دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
دانشکده مهندسی و علم مواد
پروژه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد
گرایش شناسایی، انتخاب و روش ساخت مواد مهندسی
ساخت و بررسی خواص مكانیكی سازه‌های مشبك كامپوزیتی حاوی مواد خودترمیم‌شونده
استاد راهنما
دكتر رضا اسلامی فارسانی
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چكیده
سازه‌های مشبك كامپوزیتی نسل جدیدی از مواد كامپوزیتی پیشرفته هستند كه با توجه به طراحی منحصربفردی كه دارند، از استحكام و سفتی ویژه بالا، و جذب انرژی فوق‌العاده خوبی برخوردار هستند. خواص مكانیكی قابل توجه و كاربردهای چندمنظوره، موجب جلب توجه صنایع هوافضا، نظامی، نفت و گاز، ساختمانی و… به این سازه‌های پیشرفته شده است. قرارگیری سازه‌های مشبك كامپوزیتی در معرض بارگذاری‌های شدید در شرایط كاری، تشكیل ریزترك‌های ساختاری را در این مواد ناگزیر می‌كند. با توجه به این كه ردیابی و تعمیر ترك‌های ایجاد شده در این سازه‌ها در شرایط كاری امری دشوار است، باید از موادی استفاده شود كه قابلیت ترمیم خودكار عیوب را داشته باشند. تحت این شرایط استفاده از مواد خودترمیم‌شونده در سازه‌های مشبك كامپوزیتی منجر به كاهش چشمگیر هزینه‌های سنگین تعمیرات و نگهداری در صنایع مختلف و افزایش بهره‌وری سازه‌های مشبك خواهد شد.
در این پژوهش، پنل‌های مشبك كامپوزیتی اپوكسی/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 كه با رزین اپوكسی (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 حداكثر بار خمشی نمونه‌های ترمیم‌شده پس از تخریب شبه استاتیك، بررسی شده است. نتایج آزمون خمش نشانگر آن است كه بیشترین بازده ترمیم (84%) در نمونه‌های كامپوزیت مشبك حاوی 8 درصد حجمی مواد خودترمیم‌شونده و پس از ترمیم 7 روزه مشاهده شده است.
كلمات كلیدی: سازه مشبك كامپوزیتی، خودترمیم‌شونده، آزمون خمش سه‌نقطه‌ای، لوله‌های موئین شیشه‌ای
فهرست مطالب
| عنوان | صفحه |
مقدمه. 1
فصل اول: مروری بر تحقیقات پیشین.. 6
1-1- سازه‌های مشبك كامپوزیتی… 7
1-1-1- معرفی سازه‌های كامپوزیتی و سازه‌های مشبك كامپوزیتی.. 7
1-1-2- تاریخچه سازه‌های مشبك كامپوزیتی.. 14
1-1-3- روش‌های ساخت سازه‌های مشبك كامپوزیتی.. 18
1-1-4- كاربرد سازه‌های مشبك كامپوزیتی.. 21
1-1-5- بررسی قابلیت جذب انرژی و مقاومت خمشی صفحات مشبك كامپوزیتی.. 23
1-2- پلیمرها و كامپوزیت‌های 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 مكانیزم‌های 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 كامپوزیت‌های پلیمری خودترمیم‌شونده حاوی الیاف توخالی.. 44
1-2-4- كاربرد پلیمرها و كامپوزیت‌های 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 كاربردها 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 اپوكسی.. 59
2-1-2- الیاف و پارچه شیشه. 61
2-1-3- لوله‌های موئین شیشه‌ای.. 63
2-1-4- سیلیكون 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 كامپوزیت مشبك… 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 كامپوزیتی مشبك… 74
2-3- روش انجام آزمایش…. 74
2-3-1- ساخت قالب سیلیكونی.. 76
2-3-2- روش ساخت نمونه‌های كامپوزیتی مشبك 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 شبكه خودترمیم‌شونده 83
2-3-2-4- ساخت نمونه كامپوزیت‌مشبك (خودترمیم‌شونده و شاهد) 85
2-3-2-5- كدگذاری 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 كامپوزیت مشبك…. 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 اپوكسی مشبك…. 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
كامپوزیت‌ها موادی مهندسی هستند كه حداقل از دو جزء غیر قابل امتزاج در یكدیگر تشكیل می‌شوند، و خواص آنها همواره از خواص هریك از اجزای تشكیل دهنده برتر است. استفاده از مواد كامپوزیتی در زندگی بشر به دلیل خواص قابل توجه آنها از دیرباز مورد توجه بوده است، كمااینكه در گذشته و برای ساخت بناها از كاه‌گل كه یكی از ابتدایی‌ترین كامپوزیت‌ها به شمار می‌آید، استفاده می‌شده است.
اما آغاز توسعه و كاربرد مواد كامپوزیتی پیشرفته در صنایع مختلف به اوایل قرن بیستم بازمی‌گردد، جایی كه كامپوزیت‌های زمینه پلیمری تقویت‌شده با الیاف پراستحكامی نظیر كربن و شیشه، به دلیل دارابودن ویژگی‌هایی نظیر وزن كم، قابلیت فرآیندپذیری خوب، پایداری شیمیایی در شرایط محیطی مختلف، خواص استحكامی مناسب و وزن كم، مورد توجه بسیاری از صنایع نظیر صنایع هوافضا، دریایی، خودروسازی، حمل ونقل ریلی و صنعت ساخت لوازم ورزشی قرار گرفتند.
همانگونه كه اشاره شد، صنعت هوافضا همواره به دلیل خواص قابل توجه سازه‌های كامپوزیتی، یكی از مشتریان اصلی این مواد بوده است. اگرچه به دلیل هزینه‌های زیاد فرآیند ساخت، استفاده از این مواد فراگیر نشده است ولی نیاز به موادی با بازدهی بالاتر و وزن كمتر، همچنان موجب تمایل روزافزون به استفاده از كامپوزیت‌ها شده است. بنابراین می‌توان گفت كه این مواد در عین سبكی دارای قابلیت تحمل بار و سفتی بسیار زیادی هستند.
كامپوزیت‌های زمینه پلیمری تقویت‌شده با الیاف پراستحكام با توسعه در قالب سازه‌های مشبك كامپوزیتی، نسل جدیدی از كامپوزیت‌های پیشرفته پركاربرد در صنایع هوافضا را معرفی كرده‌اند. سازه‌های مشبك كامپوزیتی، كامپوزیت‌هایی هستند كه به صورت مشبك ساخته می‌شوند. این سازه‌ها علاوه بر دارا بودن خواص ویژه یك كامپوزیت پیشرفته به دلیل برخورداری از طراحی ویژه هندسی، جذب انرژی و مقاومت به ضربه فوق‌العاده خوبی از خود نشان می‌دهند.
ریب و پوسته اجزای اصلی تشكیل‌دهنده سازه‌های مشبك كامپوزیتی هستند. در این سازه‌ها ریب‌ها اصلی‌ترین المان‌های تحمل‌كننده بار به شمار می‌آیند. گره‌ها در محل برخورد ریب‌ها تشكیل شده و وظیفه دارند تا تنش‌های اعمالی به سازه مشبك را بین ریب‌ها توزیع كنند.
قابلیت اطمینان، بهره‌وری بالا، بازده وزنی زیاد و سایر خواص منحصربفرد سازه‌های مشبك كامپوزیتی ناشی از طبیعت تك‌جهته بودن خواص در ریب‌های آنها است. تحت شرایطی كه ریب‌ها از الیاف تقویت‌كننده تك‌جهته ساخته شده باشند، پس از بارگذاری هیچگونه غیریكنواختی در خواص مكانیكی سازه مشاهده نخواهد شد. بنابراین احتمال بروز پدیده لایه‌ای شدن در این سازه‌ها بسیار كم است.
پیش‌بینی ظرفیت تحمل بار سازه‌های مشبك كامپوزیتی یكی از پارامترهای مهم در طراحی آنها است. البته به دلیل وجود پیچیدگی در خواص ساختاری و مكانیكی این سازه‌ها، پیش‌بینی ظرفیت تحمل بار آنها بسیار مشكل خواهد بود. این سازه‌ها نیز همانند سایر مواد تحت بارگذاری‌های شدید دچار گسیختگی و شكست می‌شوند. اما با توجه به طراحی خاص بكار رفته در آنها، تنوع مكانیزم‌های شكست احتمالی بسیار زیاد خواهد بود. شكست و كمانش ریب‌ها، كمانش ریب‌ها، بروز ترك در ریب‌ها و پوسته، كمانش موضعی و كلی پوسته و تركیبی از مكانیزم‌های فوق منجر به گسیختگی سازه‌های مشبك كامپوزیتی خواهد شد.
نقطه آغاز هر یك از مكانیزم‌های شكست احتمالی، تشكیل ریزترك‌ها در ساختار داخلی كامپوزیت است. قرارگیری سازه‌های مشبك كامپوزیتی تحت بارگذاری‌های شدید منجر به بروز ترك در این مواد خواهد شد. رشد ترك‌ها تحت بارگذاری‌های پیوسته در شرایط كاری منجر به شكست نهایی سازه‌های كامپوزیتی می‌شود.
در بسیاری از سازه‌های كامپوزیتی مشبك مورد استفاده در هواپیماها و سازه‌های هوافضایی، فرآیند تعمیر و نگهداری همواره با هزینه‌های سنگینی همراه است. بنابراین به منظور كاهش هزینه تعمیرات سازه‌های مشبك كامپوزیتی مورد استفاده در این صنایع، كاهش زمان خارج از سرویس بودن، و همچنین در جهت افزایش بهره‌وری و طول عمر این سازه‌ها می‌توان از مواد خودترمیم‌شونده با قابلیت تعمیر خودكار ترك‌ها در شرایط كاری استفاده نمود. در اینجا واژه‌ی “تعمیر” به بازیابی خواص مكانیكی كامپوزیت‌های آسیب دیده اطلاق می‌شود. كامپوزیت‌های خودترمیم‌شونده بسیار متنوع بوده و از عوامل ترمیم‌كننده‌ی گوناگونی تشكیل می‌شوند. فرآیند خودترمیمی در پلیمرها و كامپوزیت‌های پلیمری تقویت‌شده با الیاف نیز با الگوبرداری از مكانیزم‌های زیستی به چند طریق قابل دستیابی است: استفاده از میكروكپسول‌های پر شده با مواد خودترمیم‌شونده، الیاف توخالی، شبكه‌های آوندی نافذ و یا بكارگیری فرآیندهای خودترمیمی ذاتی با تغییر ساختار مولكولی پلیمرها.
با توجه به مباحث مطرح شده، هدف آن است كه میزان بازیابی خواص خمشی و كارایی سیستم خودترمیم‌شونده در كامپوزیت‌های مشبك خودترمیم‌شونده حاوی لوله‌های موئین مورد بررسی قرار گیرد. بر این اساس، در فصل 1 این تحقیق به مرور تعاریف كلی از سازه‌های مشبك كامپوزیتی و مواد خودترمیم‌شونده پرداخته می‌شود و همچنین پژوهش‌هایی كه تاكنون در رابطه با بحث خمش پنل‌های مشبك كامپوزیتی و سیستم‌های خودترمیم‌شونده حاوی لوله موئین (و الیاف توخالی) انجام شده است، مورد بررسی قرار می‌گیرد. در بخش سازه‌های مشبك كامپوزیتی، پس از ارائه تعاریف اولیه، تاریخچه‌ای از سازه‌های مشبك مطرح شده است. در ادامه روش‌های ساخت سازه‌های مشبك كامپوزیتی ارائه شده و كاربردهای آنها مورد بررسی قرار می‌گیرد. و در انتها، مروری بر مقالات مرتبط با بحث خمش سازه‌های مشبك كامپوزیتی و جذب انرژی آنها انجام شده است. در بخش كامپوزیت‌های زمینه پلیمری خودترمیم‌شونده پس از معرفی اولیه پلیمرها و مواد خودترمیم‌شونده، تاریخچه‌ای از كامپوزیت‌های زمینه پلیمری خودترمیم‌شونده ارائه شده است. در ادامه انواع مكانیزم‌های خودترمیمی مورد بررسی قرار گرفته است. در قسمت اصلی از این بخش، مقالات مرتبط با بحث استفاده از لوله‌های موئین یا الیاف توخالی به عنوان سیستم خودترمیم‌شونده در كامپوزیت‌ها به طور كامل مورد بررسی قرار گرفته است. سپس در فصل 2 فصل شرح كاملی از فرآیند تجربی ساخت، تخریب و آزمون خمش سه‌نقطه‌ای نمونه‌ها ارائه می‌شود. در ادامه و در فصل 3 نتایج بدست آمده از آزمون خمش نمونه‌های مشبك خودترمیم‌شونده ارائه شده و مورد بررسی و تحلیل قرار می‌گیرند. همچنین بازده ترمیم سازه‌های مشبك كامپوزیتی حاوی مواد خودترمیم‌شونده محاسبه شده است. در پایان و در فصل 4، خلاصه‌ای از دستاوردهای این پژوهش تجربی در رابطه با قابلیت ترمیم سازه‌های مشبك كامپوزیتی ارائه شده و به منظور ادامه فعالیت‌های پژوهشی در این زمینه پیشنهاداتی مطرح می‌شود.
تعداد صفحه :161
قیمت :14700 تومان
