عنوان

مطالعه‌صی تجربی اثر افزودن میکروکپسول پایه پلیمری و نانولوله کربن بر رفتار مقاومت به جدایش بین لایه‌صای در پنل‌صهای چندلایه الیاف کربن- آلومینیوم,‮‭Experimental study on the effect of polymer-based microcapsule and carbon nanotube inclusions on the interlaminar fracture behavior of carbon fiber-Al laminates‬

Number

‭۲۰۹۷۴پ‬

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

مطالعه‌صی تجربی اثر افزودن میکروکپسول پایه پلیمری و نانولوله کربن بر رفتار مقاومت به جدایش بین لایه‌صای در پنل‌صهای چندلایه الیاف کربن- آلومینیوم

Parallel Title Proper

‮‭Experimental study on the effect of polymer-based microcapsule and carbon nanotube inclusions on the interlaminar fracture behavior of carbon fiber-Al laminates‬

First Statement of Responsibility

/مینودخت شکریان

Name of Publisher, Distributor, etc.

: فنی مهندسی مکانیک

Date of Publication, Distribution, etc.

، ‮‭۱۳۹۷‬

Name of Manufacturer

، افشاری

Specific Material Designation and Extent of Item

‮‭۱۶۳‬ص‬

Text of Note

چاپی - الکترونیکی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

ساخت و تولید

Date of degree

‮‭۱۳۹۷/۱۲/۲۰‬

Body granting the degree

تبریز

Text of Note

چندلایه‌صهای فلز-الیاف ‮‭(FML)‬ گروهی از پنل‌صهای هیبریدی هستند که از کنار هم قرار گرفتن لایه‌صهای فلزی و کامپوزیتی تقویت شده با الیاف پیوسته ایجاد می‌صشوند .مهم‌ترین عیب‮‭FML‬ صها مقاومت کم در مقابل رشد ترک-های بین‌صلایه‌صای و تورق، بخصوص بین لایه‌صهای غیرصهمسان می‌صباشد .اصلاح سطحی لایه فلزی و همچنین استفاده از ذرات تقویت کننده درسطح تماس لایه فلزی-لایه پلیمری‍ الیاف‌صدار، راه‌صحل‌صهایی هستند که برای افزایش مقاومت به تورق در ‮‭FML‬ ها مطرح شده است .اخیرا موضوع پلیمرصهای خودترمیم شونده مطرح شده است و توجهات زیادی را در علم مواد و صنعت هوا و فضا به خود جلب کرده است .مواد خودصترمیم شونده بر پایه کپسول، بدلیل راحتی تهیه و استفاده، نوع متداولی از سیستم‌صهای ترمیم‌صکننده می‌صباشند .از این رو، محققین برای ترمیم ترک بین‌صلایه‌صای در کامپوزیت‌صهای چندلایه) متشکل از الیاف بافته شده و پلیمر (و نیز در اتصالات چسبی از میکروکپسول‌صهای حاوی مواد خودترمیم استفاده کرده‌صاند .این میکروکپسول‌صها همچنین می-توانند برای ایجاد قابلیت خودترمیمی در‮‭FML‬ صها استفاده شوند .از سوی دیگر، این امکان وجود دارد که حضور میکروکپسول‌ص‍ به عنوان عوامل خودترمیم، در زمینه و بین زیرلایه‌صهای ‮‭FML‬ خواص مکانیکی اولیه کامپوزیت‌ص‍ را تحت تاثیر قرار دهد .افزون براین، بکارگیری نانوذراتی مانند نانولوله کربن در پوسته میکروکپسول و در سطح تماس لایه‌صی فلزی-لایه‌صی پلیمری صدر ‮‭FML‬ نیز می‌صتواند خواص اولیه چندلایه را تغییر دهد .با این وجود، هنوز مطالعه‌صای در مورد اثر افزودن میکروکپسول و نانولوله کربن با عامل آمینی بر مقاومت به جدایش بین لایه‌صای در پنل‌صهای چندلایه آلومینیوم-الیاف کربن انجام نشده است .هدف اصلی از این پژوهش، بررسی اثر افزودن نانولوله کربن و میکروکپسول‌صهای مختلف، شامل میکروکپسول‌صهای توخالی، توپر و میکروکپسول با دیواره نانوکامپوزیتی بر رفتار شکست و جدایش بین‌صلایه‌صای در چندلایه آلومینیوم-الیاف کربن می‌صباشد .در این تحقیق، ابتدا میکروکپسول‌ص‍ توخالی، میکروکپسول‌صهای پرشده با مواد با قابلیت خودترمیم و نیز میکروکپسول با دیواره نانوکامپوزیتی سنتز شده‌صاند .مطالعه‌صی اولیه برای تعیین اثر افزودن میکروکپسول‌صها به زمینه اپوکسی بر رفتار شکست در مد اول، با استفاده از آزمون تیر طره‌صای دوبل با عرض متغیر ‮‭(TDCB)‬ انجام شده است .در ادامه، روش‌صهای اصلاح سطحی مختلف بر روی زیر لایه آلومینیوم اعمال شده است و با انجام آزمون برشی لب روصهم، مناسب‌صترین روش اصلاح سطحی استخراج شده است .همچنین اثر حضور میکروکپسول‌صهای مختلف و نیز نانولوله‌صکربن بر استحکام برشی اتصالات چسبی فلز به فلز به کمک آزمون برشی لب روصهم بررسی شده است .در نهایت با توجه به نتایج بدست آمده از آزمون‌صهای قبلی، نمونه‌صهای ‮‭FML‬ با هندسه تیر طره‌صای دوبل ‮‭(DCB)‬ و محتوی میکروکپسول‌صهای مختلف و همچنین نانولوله کربن در سطح تماس لایه فلزی-پلیمری ساخته شده و تحت آزمون شکست در مد اول قرار گرفته‌صاند .مطالعات‮‭IR - FT‬و نیز ‮‭SEM‬ آشکار کرد که با پیروی کردن از روش‌صهای سنتز پیشنهادی در این رساله، میکروکپسول‌صهای توخالی، توپر و با دیواره نانوکامپوزیتی با ابعاد حدودی یک میکرومتر با موفقیت تهیه می‌صشوند .افزودن میکروکپسول توخالی به اپوکسی طبق نتایج آزمون‮‭TDCB‬ ، چقرمگی شکست آن را ‮‭۱۷‬ افزایش داده است .افزودن میکروکپسول با دیواره نانوکامپوزیتی، چقرمگی شکست بحرانی و انرژی شکست بحرانی نمونه ‮‭TDCB‬ را در مقایسه با نمونه خالص بترتیب ‮‭۵۹‬ و ‮‭۱۶۵‬ بهبود داده است .این بهبود قابل توجه بدلیل وقوع تغییر شکل پلاستیکی و شکست خارج از صفحه‌صی زیاد می‌صباشد که در نتیجه‌صی انشعاب ترک در سطح شکست اتفاق افتاده‌صاند .استفاده از اسید شویی) اچ (با هیدروکلریک اسید برای اصلاح سطحی ورق‌صهای آلومینیومی، هم زبری سطحی میکرونی و هم بافت سطحی نانویی آلومینیوم را افزایش داده و در نتیجه استحکام چسبندگی پلیمر به لایه فلزی را بهبود داده‌صاست .از سوی دیگر، اسید شویی مجدد در محلول نیتریک اسید برای آلومینیوم اصلاح شده با هیدروکلریک اسید، بیشترین درصد شکست از نوع هم چسبی) حدود ( ‮‭۶۴‬را برای نمونه لب روی‌صهم ایجاد کرده است .وجود همه انواع میکروکپسول‌صها، انرژی رشد ترک بین لایه‌صای بحرانی ‮‭(GIC)‬در نمونه-های ‮‭DCB‬ را نسبت به نمونه‌صی تقویت نشده افزایش داده است .این افزایش بدلیل انشعاب مسیر میکروترک‌صها در برخورد با میکروکپسول‌صها، شکسته شدن میکروکپسول‌صها و یا کنده‌صشدن میکروکپسول‌صها می‌صباشد .در این میان، افزودن میکروکپسول با دیواره نانوکامپوزیتی و میکروکپسول توخالی به نمونه‌صی ‮‭DCB‬ تقویت نشده، بترتیب بیشترین افزایش ( ‮‭(۷۰‬ و کمترین افزایش ( ‮‭(۱۵‬ انرژی شکست بحرانی را ایجاد کرده اند .حضور دو نوع میکروکپسول‌ص‍ توپر)شامل ‮‭C۱۰۰‬ و ( ‮‭C۷۰‬ در سطح تماس) فلز-کامپوزیت (نمونه‌صهای‮‭DCB‬ ، بدلیل افزایش تغییر شکل پلاستیکی زمینه اپوکسی، مقادیر انرژی رشد ترک بین لایه‌صای ‮‭(GI)‬ قابل توجهی را فراهم کرده است .وجود ‮‭CNT‬ در فصل مشترک فلز-پلیمر باعث افزایش ‮‭GIC‬ و کاهش ‮‭GI‬ در نمونه ‮‭DCB‬ شده است .افزودن میکروکپسول توپر ‮‭C۱۰۰‬ به نمونه تقویت شده با‮‭CNT‬ ، بدلیل افزایش تغییر شکل پلاستیکی کامپوزیت به واسطه حضور میکروکپسول، توانسته است کاهش ‮‭GI‬ را جبران کند .با در نظر گرفتن عملکرد مکانیکی کامپوزیت‌صهای تقویت شده با میکروکپسول‌صها، بطوری کلی می‌صتوان نتیجه گرفت مکانیسم موثر جذب انرژی برای میکروکپسول‌صهای توخالی در مقایسه با سایر میکروکپسول‌صها، شکسته شدن بیشتر آنها در برخورد با میکروترک می‌صباشد .همچنین مکانیسم‌صهای موثر جذب انرژی برای میکروکپسول با دیواره نانوکامپوزیتی شامل افزایش چسبندگی میکروکپسول به زمینه) بدلیل حضور نانولوله کربن در سطح میکروکپسول (و تقویت دیواره میکروکپسول می‌صباشد، که مقدار بیشتری از انرژی ترک تلف می‌صکنند

Text of Note

Fiber metal laminates (FMLs) are hybrid materials consisting of alternatively arranged metal layers and polymer composite layers reinforced with continuous fibers. The most important limitation of FMLs is weak resistances to interlaminar fracture and delamination, particularly between dissimilar layers. The surface treatment of metallic layer and also the integration of reinforcing particles on the interface of metallic-fibrous polymeric layers are potential solutions to increase the delamination resistance of FMLs. Most recently, the concept of self-healing polymeric materials has been proposed and gained more and more attentions in material science and aerospace industry. Capsule based self-healing materials are the common types of mechanical stimuli due to their simplicity and ease of preparation and application. Therefore, researchers applied microcapsules containing self-healing core to repair the interlaminar cracks in the laminates (comprising fabrics and polymer) and also adhesive joints. These microcapsules can also be used to introduce the self-healing ability in the FML. However, it is possible that the presence of microcapsules in the matrix and or between the layers of FML, as healing agents, affects the virgin mechanical properties of composites. Moreover, the incorporation of nanoparticles like carbon nanotube (CNT) in the shell of microcapsule as well as on the interface of metallic-polymeric layers of FML can also change the virgin properties of laminate. Yet, no study regarding the incorporation effect of microcapsules and NH2-CNTs on the interlaminar fracture resistance of carbon fiber-Al laminate has been conducted. The main aim of this research is to study the integration effect of CNT and various microcapsules comprising: hollow, filled and nanocomposite-wall microcapsules, on the interlaminar fracture behavior in carbon fiber-Al laminates. In the current work, first, hollow microcapsule with urea-formaldehyde shell, microcapsules containing self-healing cores and composite-wall microcapsule have been synthesized. The preliminary investigation for obtaining the incorporation effects of microcapsules into the epoxy matrix on the fracture behavior in mode I, has been examined using tapered double cantilever beam (TDCB) test. Next, different surface treatment methods have been applied on the surface of Al and the most suitable method has been selected using lap-shear (LSh) test results. Moreover, the presence effects of various microcapsules and carbon nanotube (CNT) on the shear strength of metal to metal bonded adhesive joint have been inspected using LSh test. Finally, by considering the results of previous tests, the FML specimens with double cantilever beam (DCB) geometry and filled with various microcapsules or CNT in the interface of metallic-polymeric layers have been prepared and fracture tested under mode I. FT-IR and SEM studies showed that by following the encapsulation method proposed in the current thesis, a few-micron sized hollow microcapsule, different filled microcapsules as well as nanocomposite-wall microcapsule were successfully synthesized. The integration of hollow microcapsule into the epoxy has increased the fracture toughness of neat epoxy by 17 according to the results of TDCB test. The incorporation of nanocomposite-wall microcapsule has enhanced the fracture toughness and fracture energy of TDCB specimen about 59 and 165 as compared to the neat epoxy, respectively. These considerable improvements are due to the occurrence of large plastic deformation and considerable out-of-plane fracture resulted from crack branching on the fractured surface. Applying the HCl acid etching treatment has increased both the micro-roughness and the nano-texture of the Al surface and thus the adhesion of polymer to the metallic layer has been improved. Furthermore, the post etching of HCl-treated Al using nitric acid has provided the maximum amount of cohesive failure for the LSh specimen (about 64 ) because of removing excessive oxide layer on the Al surface that pereviously introduced in HCl etching process. The presences of all types of microcapsules have increased the critical fracture energy (GIC) of DCB specimens, as compared to the unreinforced specimen. These improvements are owing to the deviation of micro-crack path when cracks face with capsules, the capsules breakage and/or the capsules pulling out. The incorporations of composite-wall microcapsule and hollow microcapsule into the unreinforced DCB specimens have caused the maximum improvement (70 ) and minimum improvement (15 ) of GIC, respectively. The presences of two types of filled microcapsules (C70 and C100) in the interface (metal-polymer) of DCB specimens have provided the significant values of interlaminar crack growth energies (GI) due to the improvement of plastic deformation of epoxy matrix. The integration of CNT into the DCB specimen interface has increased GIc and decreased GI. The addition of C100 microcapsule to the CNT-reinforced specimen could fairly compensate the aforementioned reduction of GI, owing to the improvement of plastic deformation in the fracture surface resulted from the microcapsule presence. By considering the mechanical performances of composites reinforced with microcapsules, it can be concluded that the effective mechanism of energy absorption for the hollow microcapsules as compared to other microcapsules is the breakage of microcapsules when they face with micro-crack. Besides, the effective mechanisms of energy absorption for nanocomposite-wall microcapsules are the increase of capsule adhesion to the surrounding matrix (due to the presence of CNTs on the capsule wall surface) and the strengthening of capsule wall that both dissipate more crack energy

Parallel Title

‮‭Experimental study on the effect of polymer-based microcapsule and carbon nanotube inclusions on the interlaminar fracture behavior of carbon fiber-Al laminates‬

شکریان، مینودخت

Shokrian , Minoo DokhtLast

Public note

سیاه و سفید

نمایه‌سازی قبلی