فهرست مطالب

علوم و فناوری کامپوزیت - سال سوم شماره 1 (پیاپی 7، بهار 1395)

نشریه علوم و فناوری کامپوزیت
سال سوم شماره 1 (پیاپی 7، بهار 1395)

  • تاریخ انتشار: 1395/03/17
  • تعداد عناوین: 10
|
  • محمود مهرداد شکریه*، افشین زین الدینی صفحات 1-10
    در این مقاله، اثر نانولوله های کربنی بر مقدار مود اول نرخ رهایی انرژی کرنشی در شروع رشد ترک در نانوکامپوزیت های پایه اپوکسی به صورت تحلیلی مطالعه شد. در این مدل تحلیلی، اثر وجود پدیده جدایش نانولوله های کربنی از رزین پیرامون آن در ناحیه نزدیک به نوک ترک به عنوان یکی از عوامل افزایش نرخ رهایی انرژی کرنشی در نانوکامپوزیت نسبت به رزین خالص با استفاده از یک جزء حجمی معرف مطالعه شد. جز معرف حجمی مفروض برای نانولوله های کربنی و رزین پیرامون آن با وجود فاز میانی در نظر گرفته شد. برای تخمین خواص مکانیکی فازمیانی، ضخامت آن از مقادیر گزارش شده در مراجع استفاده شد. در نهایت مدلی برای افزایش نرخ رهایی انرژی کرنشی نانوکامپوزیت، براساس خواص مکانیکی و پارامترهای هندسی نانولوله های کربنی و رزین خالص معرفی گردید. لازم بذکر است که احتمال افزایش نرخ رهایی انرژی کرنشی نانوکامپوزیت نسبت به پلیمر خالص، با استفاده از ارتباط بین مقیاس های ماکرو، میکرو و نانو مورد بررسی قرار گرفت. برای اعتبارسنجی مدل تحلیلی ارائه شده، نتایج به دست آمده از روابط تحلیلی با نتایج مطالعات تجربی سایر محققین مقایسه شد. نتایج نشان دادند که مدل ارائه شده با خطای قابل قبولی، توانایی پیش بینی مقدار مود اول نرخ رهایی انرژی کرنشی نانوکامپوزیت های پایه اپوکسی تقویت شده با نانولوله های کربنی تک و چندجداره را داراست.
    کلیدواژگان: نرخ رهایی انرژی کرنشی، مدل تحلیلی، مود اول، نانولوله های کربنی، نانوکامپوزیت
  • حامد خسروی، رضا اسلامی فارسانی* صفحات 11-20
    سازه های مشبک کامپوزیتی به علت دارابودن خواص منحصر به فرد همانند استحکام و مدول ویژه بالا، ظرفیت تحمل بار بسیار بالا و همچنین میزان جذب انرژی فوق العاده، کاربردهای گسترده ای در صنایع صنایع هوا و فضا و همچنین خودروسازی پیدا کرده اند. این سازه ها در حین سرویس شرایط مختلف بارگذاری را تجربه می کنند. در تحقیق حاضر، پنل های مشبک کامپوزیتی با هندسه ایزوگرید و تقویت شده با نانوذرات سیلیکا تحت بارگذاری عرضی مطالعه شده اند. در گام اول، سطح نانوذرات سیلیکا به وسیله عامل کوپلینگ تری گلیسید اکسی پروپیل تری متوکسی سیلان (3-GPTS) اصلاح شد و در ادامه تاثیر افزودن درصدهای مختلف نانوسیلیکا در زمینه (صفر، 1، 3 و 5 درصد وزنی) بر رفتار خمش سه نقطه ای پنل های مشبک کامپوزیتی اپوکسی- الیاف شیشه نوع E مورد بررسی قرار گرفت. اصلاح سطحی نانوذرات سیلیکا و برهمکنش آن ها با عامل کوپلینگ 3-GPTS توسط طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR) مورد تایید قرار گرفت. نتایج این تحقیق نشان داد که افزودن نانوذرات سیلیکای اصلاح سطحی شده رفتار خمش سه نقطه ای پنل های مشبک کامپوزیتی الیافی را تحت تاثیر قرار می دهد. بیشترین میزان بهبود در مقادیر بار حداکثر خمشی و جذب انرژی ویژه پنل مشبک کامپوزیتی با افزودن 3 درصد وزنی نانوسیلیکای اصلاح سطحی شده به ترتیب با 14 درصد و 25 درصد افزایش مشاهده شد. همچنین در این کامپوزیت ها کسر قابل توجهی از جذب انرژی سازه بعد از نقطه حداکثر بار حاصل شد. علاوه بر این، سفتی سازه با افزودن نانوذرات سیلیکا افزایش یافت. در مجموع، تحقیق حاضر موید آن است که افزودن نانوذرات سیلیکای اصلاح سطحی شده به عنوان جزء سوم در سازه های مشبک کامپوزیتی می تواند به بهبود خواص مکانیکی آن ها تحت بارگذاری عرضی کمک شایانی کند.
    کلیدواژگان: کامپوزیت مشبک ایزوگرید، نانوذرات سیلیکای اصلاح سطحی شده، بارگذاری عرضی، جذب انرژی
  • امین فرخ آبادی *، محسن نقدی نسب صفحات 21-30
    یکی از موارد مهم درباره رفتار کامپوزیت ها در شرایط بارگذاری مختلف، پیدایش و رشد مودهای خرابی متنوعی است که دارای تاثیر بسزایی بر نحوه عملکرد آن ها هستند. مود خرابی مربوط به جدایش اتصال بین الیاف و ماتریس را می توان جزو اولین موارد در پیدایش خرابی در کامپوزیت های مختلف دانست که متعاقب آن و یا به صورت هم زمان، مودهای خرابی دیگری هم چون ترک های ماتریسی نیز به وجود می آیند. در مقاله حاضر با استفاده از مدل ناحیه چسبنده و المان محدود تعمیم یافته و با اعمال بارگذاری عرضی بر المان های حجمی نماینده در فاز مایکرومکانیک، اثرات پیدایش و رشد خرابی هایی هم چون جدایش بین الیاف و ماتریس، و ترک های ماتریسی مطالعه شده است. بدین منظور، در ابتدا رفتار ناحیه چسبنده بررسی شده و با شبیه سازی نتایج مربوط به جدایش الیاف از ماتریس در مقالات گذشته، روش طراحی صحت سنجی شده است. سپس اثرات مدل ناحیه چسنده در المان های حجمی مختلف مطالعه و نتایج آن ها با یکدیگر مقایسه می شوند. در ادامه با وارد کردن اثرات مربوط به پیدایش و رشد ترک ماتریسی با استفاده از روش المان محدود تعمیم یافته، اثرات ناشی از خرابی ناحیه چسبنده و ترک های ماتریسی به صورت هم زمان با استفاده از روش المان محدود و نرم افزار آباکوس مطالعه می شوند.
    کلیدواژگان: مایکرومکانیک، المان حجمی نماینده، ناحیه چسبنده، ترک ماتریسی، روش المان محدود تعمیم یافته
  • هادی قربانی، محمد گلزار *، امیرحسین بهروش صفحات 31-42
    پیش بینی آغشتگی مذاب و الیاف تقویت کننده یکی از چالش های پالتروژن کامپوزیت گرمانرم ها می باشد. در این مقاله، دو مدل آغشتگی در فرآیند پالتروژن کامپوزیت گرمانرم توصیف شده است. ابتدا یک مدل ساده بر پایه رابطه دارسی ارایه شده است. در این مدل ابتدا بدون در نظر گرفتن جریان میکروسکوپیک، سرعت جریان ماکروسکوپیک محاسبه شده و فشار مذاب گرمانرم در جهت محور قالب در هر موقعیت طولی قالب محاسبه می شود. سپس به کمک محاسبه فشار در جریان ماکروسکوپیک طولی و ارتباط رابطه دارسی در دو جهت شعاعی میکروسکوپیک و طولی ماکروسکوپیک، رابطه ساده ای برای به دست آوردن سرعت جریان میکروسکوپیک شعاعی و شعاع خشک توده الیاف ارایه شده است که تخمینی از درجه آغشتگی را نشان می دهد. در بخش دوم، یک مدل آغشتگی توسعه یافته ارایه شده است که جریان میکروسکوپیک و تغییرات شعاع توده الیاف در طول قالب در آن در نظر گرفته شده است. معادله های دارسی در دو جهت جریان میکروسکوپیک شعاعی و جریان ماکروسکوپیک طولی نوشته شده است. با ترکیب رابطه ها، معادله ی کاملی با در نظر گرفتن دو جریان میکروسکوپیک و ماکروسکوپیک ارایه شده است. این معادله، گرادیان فشار در راستای طولی و شعاعی را به شعاع توده الیاف و شعاع منطقه خشک توده الیاف و ثابت های دیگر ارتباط می دهد. یک الگوریتم حل تکرار شونده برای حل مدل توسعه یافته ارایه شده است و هر دو مدل با در نظر گرفتن ورودی های مدل حل و شعاع آغشته نشده در توده الیاف و درجه آغشتگی محاسبه شده است.
    کلیدواژگان: پالتروژن، مدل سازی آغشتگی، کامپوزیت، گرمانرم
  • محمد براهنی، کریم شلش نژاد*، اعظم میراعلمی، علیرضا عدلی، بهزاد هاشمی سودمند صفحات 43-50
    نانوکامپوزیت هایی بر پایه آمیخته PA6/ABS (40/60) در حضور 3 قسمت وزنی سازگارکننده POE-gr-MA و حاوی 2، 5 و 8 درصد وزنی نانوذرات کلسیم کربنات (15-10 نانومتر) با استفاده از اکسترودر دوپیچی و دستگاه قالب گیری تزریق پلاستیک تولید شد. شکل شناسی و خواص ضربه ای نمونه های مختلف مورد بررسی قرار گرفت. وجود نانوذرات کلسیم کربناتپوشش داده شده باعث تغییر در ریزساختار و افزایش اندازه ذرات ABS در زمینه PA6 شد. این نتیجه به ماهیت غیرقطبی ABS و نانوذرات کلسیم کربنات پوشش داده شده و همچنین اندازه بسیار ریز نانوذرات نسبت داده شد. به کارگیری نانوذرات کلسیم کربنات در آمیخته PA6/ABS به طور قابل ملاحظه ای بر خواص ضربه ای اثر گذاشت. نتایج آزمایشات تجربی نشان داد، مقاومت ضربه ای شکاف دار در نمونه های محتوی 2 درصد وزنی نانوذرات، بیش از 160 درصد نسبت به آمیخته پلیمری PA6/ABS افزایش یافت. در نمونه های ضربه بدون شکاف، در حضور 2 و 5 درصد وزنی نانوذرات، به دلیل انعطاف پذیری زیاد نمونه ها، شکستی رخ نداد.
    کلیدواژگان: PA6، ABS، نانوذرات کلسیم کربنات، شکل شناسی، خواص ضربه ای
  • ابوذر گل گون، محمود علی اف خضرایی*، منصور طورانی، محمدحسین مرادی، احسان گل گون صفحات 51-58
    در این مقاله به بررسی خواص خوردگی، ساختار و مورفولوژی پوشش های پلیمری ایجاد شده به کمک دستگاه پاشش الکترواستاتیک پرداخته شده است. به این منظور نانوذرات رس به میزان 5% وزنی درون زمینه پلیمر پلی استری به کمک روش های متوالی و مختلف اختلاط به خوبی پراکنده شده و سپس پودر نانوکامپوزیتی تهیه شده به کمک روش پاشش الکترواستاتیک روی سطح قطعات فولاد ساده کربنی پوشش داده شده و با پوشش های پلی استری خالص مقایسه شدند. مورفولوژی و ساختار نانوذرات رس توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری بررسی شد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی و عبوری مربوط به نانوذرات رس نشان دهنده صفحات لایه لایه رس می باشد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی پوشش ها نشان می دهد که با افزودن نانوذرات رس، میزان حفرات پوشش های نانوکامپوزیتی نسبت به پوشش های خالص کاهش یافته است. همچنین با استفاده از آزمون های غوطه وری و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی، خواص خوردگی پوشش ها بررسی شد. نتایج آزمون های خوردگی نشان می دهند که مقاومت به خوردگی پوشش نانوکامپوزیتی در اثر افزودن نانوذرات رس افزایش یافته است.
    کلیدواژگان: الکترواستاتیک، نانوکامپوزیت، نانوخاک رس، طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی
  • محمد حسینی*، عباس زندی باغچه مریم صفحات 59-72
    در این مقاله رفتار الکترومکانیک سیلندر دوار پیزوالکتریک با خواص ماده تابعی واقع شده در میدان مغناطیسی و حرارتی بررسی شده است. در این بررسی تمام خصوصیات مکانیکی، مغناطیسی، الکتریکی و حرارتی ماده پیزوالکتریک به صورت تابع توانی که در راستای شعاع تغییر می کند، در نظر گرفته شده است. با استفاده از معادله انتقال حرارت در یک بعد و با در نظرگرفتن شرط متقارن بودن سیلندر، می توان تغییرات دما در حالت پایا را به دست آورد. با بهره گیری از معادلات الکترودینامیکی ماکسول و در نظرگرفتن میدان مغناطیسی اولیه هم راستا با محور سیلندر، نیروی ناشی از آن برای حالت ناهمگن به دست می آید. با استفاده از معادلات توزیع دما در جداره سیلندر تحت شرایط مرزی در نظر گرفته شده و به کارگیری از روابط تعادل الکترومکانیک و با به دست آوردن نیروی ناشی از میدان مغناطیسی، معادله دیفرانسیل غیرهمگنی استخراج می شود که با روش تحلیلی حل شده است. همچنین در این مطالعه تحلیل ترمومکانیک یک سیلندر پیزوالکتریک با خواص تابعی نیز با استفاده از نرم افزار المان محدود انسیس (ANSYS) انجام شده است. با بهره گیری از روش تحلیلی و عددی و با ارائه مثال های عددی، تاثیر پارامتر مختلف از جمله شدت میدان مغناطیس و حرارت و ضریب ناهمگنی بر رفتار تنش و کرنش، توزیع پتانسیل الکتریکی و جابه جایی شعاعی سیلندر بررسی شده است. به منظور بررسی صحت نتایج حاصل شده، نتایج با مطالعات گذشته در زمینه سیلندر با مواد مدرج تابعی مقایسه شده اند.
    کلیدواژگان: سیلندر دوار پیزوالکتریک، الکترومکانیک، مواد مدرج تابعی، میدان حرارتی و مغناطیسی، نرم افزار انسیس
  • ایمان رحیمی بافرانی، حمید اختراعی طوسی* صفحات 73-84
    در چند دهه ی اخیر، تولید مواد هوشمند منجر به ایجاد سازه های برتر با خواص ممتاز شده است. از جمله ی این مواد می توان به آلیاژ های حافظه دار، که قابلیت بازیابی کرنش های پلاستیک بزرگ در اثر اعمال تنش یا حرارت را دارند، اشاره نمود. توسعه ی عملگر های آلیاژ حافظه دار به شکل های سیم و استنت در حوزه های مهندسی و سازه های هوشمند بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا، مدل تحلیلی برای تیر کامپوزیتی با الیافی از جنس آلیاژ حافظه دار که روی بستر الاستیک پاسترناک قرار گرفته، ارائه شده است. تیر کامپوزیتی دارای تکیه گاه ساده در دو طرف بوده و الیاف حافظه دار با پیش-کرنش فشاری در لایه ی میانی تیر قرار گرفته اند. معادله های دیفرانسیل حاکم بر تیر های اولر-برنولی، رایلی، برشی و تیموشنکو با استفاده از اصل همیلتون استخراج شده اند. با اعمال حرارت، عملیات بازیابی کرنش، نیروی کششی در راستای طول تیر اعمال و این نیرو منجر به ایجاد نیروی فشاری در تکیه گاه ها می شود. نیروی ایجاد شده با استفاده از رابطه ی تغییر فاز مارتنزیتی مدل شده است. با بی بعد سازی معادله های دیفرانسیل حاکم، روابط تحلیلی برای ارزیابی پاسخ دقیق فرکانس طبیعی تیر ارائه شده است. اعتبار نتایج از طریق مقایسه ی موردی با تحلیل های مشابه مورد صحت سنجی قرار گرفته است. براساس تحلیل های انجام شده، تاثیر ضرایب بستر الاستیک پاسترناک، تعداد الیاف حافظه دار، نسبت ضخامت به طول تیر، حد کرنش قابل بازیابی و نسبت طول به پهنای تیر روی فرکانس طبیعی در دمای بالاتر از دمای پایان آستنیت براساس نظریه های مختلف مهندسی تیر تعیین و ارائه شده است.
    کلیدواژگان: تحلیل فرکانسی، تیر کامپوزیتی، الیاف حافظه دار، بستر الاستیک
  • مرتضی سروری، مهدی دیواندری* صفحات 85-92
    تولید کامپوزیت فلزی های منیزیم- آلومینیم، به منظور کاهش وزن قطعات صنعتی و افزایش بازده مصرف سوخت، در سال های اخیر مورد توجه صنعت حمل و نقل قرار گرفته است. در این تحقیق منیزیم در دمای 700 درجه ی سلسیوس و نسبت حجمی مذاب-جامد (Vm/Vs) 5/1 داخل استوانه ی توخالی آلومینیمی، پیش گرم شده در دماهای مختلف شامل 320، 400 و 450 درجه ی سلسیوس و سرعت دوران 1600 دور بر دقیقه، درون یک دستگاه گریز از مرکز عمودی ریخته گری شد. اثر شرایط سرد کردن و همچنین تداوم نگهداری نمونه ها در داخل دستگاه، تحت نیروی گریز از مرکز تا انجماد کامل، بررسی شد. تغییرات دمای پیش گرم جامد، از 320 تا 450 درجه ی سلسیوس، منجر به افزایش لایه واکنشی و تغییرات فازی شد. نتایج حاصل از آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی مجهز به طیف سنج پراش انرژی پرتو ایکس نشان داد که ترکیبات بین فلزی Al3Mg2 و Al12Mg17، ساختار یوتکتیک و همچنین محلول جامد منیزیم-آلومینیم در فصل مشترک تشکیل می شود. نگه داشتن نمونه در دستگاه، تا سرد شدن و رسیدن به محدوده دمایی 150 درجه ی سلسیوس، از بروز ترک های انقباضی و نهایتا جدا شدن دو فلز جلوگیری می کند.
    کلیدواژگان: کامپوزیت آلومینیم، منیزیم، پیش گرم، نیروی انقباضی، ریخته گری گریز از مرکز
  • محمد طاهای ابدی صفحات 93-106
    مدل میکرومکانیکی برای تحلیل شکست مواد مرکب تقویت شده با الیاف تک جهته در بارگذاری عرضی ارائه می شود که علاوه بر مدل سازی رفتار غیرخطی زمینه در اثر بارگذاری بیش از حد تسلیم آن، قابلیت مدل سازی عیوب ناشی از جدایش بین زمینه و الیاف و ترک های زمینه را دارد. میکروساختار مواد مرکب با استفاده از سلول های واحد و با فرض متناوب بودن میکروساختار توصیف می شود که در آن الیاف به صورت منظم یا غیرمنظم توزیع شده است. مدل میکرومکانیک برای تعیین استحکام عرضی مواد مرکب با زمینه ی آلومینیوم و الیاف کربن استفاده می شود که الیاف با توجه به صلبیت بالای آن ها با مدل الاستیک خطی همسانگرد و زمینه با مدل الاستیک-پلاستیک همسانگرد توصیف می شود. معیار پیدایش عیوب در زمینه براساس معیار حداکثر کرنش اصلی و با توجه به میزان کرنش نهایی ماده ی زمینه توصیف می شود که افزایش تنش اعمالی پس از پیدایش عیب منجر به کاهش سفتی ماده و در نهایت ایجاد ترک در ماده ی زمینه می شود. اتصال بین زمینه با استفاده از مدل چسبناکی توصیف و پیدایش عیوب در آن با توجه به میزان استحکام محوری و برشی اتصال تعیین می شود. مدل میکرومکانیک برای مطالعه ی اثر توزیع هندسی الیاف در میکروساختار، درصد حجمی الیاف، اثر استحکام اتصال بین زمینه و الیاف استفاده شده و نواحی ایجاد عیوب و نحوه ی گسترش آن ها، علاوه بر نمودارهای تنش-کرنش در ماده مرکب تعیین می شود.
    کلیدواژگان: جدایش زمینه و الیاف، ترک زمینه، میکرومکانیک، استحکام شکست
|
  • Mahmood Mehrdad Shokrieh*, Afshin Zeinedini Pages 1-10
    In this paper, the effect of carbon nanotubes on mode I strain energy release rate at crack growth initiation of epoxy-based nanocomposites was studied analytically. In this theoretical model, effect of carbon nanotubes debonding from its surrounding resin at the crack tip was postulated as one of the causes of increasing of the strain energy release rate of nanocomposites in comparison with the pure resin. Furthermore, a representative volume element was considered at the nanoscale. The assumed representative volume element contains carbon nanotubes, surrounding resin and the interphase. The available mechanical properties and the thickness of the interphase in the literature were used. Finally, a model for increasing the strain energy release rate of nanocomposites due to presence of carbon nanotubes was introduced based on mechanical properties and geometric parameters of carbon nanotubes and resin. It must be noted that enhancement of strain energy release rate in comparison with the pure polymer was investigated by correlation between nano, micro and macro-scales. To validate the proposed analytical model, results were compared with other experimental results available in the literature. The results show that the present model has a reasonable error and is able to model the effect of single-wall and multi-wall carbon nanotubes on nanocomposites strain energy release rate.
    Keywords: Strain energy release rate, Analytical model, Mode I, Carbon nanotubes, Nanocomposites
  • Hamed Khosravi, Reza Eslami, Farsani* Pages 11-20
    Grid-stiffened composite (GSC) structures have been maturely developed in aerospace, aircraft and automobile industries due to their attractive properties such as high specific strength and stiffness, superior load bearing capacity, and excellent energy absorption capability. These structures undergo various loading conditions in service. In the present study, iso-GSC structures reinforced with silica nanoparticles (SiO2) have been investigated in terms of their capability to improve the mechanical properties during transverse loading. At first, a silane coupling agent (3-glycidoxypropyltrimethoxysilane/3-GPTS) was introduced onto the silica nanoparticle surface and the effects of silica content (0, 1, 3, and 5 wt.% with respect to the matrix material) on the three-point flexural response of isogrid E-glass/epoxy composites were assessed. Based on the Fourier transform infrared (FT-IR) spectra, it was inferred that the 3-GPTS coupling agent was successfully grafted onto the surface of silica nanoparticles after modification. The results showed that nano-SiO2 particles incorporation affected the flexural properties of the isogrid fibrous composites. Maximum improvements in the flexural load and energy absorption were obtained after adding 3 wt.% nano-SiO2 particles. In this condition, up to 14% and 25% increase in the maximum flexural load and energy absorption, respectively were observed, compared to the sample without silica addition. In these structures, a considerable amount of energy absorption occurred beyond primary failure at the peak load point. Furthermore, the flexural stiffness was increased by increasing the silica loading. In conclusion, this study suggests that the addition of modified silica nanoparticles is a promising method to improve the flexural properties of the grid-stiffened fibrous composite structures.
    Keywords: Isogrid composite, Surface modified silica, nanoparticles, Transverse loading, Energy absorption
  • Amin Farrokhabadi*, Mohsen Naghdinasab Pages 21-30
    One of the most important issues about the composites behavior in different loading conditions is the initiation and propagation of various damage modes that have significant effects on the application of these materials. Fiber/matrix debonding is one of the first damage modes that appears in different composites and causes the formation of other damage modes like matrix cracking. In the present study, by using the cohesive zone model (CZM) as well as an extended finite element method (XFEM) and by applying a transverse loading on different representative volume elements (RVE’s) in micromechanical scale, the effects of initiation and propagation of different damage modes like fiber/matrix debonding and matrix cracking will be studied. To this aim, the authors start by studying the behavior of cohesive zone model and validating the applied method by simulating the previous researchs. Then, the effects of cohesive zone on different volume elements will be studied and the results will compare with each other. Finally by entering the effects of matrix cracking initiation and propagation using the extended finite element method, effects of cohesive zone damage and matrix cracking will be studied simultaneously based on finite element method and using Abaqus software
    Keywords: Micromechanics, Representative volume element, Cohesive zone, Matrix cracking, Extended finite element method
  • Hadi Ghorbani, Mohammad Golzar*, Amir Hossein Behravesh Pages 31-42
    The impregnation prediction of melted thermoplastic into reinforced fiber is the one of the challenges in pultrusion of thermoplastic composites. In this paper, tow impregnation models has been presented to analyze the impregnation in the pultrusion process of thermoplastic composites. At first, a simple model based on Darcy’s law is provided. In the first model, without considering microscopic impregnating flow, velocity of macroscopic flow and pressure of the molten thermoplastic calculated along the axis of the pultrusion mold. The calculated pressure in the macroscopic flow in the axial direction is combined with Darcy equations in microscopic and macroscopic flow, then the simple equation is obtained to calculate the radial velocity of melted thermoplastic and the radius dimension of the dry region of the fiber agglomeration. This dry region radius shows an estimate of the degree of impregnation. In the second part, a developed model has been proposed. In this model, microscopic flow and the radius changes of agglomeration are considered. Darcy equation is written in two radial microscopic and macroscopic axial direction flows. The perfect equation considering the macroscopic and microscopic flow is proposed. This equation represents the relationship between pressure drops in macroscopic axial and microscopic radial direction and the radius of the dry region and agglomeration radius with other constants. An iterative solution algorithm for solving the developed model is used. Both models for a series of inputs have been calculated. The degree of impregnation and radius of dried fiber region in agglomerations has been calculated.
    Keywords: Pultrusion, Impregnation model Composite, Thermoplastic
  • Mohammad Baraheni, Karim Shelesh, Nezhad*, Azam Miralami, Ali Reza Adli, Behzad Hashemi Soudmand Pages 43-50
    Nanocomposites based on PA6/ABS (60/40) containing 3 phr of POE-gr-MA and 2, 5 and 8 wt.% of CaCO3 nanoparticles (10-15 nm) were prepared by melt compounding, using a co-rotating twin-screw extruder, followed by injection molding process. The morphology and impact properties were characterized. The inclusion of coated CaCO3 nanoparticles into PA6/ABS altered the morphology, and as a consequence, ABS particle size in PA6 matrix was increased. This result was attributed to the nonpolar natures of ABS and coated CaCO3 as well as very small nanoparticles’ size. Incorporation of CaCO3 nanoparticles noticeably affected the impact properties. By adding 2 wt.% of nanoparticles, the impact strength in notched samples was increased as high as 160% when compared to net PA6/ABS. Due to their high flexibility, no break was observed in unnotched samples containing 2 and 5 wt.% of nanoparticles.
    Keywords: PA6, ABS, CaCO3 nanoparticle, morphology, impact behavior
  • Abozar Golgoon, Mahmod Aliofkhazraei*, Mansor Toorani, Mohammad Hossein Moradi, Ehsan Golgoon Pages 51-58
    In this paper, structure and morphology of powder coatings created by electrostatic spraying method and also the corrosion protection properties of these coatings, were investigated. For this purpose, 5%Wt nanoclay was embedded in polyester matrix using different and continuous mixing methods. Fabricated nanocomposite powder and pure polyester powder were applied on the carbon steel by electrostatic spraying method. Morphology and structure of nanoclay was studied by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM). SEM and TEM micrograph showed lamellar structure of nanoclay. Also the morphology and structure of the created coatings were analyzed by SEM. The results of SEM for coatings showed that the nanocomposite coatings have less pores and are more compact than pure coatings. The corrosion properties of coatings were investigated by immersion test and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Corrosion test results showed that the corrosion resistance of the nanocomposite coatings have increased about 30 times than pure coatings
    Keywords: Electrostatic, Nanocomposite coatings, Nanoclay, EIS
  • Mohammad Hosseini*, Abbas Zandi Baghche Maryam Pages 59-72
    In this paper, electromechanical response analysis of a rotating piezoelectric cylinder with functionally graded material under thermomagnetic fields is presented. In this study all mechanical, magnetic, electrical and thermal piezoelectric material properties, were considered to follow an identical power law in the radial direction. Using heat transfer equation in one dimension (1D) with symmetric boundary conditions, the temperature changes in the steady-state can be achieved. According to Maxwell electrodynamics equations, Lorentz magnetic force is obtained due to the presence of an externally applied axial magnetic field. Using the equation of temperature distribution in the cylinder wall thickness under considered boundary conditions and the use of electromechanical relations by acquiring the magnetic force, inhomogeneous differential equation is derived and then solved by analytical method. Also, the ANSYS finite-element software is employed for thermo-piezo-mechanical analysis of a rotating functionally graded piezoelectric cylinder. By providing a numerical example, the effect of various parameters such as the intensity of the magnetic field and temperature and coefficient of heterogeneous material on the stress and strain behavior, electric potential distributions and radial displacement of cylinder is investigated. To validate the results, comparisons are made with the solutions for FGM cylinder available in the literature.
    Keywords: Rotating piezoelectric cylinder, Electromechanical, Functionally graded material, Thermomagnetic fields, ANSYS software
  • Iman Rahimi Bafrani, Hamid Ekhteraei Toussi* Pages 73-84
    In the last decades, the production of smart materials have led to modern structures with superior properties. Among these materials one may points to the Shape Memory Alloys (SMAs) which show the capability of retaining the large plastic strains when exposed to outer temperature or traction loadings. The developement of SMA acuators in the forms of wire and stent have attracted many attentions in the fields of engineering and smart structures. In this regard, an analytical model is represented for the composite beam with shape memory alloy wires resting on the Pasternak elastic foundation. The composite beam is simply-supported in both sides and pre-strained SMA wires are embedded in the middle of the cross section. The governing equations of Euler-Bernoulli, Rayleigh, Shear and Timoshenko beams are extracted using the Hamilton's principle. By heating the beam, strain recovery operation will produce a tensile force along the beam. This tensile force in turn will produce a compressive force against the beam supports. The resulted force is modeled by martensite transformation. By normalizing the governing equations, analytical relations are provided to evaluate the exact solution of natural frequency. The validity of results are established by comparing the typical solution with similar solution in the literature. Based on the analyses, the effects of Pasternak foundation coefficients, number of SMA wires, thickness to span ratio, recoverable strain limit and span to width ratio on the natural frequency in temperature above the austenite finish temperature are found and represented by using the engineering beam theories
    Keywords: Frequency analysis, Composite beam, Shape memory alloy wires, Elastic foundation
  • Morteza Sarvari, Mehdi Divandari* Pages 85-92
    Production of Mg-Al bimetal composite, for weight reduction of industrial components and decrease in fuel consumption, has taken attentions in the transport industry during recent years. In this research Mg melt was poured at 700 Celsius into Al hollow cylinder, with 1.5 melt to solid volume ratio (Vm/Vs), preheated at various temperature including; 320, 400 and 450 Celsius, respectively, while they were rotating at 1600 rpm in a vertical centrifugal casting machine. Effect of the cooling process after pouring, and also contraction behavior of magnesium-aluminum bimetal during solidification, under centrifugal force, was studied. Preheating temperature from 350 to 450 Celsius led to the increasing of reaction layer and phase changes. Study of microstructure using scanning electron microscope (SEM) equipped with x-ray spectroscopy showed Al3Mg2 and Al12Mg17 intermetallic compounds, eutectic structure and Mg solid solution are formed in the interface. Keep the casting in the casting machine, while rotating and cooling to the range of 150 Celsius, prevented creation of contraction cracks and separation of two layers composite alloy.
    Keywords: Mg, Al composite, preheating, contraction force, centrifugal casting
  • Mohammad Tahaye Abadi Pages 93-106
    A micromechanical model is presented to analyze the fracture response of unidirectional composite materials considering the nonlinear behavior of matrix material under loading more than the yield strength as well as the fiber-matrix debonding and matrix cracking. The composite microstructure is characterized with repeating unit cell with regular or random fiber-packing patterns. The micromechanical model is employed for composite material with aluminum matrix and carbon fibers. The high rigidity fibers are modeled as linear isotropic elastic material, while matrix material is characterized with elastic-plastic model. The damage initiation stage in matrix material is described by principal strain criterion accompanied with damage evolution considering stiffness degradation up to crack formation. The bonding between fiber and matrix is modeled using cohesive model, in which damage initiation criterion depends on the normal and shear strength of the cohesive zone. The micromechanical model is employed to study the effects of fiber distribution, fiber volume fraction, fiber-matrix bonding strength on the crack propagation through the microstructure as well as the stress-stain graph up to the fracture of microstructures.
    Keywords: Fiber, matrix debonding, Matrix cracking, Micromechanics, Fracture strength