مقایسه خواص مکانیکی صفحات کامپوزیتی تقویت‌شده با الیاف کنف-شیشه و کنف-پلی استر ساخته شده به روش بافت پارچه هیبریدی و لایه‌ای تک جهته

كامپوزیت‌های زمینه پلیمری با تقویت‌كننده الیافی، به علت خصوصیات كششی مناسب و نسبت استحكام به وزن بالا (در جهات خاص) بسیار مورد توجه قرار دارند. امكان قالب‌گیری ساده و آسان، مقاومت شیمیایی، خواص جهت‌دار، اتصال مناسب زمینه به الیاف و همچنین امكان استفاده در محدوده وسیعی از كاربردها، این گروه از كامپوزیت‌ها را به عنوان گروهی رایج مطرح ساخته است. با این وجود، مشخص شدن برخی خطرات زیست محیطی ناشی از استفاده از الیاف معدنی در كامپوزیت‌ها (كه در گذشته به عنوان رایج‌ترین نوع الیاف مورد استفاده در ساخت كامپوزیت‌های زمینه پلیمری مطرح بودند)، محققان را بر آن داشته تا امكان استفاده از انواع الیاف طبیعی و تجدیدپذیر را در ساخت كامپوزیت‌های زمینه پلیمری و همچنین تاثیرات استفاده از این الیاف بر خواص مكانیكی را مورد بررسی قرار دهند.

در این تحقیق، خصوصیات كامپوزیت‌های زمینه پلیمری مقاوم شده با الیاف كنف به همراه الیاف شیشه و پلی‌استر، مورد بررسی قرار گرفت. فاز تقویت‌كننده به دو صورت پارچه هیبریدی و همچنین لایه‌ای تك‌جهته درون زمینه پلیمری قرار داده شد و در نهایت برای بررسی خصوصیات مكانیكی نمونه‌ها، آزمایش‌های كشش و خمش بر روی آن‌ها انجام گرفت.

نتایج نشان داد كه نمونه با مقاوم‌ساز الیافی كنف-شیشه كه به صورت لایه‌ای تك‌جهته در زمینه قرار داده شده، بهترین خصوصیات مكانیكی را از خود بروز می‌دهد. همچنین مشخص شد در شرایط یكسان، استحكام الیاف مورد استفاده نسبت به نحوه قرارگیری آنها در زمینه، نقش پررنگ‌تری در تعیین خواص مكانیكی كامپوزیت دارد.

فهرست مطالب

چكیده

فصل اول

 مقدمه

1-1- مقدمه

فصل دوم

  مروری بر منابع

2-1-مقدمه

2-2- انواع الیاف مورد استفاده در كامپوزیت‌های زمینه پلیمری

2-2-1-الیاف شیشه

شكل (2-1) دسته بندی انواع مواد كامپوزیتی بر اساس شكل و نحوه توزیع فاز مقاوم‌ساز

جدول (2-1) مهم‌ترین خصوصیات انواع الیاف شیشه مورد استفاده در صنایع كامپوزیت

جدول (2-2) تركیب شیمیایی انواع الیاف شیشه بر اساس درصد حجمی مواد سازنده آن

شكل (2-2) انواع مختلف الیاف شیشه (الف) الیاف رشته‌ای (ب) تار (پ) نمد الیاف كوتاه یا CSM (ت) نمد الیاف بلند یا GRM (ث) پارچه بافت ریز (ج) پارچه بافت درشت (چ) پودر شیشه (ح) الیاف خرد

2-2-2- الیاف كربن

شكل (2-3) انواع الیاف كربن مورد استفاده در صنایع كامپوزیت (الف) رشته‌های پیچیده شده و (ب) الیاف كربن بافته شده به صورت پارچه

جدول (2-3) خصوصیات مكانیكی انواع مختلف الیاف كربن

2-2-3- الیاف آرامید

شكل (2-4) نوعی جلیقه ضدگلوله ساخته شده از جنس الیاف آرامید

شكل (2-5) نمایی از ساختار مولكولی آرامید نوع زنجیر-خم

جدول (2-4) خصوصیات مکانیکی برخی انواع الیاف مورد استفاده در ساخت كامپوزیت‌های زمینه پلیمری

شكل (2-6) برخی انواع الیاف آرامید (الف) رشته‌ (ب) الیاف پیچیده شده (پ) الیاف خرده

ساختار شیمیایی الیاف كولار

2-2-4- الیاف طبیعی

شكل (2-7) برخی انواع الیاف گیاهی (الف) الیاف نارگیل به صورت نمد (ب) الیاف شاهدانه (پ) الیاف كنف (ت) پارچه بافته شده از الیاف سیسال

2-2-5-سایر الیاف مورد استفاده در ساخت كامپوزیت‌های زمینه پلیمری

2-2-5-1- الیاف آلومینا

2-2-5-2- الیاف بور

2-3- انواع رزین‌های مورد استفاده در ساخت کامپوزیت‌های زمینه پلیمری

2-3-1- رزین‌پلی‌استر

شكل (2-8) واكنش تشكیل رزین پلی استر غیر اشباع

2-3-2- رزین­های اپوكسی

شكل (2-9) واكنش تشكیل رزین اپوكسی

2-3-3- رزین­های ‌وینیل‌استر

شکل (2-10) واکنش تشکیل رزین وینیل استر

2-3-4- رزین­های فنولیك

شکل (2-11) واکنش تشکیل رزین تک مرحله­ای فنولیک

شکل (2-12) واکنش تشکیل رزین دو مرحله­ای فنولیک

2-3-4- پلی ایمیدها

شکل (2-13) فرمول شیمیایی و شکل یک مونومر پلی ایمید

2-3-5- پلی اتر اتر کتون

شکل (2-14) زنجیره پلی اتر اتر کتون

2-3-6- رزین­های طبیعی

2-4- کامپوزیت­های زمینه پلیمری با الیاف طبیعی

شکل (2-15) (الف) نحوه قرار گیری عناصر تشكیل دهنده جدار سلولی و (ب) ساختار مولكولی سلولز

2-4-1- مزایا و محدودیت­های استفاده از الیاف طبیعی در کامپوزیت­های زمینه پلیمری

2-4-2- ناسازگاری الیاف طبیعی و پلیمر

2-4-2-1- اصلاحات با روش‌های فیزیکی

2-4-2-2- اصلاحات با روش­های شیمیایی

فصل سوم

 روش تحقیق

3-1- مقدمه

3-2- ساخت و آماده‌سازی الیاف و نمونه‌های كامپوزیت

شكل (3-1) دستگاه گلیم بافی سنتی مورد استفاده جهت بافت پارچه

شكل (3-2) یك نمونه پارچه ساخته شده با استفاده از دستگاه گلیم بافی سنتی

شكل (3-3) طرح بافت 1/1 در پارچه هیبریدی

جدول (3-1) داده‌های حاصل از اندازه‌گیری جرم و چگالی الیاف مورد استفاده در ساخت پارچه هیبریدی

جدول (3-2) كدگذاری نمونه‌ها و داده‌های حاصل از محاسبه درصد حجمی الیاف در آن‌ها

جدول (3-3) مشخصات رزین مورد استفاده در ساخت نمونه‌ها

شكل (3-4) نحوه آغشته‌سازی پارچه با رزین برای تولید نمونه‌های كامپوزیت

3-3- آزمایش‌های تعیین خصوصیات مكانیكی

شكل (3-5) نحوه برش خوردن نمونه‌ها بااستفاده از اره چوب بری فارسی‌بر

شكل (3-6) نمونه‌های ساخته شده و كدگذاری آن‌ها

شكل (3-7) نحوه قرارگیری صفحات آلومینیمی در دو انتهای نمونه‌های بررسی خواص مكانیكی

جدول (3-4) مشخصات دستگاه اعمال نیرو مورد استفاده در آزمایش

شكل (3-8) نمای كلی دستگاه اعمال بار برای انجام تست‌های كشش و خمش

شكل (3-9) (الف) فیكسچر مورد استفاده در تست كشش و (ب) نحوه اتصال نمونه به فیكسچر در تست كشش

فصل چهارم

 نتایج و تحلیل

4-1- مقدمه

4-2- اندازه‌گیری چگالی

جدول (4-1) چگالی نمونه‌های تولید شده در مقایسه با مواد سازنده (چگالی بر اساس gr/cm3)

4-3- نتایج آزمایش كشش

4-3-1- نمونه كامپوزیت با مقاوم‌ساز بافت پارچه هیبریدی كنف-پلی استر (نمونه A)

شكل (4-1) نمونه A پس از اعمال تست كشش

شكل (4-2) نمودار نیرو-جابجایی نمونه با مقاوم‌ساز پارچه‌ای کنف-پلی‌استر (نمونه A)

شكل (4-3) (الف) نمودار تنش-كرنش نمونه A و (ب) بخش الاستیك همین نمودار

جدول (4-2) خصوصیات مكانیكی نمونه A كه از نمودارهای تنش-كرنش و نیرو-جابجایی استخراج شده‌است

4-3-2- نمونه كامپوزیت با مقاوم‌ساز بافت پارچه هیبریدی كنف-شیشه (نمونه B)

شكل (4-4) نمونه B پس از اعمال تست كشش

شكل (4-5) نمودار نیرو-جابجایی نمونه با مقاوم‌ساز پارچه‌ای کنف-شیشه (نمونه B)

شكل (4-6) (الف) نمودار تنش-كرنش نمونه B و (ب) بخش الاستیك همین نمودار

جدول (4-3) خصوصیات مكانیكی نمونه B كه از نمودارهای تنش-كرنش و نیرو-جابجایی استخراج شده‌است

4-3-3- نمونه كامپوزیت با مقاوم‌سازهای لایه‌ای تك‌جهته كنف و شیشه (نمونه C)

شكل (4-7) نمونه ‍C پس از اعمال تست كشش

شكل (4-8) نمودار نیرو-جابجایی نمونه با مقاوم‌ساز لایه‌ای تك جهته کنف و شیشه (نمونه C)

شكل (4-9) (الف) نمودار تنش-كرنش نمونه C و (ب) بخش الاستیك همین نمودار

جدول (4-4) خصوصیات مكانیكی نمونه C كه از نمودارهای تنش-كرنش و نیرو-جابجایی استخراج شده‌است

4-3-4- نمونه كامپوزیت با مقاوم‌سازهای لایه‌ای تك‌جهته كنف و پلی‌استر (نمونه D)

شكل (4-10) نمونه D پس از اعمال تست كشش

شكل (4-11) نمودار نیرو-جابجایی نمونه با مقاوم‌ساز لایه‌ای تك جهته کنف و پلی‌استر (نمونه D)

شكل (4-12) (الف) نمودار تنش-كرنش نمونه D و (ب) بخش الاستیك همین نمودار

جدول (4-5) خصوصیات مكانیكی نمونه D كه از نمودارهای تنش-كرنش و نیرو-جابجایی استخراج شده‌است

4-3-5- مقایسه و تحلیل نتایج تست كشش

شكل (4-13) نمودارهای تركیبی مقایسه‌ای (الف) نیرو-جابجایی و (ب) تنش-كرنش نمونه‌های A و B

شكل (4-14) نمودارهای ستونی مقایسه‌ای خصوصیات مكانیكی نمونه‌های A و B (الف) جابجایی تا قبل از شكست (ب) انرژی جذب شده (پ) استحكام نهایی كششی و (ت) مدول یانگ

شكل (4-15) نمودارهای مقایسه‌ای (الف) نیرو-جابجایی و (ب) تنش-كرنش نمونه‌های C و D

شكل (4-16) نمودارهای ستونی مقایسه‌ای خصوصیات مكانیكی نمونه‌های C و D (الف) جابجایی تا قبل از شكست (ب) میزان انرژی جذب شده (پ) مدول یانگ (ت) استحكام نهایی كششی و (ث) كرنش شكست

شكل (4-17) نمودار‌های مقایسه‌ای (الف) جابجایی-نیرو و (ب) تنش-كرنش تمامی نمونه‌ها

شكل (4-18) نمودار‌های مقایسه‌ای ستونی خواص كششی نمونه‌های تست كشش (الف) جابجایی تا قبل از شكست (ب) انرژی جذب شده (پ) مدول یانگ (ت) استحكام نهایی كششی و (ث) كرنش شكست

4-4- آزمایش خمش و نتایج آن

4-4-1- نمونه كامپوزیت با مقاوم‌ساز پارچه هیبریدی كنف و پلی‌استر (نمونه A)

شكل (4-19) نمای كلی نمونه A پس از انجام تست خمش سه نقطه‌ای

شكل (4-20) نمودارهای (الف) نیرو-جابجایی و (ب) تنش-كرنش نمونه كامپوزیت مقاوم شده با پارچه هیبریدی كنف-پلی‌استر (پ) بخش الاستیك نمودار تنش-كرنش نمونه مذكور

جدول (4-6) خصوصیات خمشی نمونه A كه از نمودارهای تنش-كرنش و نیرو-جابجایی استخراج شده‌است

4-4-2- نمونه كامپوزیت با مقاوم‌ساز پارچه هیبریدی كنف و شیشه (نمونه B)

شكل (4-21) نمای كلی نمونه B پس از انجام تست خمش سه نقطه‌ای

شكل (4-22) نمودارهای (الف) نیرو-جابجایی و (ب) تنش-كرنش نمونه كامپوزیت مقاوم شده با پارچه هیبریدی كنف-شیشه (پ) بخش الاستیك نمودار تنش-كرنش نمونه مذكور

جدول (4-7) خصوصیات خمشی نمونه B كه از نمودارهای تنش-كرنش و نیرو-جابجایی استخراج شده‌است

4-4-3- نمونه كامپوزیت با مقاوم‌ساز لایه‌ای كنف و شیشه (نمونه C)

شكل (4-23) نمای كلی نمونه C پس از انجام تست خمش سه نقطه‌ای

شكل (4-24) نمودارهای (الف) نیرو-جابجایی و (ب) تنش-كرنش نمونه كامپوزیت مقاوم شده با لایه‌های یك در میان و تك‌جهته كنف و شیشه (پ) بخش الاستیك نمودار تنش-كرنش نمونه مذكور

جدول (4-8) خصوصیات خمشی نمونه C كه از نمودارهای تنش-كرنش و نیرو-جابجایی استخراج شده‌است

4-4-4- نمونه كامپوزیت با مقاوم‌ساز لایه‌ای كنف و پلی‌استر (نمونه D)

شكل (4-25) نمای كلی نمونه D پس از انجام تست خمش سه نقطه‌ای

شكل (4-26) نمودارهای (الف) نیرو-جابجایی و (ب) تنش-كرنش نمونه كامپوزیت مقاوم شده با لایه‌های یك در میان و تك‌جهته كنف و پلی‌استر (پ) بخش الاستیك نمودار تنش-كرنش نمونه مذكور

جدول (4-9) خصوصیات خمشی نمونه D كه از نمودارهای تنش-كرنش و نیرو-جابجایی استخراج شده‌است

4-5- مقایسه و تحلیل نتایج آزمایش خمش

شکل (4-27) نمودار تنش-کرنش خمشی مقایسه‌ای نمونه‌های A و B

شکل (4-28) نمودارهای مقایسه‌ای خواص خمشی نمونه‌های A و B (الف) استحکام تسلیم خمشی (ب) استحکام خمشی حداکثر (پ) کرنش حداکثر در نقطه شکست و (ت) سفتی خمشی

شکل (4-29) نمودار تنش-کرنش خمشی مقایسه‌ای نمونه‌های C و D

شکل (4-30) نمودارهای مقایسه‌ای خواص خمشی نمونه‌های C و D (الف) استحکام تسلیم خمشی (ب) استحکام خمشی حداکثر (پ) کرنش حداکثر در نقطه شکست و (ت) سفتی خمشی

شکل (4-31) نمودار تنش-کرنش خمشی مقایسه‌ای میان تمام نمونه‌های تست خمش

شکل (4-32) نمودارهای ستونی مقایسه‌ای خصوصیات تمامی نمونه‌های تست خمش (الف) استحکام تسلیم خمشی (ب) استحکام خمشی حداکثر (پ) کرنش حداکثر در نقطه شکست و (ت) سفتی خمشی

فصل پنجم

 نتیجه‌گیری و پیشنهادها

5-1- نتیجه‌گیری

5-2- پیشنهادها

منابع و مراجع