹] در دسترس می باشد. Trask et al [22, 24] 16% کاهش در مقاومت خمشی ورقه شیشه الیاف شامل الیاف توخالی با قطر ۶۰ μm اندازه گیری کرد. Williams et al [23] دریافت که الیاف با اندازه مشابه موجب تلفات کم در مقاومت خمشی اپوکسی کربن (زیر ۱۰%) می شوند، و نتیجه گرفت که الیاف توخالی به عنوان مکان هایی از ضعف ساختاری ظاهر نمی شوند.
مقدمه ساختارهای کامپوزیت پلیمر-الیاف به لایه لایه شدگی ترک خوردگی ناشی از ضربه، بارهای ضخیم مستقیم، تنش های لبه، تخریب محیطی و دیگر رویدادهای مخرب آسیب پذیر می باشد. ترک های لایه لایه بین چند لایه می تواند به شدت خواص ساختاری مواد کامپوزیت، مانند مقاومت تراکمی و عمر خستگی را کاهش دهد. آسیب لایه لایه شدگی در مفاصل کامپوزیت پیوندی می تواند مقاومت کششی وعمر خستگی را پایین بیاورد. روش های مختلفی برای جلوگیری از شروع و/یا رشد ترک های لایه لایه در قطعات (پانل های) کامپوزیت و مفاصل پیوندی، شامل سیستم های رزین سخت، جایگذاری گرمانرم، و تقویت مستقیم ضخامت با بافندگی، بخیه زدن یا اتصال سه بعدی توسعه یافته است. اگرچه این روش ها در ترک خوردگی لایه لایه مقاومتی مرثر هستند، اما هر گونه رشد آسیب باید بدون تعمیر باقی بماند تازمانی که قطعه از سرویس خارج شود. یک جواب برای آسیب لایه لایه شدگی فرایند تعمیر ارادی خودشفا می باشد، که با پراکنده کردن مجرا های کوچک حاوی کاتالیست و سیال شفابخش با ویسکوزیته کم به داخل ماتریس پلیمر [۱-۳] حاصل می شود. خودشفایی اساسا با رشد لایه لایه مجرا ها را پاره می کند و درنتیجه عامل شفابخش مایع را به داخل ترک آزاد می کند. عامل شفابخش در داخل ترک به وسیله واکنش با کاتالیزگر، که به عنوان یک سیال در مجرای جداگانه یا به عنوان ذرات جامد در ماتریس ذخیره شده است، پلیمریزه (ترکیب) می شود. با انتخاب و پراکندگی مناسب عامل شفابخش و کاتالیست، تعمیر ترک ها و دستیابی به بازیابی مناسب در خواص مکانیکی پلیمرها، پوشش های پلیمری و کامپوزیت های پلیمری امکان پذیر می باشد (برای مثال، [۱ – ۱۲]). سیستم های خودشفای اصلی از کپسول های کوچک برای ذخیره سازی عامل شفابخش مایع استفاده می کنند. کپسول ها به طور معمول در اندازه های ۱۰-۵۰۰ μm هستند، که در ماتریس پلیمری به محتویات حجمی بین ۲% و ۲۰% پراکنده می شوند [۲, ۳]. چندین محدودیت در استفاده از کپسول ها وجوددارد، مانند محدودیت منابع سیال خودشفا برای تعمیر ترک های بزرگ و این که این عامل ها یک بار مصرف هستند. توجه زیادی به الیاف توخالی برای انتقال و ذخیره سازی رزین وجوددارد، که شفابخشی ارادی سیستم های زنده با سیستم شبکه مجرایی از مجرا های نازک را تقلید می کند. شبکه های ریزمجرا با استفاده از الیاف توخالی نازک القایی در مواد کامپوزیت مکانیزم خونریزی در سیستم های بیولوژیکی را تقلید می کنند. وقتی الیاف توخالی شکسته می شود سیال خودشفا به داخل ترک آزاد می شود تا ماده را درمان کند و شفا بخشد [۲, ۳, ۱۳ – ۲۷]. Toochey et al [7] نشان داد که سیستم های مجرادار بازپرسازی پیوسته سیال های خودشفا به نواحی آسیب دیده را از منبع بیرونی قادر می سازد. این بازپرسازی با کپسول ها و دیگر مجراهای ذخیره سازی محصور امکان پذیر نمی باشد. علاوه بر خودشفایی، الیاف توخالی عملکردهای دیگری در مواد کامپوزیت، مانند خنک کنندگی از طریق انتقال سیال های خنک یا حس کردن با استفاده از رنگ های فلوئورسانس [۲, ۱۸, ۲۰, ۲۴] نیز دارا می باشد. الیاف توخالی معمولا ۴۰-۲۰۰ μm قطر دارند، اگرچه اندازه های کوچک تر و بزرگ تر نیز بکار رفته است، و الیاف ها در سطح مشترک بین لایه ها که درآن ترک خوردگی لایه لایه ای بیشترین احتمال رخداد را دارد، جایگذاری می شوند. ترکیب های آسیب دیده شامل الیاف های شیشه ای توخالی رفتار شفابخشی و بازیابی مناسبی از خواص مکانیکی را نشان می دهند [۳, ۲۱ – ۲۳, ۲۵ – ۲۷]. بررسی های اخیراز فناوری تعمیر شفابخشی توسط Keller et al [2] و Wu et al [3]اثر ذخیره سازی مجراها بر خواص مکانیکی پلیمرها و کامپوزیت ها را به عنوان یک موضوع بسیار مهم مشخص کرد. شبکه الیاف توخالی ممکن است به دلیل اثرات تراکم تنش و حذف ماده بار تکیه گاه برای تطبیق با الیاف تاثیر منفی بر خواص مکانیکی کامپوزیت پیش آسیب دیده داشته باشد. با این حال، تنها حجم اندکی از اطلاعات درباره تاثیر اندازه، کسر حجمی، جهت و توزیع الیاف توخالی بر خواص مکانیکی کامپوزیت های پلیمری [۲۲ – ۲۴, ۲۸, ۲۹] در دسترس می باشد. Trask et al [22, 24] 16% کاهش در مقاومت خمشی ورقه شیشه الیاف شامل الیاف توخالی با قطر ۶۰ μm اندازه گیری کرد. Williams et al [23] دریافت که الیاف با اندازه مشابه موجب تلفات کم در مقاومت خمشی اپوکسی کربن (زیر ۱۰%) می شوند، و نتیجه گرفت که الیاف توخالی به عنوان مکان هایی از ضعف ساختاری ظاهر نمی شوند.
Description
This paper presents an experimental study into the effect of self-healing hollow fibres on the mechanical properties and delamination resistance of carbon-epoxy composite panels and bonded joints. Hollow fibres made using thin-walled glass tubes are used in microvascular self-healing systems for the storage and transport of liquid reagents for autonomic repair of composite materials. This study shows that hollow fibres located along the mid-thickness plane of the composite material cause no change or a small loss (less than a few per cent) to the in-plane elastic modulus. The tension and compression strengths are not changed when hollow fibres are aligned parallel to the loading direction, but the strength properties are reduced when the fibres are normal to the load. The strength loss is caused by changes to the composite microstructure (e.g. increased ply waviness). The mode I delamination toughness increases with fibre diameter, with improvements up to ∼۵۰%. The tensile (pull-off) strength of composite T-joints is not affected by hollow fibres at the bond-line. However, the fibres increase the failure strain and total work energy-to-failure of the joints up to 100% due to several bond-line toughening processes. The results can be used in the determination of the optimum size and orientation of hollow fibres for vascular self-healing systems in structural composite materials and joints.
