فهرست مطالب

علوم و فناوری کامپوزیت - سال هشتم شماره 4 (پیاپی 30، زمستان 1400)

نشریه علوم و فناوری کامپوزیت
سال هشتم شماره 4 (پیاپی 30، زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1401/06/09
  • تعداد عناوین: 12
|
  • محمد نیرومند، یاسر وحیدشاد*، مسعود امامی، کارن ابری نیا صفحات 1749-1757
    در دهه های اخیر استفاده از کامپوزیت های زمینه فلزی و مواد تابعی مدرج به دلیل بدست آمدن تلفیقی از خواص مکانیکی و فیزیکی گسترش پیدا کرده است. در این پژوهش روش ریخته گری گریز از مرکز درجا برای ساخت قطعات استفاده شد. کامپوزیت اولیه مورد استفاده در این روش Al-15wt.%Mg2Si بود. قطعات تابعی مدرج درجا با سرعت های دورانی 1000، 1300 و 1700 دور بر دقیقه با موفقیت ساخته شدند. برای بررسی ریزساختار نمونه های تولید شده از میکروسکوپ نوری و برای بررسی خواص مکانیکی از سختی سنجی ویکرز استفاده شد. مقطع نمونه های ساخته شده به دو قسمت تقویت شده و ماتریس تفکیک شدند و مشاهده شد که با افزایش دور قالب، اندازه قسمت تقویت شده کاهش می یابد ولی درصد حجمی ذرات در آن ناحیه افزایش پیدا می کند. تخلخل به عنوان متغیری مخرب در قسمت تقویت شده افزایش پیدا کرد. سختی در ناحیه تقویت شده افزایش یافت و بیشینه مقادیر سختی برای قطعات با سرعت دورانی های 1000 و 1300 دور بر دقیقه به ترتیب معادل 5/67 و 70 ویکرز بدست آمد. همچنین در ناحیه کنار قالب، سختی افزایش یافت و بیشینه مقدار سختی برای قطعه با سرعت دورانی 1700 دور بر دقیقه، معادل 70 ویکرز در این ناحیه بدست آمد. عملیات حرارتی انحلال برای نمونه های ساخته شده انجام شد. با مشاهده ریزساختار دیده شد که مورفولوژی ذرات Mg2Si اولیه و یوتکتیک تغییر کرده اند. سختی پس از عملیات حرارتی با حفظ روند کمی افزایش پیدا کرد.
    کلیدواژگان: مواد تابعی مدرج، ریخته گری گریز از مرکز درجا، ریزساختار، عملیات حرارتی، خواص مکانیکی
  • حمید بذرکار، علیرضا لرک*، بابک امین نژاد صفحات 1758-1766
    این تحقیق به منظور تقویت خواص مکانیکی سیمان، بر بکار گیری از نانولوله های کربنی به دلیل داشتن خواص مکانیکی عالی تمرکز کرده است. اگرچه کاربرد نانولوله های کربنی بعنوان تقویت کننده مواد سیمانی به موضوع هیجان انگیزی برای تحقیقات در توسعه بتن و سیمان مطرح شده بود, اما به دلیل چالش های ذاتی این ماده در توزیع و انطباق پذیری با محیط کاربرد, عملکرد چشم گیری مطابق بر انتظارات حاصل نشد. در این راستا به عنوان یک نوآوری تحقیقاتی، برای غلبه بر چالش عدم توزیع یکنواخت نانولوله های کربنی آلی در محیط پایه آبی زمینه سیمان از تکنیک های پیشرفته سنتز نانو کامپوزیت های پلیمر و پلیمریزاسیون مینی امولسیونی استفاده شد. نتایج این تحقیق نشان داد که نانولوله های کربنی در امولسیون های پلیمری پراکنده می شوند و لاتکس پلیمری نیز به خوبی درزمینه پایه آبی سیمان پراکنده می شود و توزیع گسترده ای از نانو ذرات را به منظور بهره گیری از بیشترین عملکرد سطحی و خصوصیات مکانیکی آن ها میسر می کند. عدم کلوخه شدن و تجمع نانو ذرات در ساختار سیمان سبب بهره گیری از بیشترین سطح واکنشی و فیزیکی از این نانو ذرات شده است که به طور چشمگیری بر تقویت خصوصیات مکانیکی توده سیمان پس از سخت شدن تاثیر داشته است به طوری که نتایج تجربی افزایش قابل توجه مدول یانگ تا 580٪، از 4.12 گیگاپاسکال برای نمونه معیار در مقایسه با 28 گیگاپاسکال برای نمونه 4 اصلاح شده با 4 درصد وزنی نانو پلیمر را نشان می دهد. این نمونه ها در فرم دوغاب نیز خصوصیات ریولوژی معیار برای قابلیت پمپاژ و اعمال فشار هیدروستاتیکی کافی برای کنترل چاه را به خوبی مهیا می کنند.
    کلیدواژگان: مقاومت مکانیکی، خواص الاستیک، نانولوله های کربنی، ترکیبات سیمان، استحکام بتن
  • مسلم نجفی*، رضا انصاری صفحات 1767-1779

    به رغم ویژگی های منحصر به فرد برتر بالسا نظیر قیمت مناسب و خواص مکانیکی عالی، آب دوستی و حساسیت فراوان این ماده به جذب رطوبت، استفاده روزافزون از آن را در ساخت سازه های پیشرفته دریایی با چالش جدی مواجه نموده است. در صورت نفوذ رطوبت به پوسته های کامپوزیتی، ساختارهای ساندویچی مبتنی بر هسته بالسا دچار جذب آب شدید شده و انسجام ساختاری آن به مخاطره می افتد. در این مطالعه، به منظور ارتقاء خواص مکانیکی و همچنین مقاومت محیطی ساختارهای ساندویچی مبتنی بر هسته بالسا در مواجهه با شرایط محیطی مرطوب، ایده استفاده از چندلایه های الیافی فلزی به جای پوسته های کامپوزیتی پلیمری پیشنهاد شده است. بدین منظور، ساختارهای ساندویچی با هسته بالسا و دو نوع پوسته کامپوزیتی ساخته شده از الیاف شیشه/اپوکسی و چندلایه الیافی فلزی تحت آزمون های شرایط محیطی و مکانیکی قرار گرفتند. اهم نتایج به دست آمده از آزمون پیرسازی 100روزه در آب نشان می دهد که حداکثر میزان جذب آب در نمونه های ساندویچی با پوسته کامپوزیت الیاف شیشه/اپوکسی و چندلایه الیافی فلزی با لبه های آب بندی شده و دارای آسیب مصنوعی به ترتیب 106.71% و 83.32% است. همچنین با بررسی رفتار خمشی و کمانشی دو نوع ساختار ساندویچی مذکور، پیش و پس از فرایند پیرسازی رطوبتی مشخص شد که کاهش بار خمشی، سفتی خمشی و بار کمانشی بیشینه ناشی از پیرسازی رطوبتی در نمونه های ساندویچی با پوسته کامپوزیت الیاف شیشه/اپوکسی با لبه های آب بند به ترتیب 23.43%، 23.15% و 36.14% و برای نمونه های با پوسته چندلایه الیافی فلزی به مراتب کمتر و به ترتیب 13.57% و 11.06% و 16.14% بوده است.

    کلیدواژگان: ساختارهای ساندویچی، هسته بالسا، چندلایه های الیافی فلزی، رفتار خمشی، رفتار کمانشی
  • کاوه بستام، افشین زین الدینی* صفحات 1780-1788
    هدف اصلی این مقاله، تعیین خواص کششی کامپوزیت های انعطاف پذیر طبیعی است. برای ساخت این کامپوزیت ها، الیاف طبیعی پنبه و لاتکس بترتیب بعنوان تقویت کننده و زمینه استفاده شدند. در گام اول، نمونه های لاتکس خالص ساخته شدند و تحت بار کششی آزمایش شدند. در مرحله بعد با استفاده از الیاف پنبه، لاتکس تقویت گردید و نمونه های ساخته شده تحت بار کششی قرار گرفتند. همچنین، از آلیاژ حافظه دار نیتینول برای بهبود خواص کششی لاتکس خالص و کامپوزیت های لایه ای پنبه/لاتکس استفاده گردید. لذا، یک، دو یا سه سیم نیتینول در نمونه لاتکس خالص و کامپوزیت های پنبه/لاتکس بکار برده شدند. نتایج مطالعات تجربی نشان دادند که در حضور الیاف طبیعی پنبه، استحکام لاتکس از 0.93 به 13.51 مگاپاسکال افزایش پیدا کرد. بعلاوه، مشاهده شد که به ازای افزودن یک، دو و سه سیم نیتینول، استحکام کششی نهایی نمونه های لاتکس خالص بطور تقریبی بترتیب 70، 500 و 800 درصد افزایش می یابد. در حالیکه استحکام کششی نهایی کامپوزیت های لایه ای به ازای افزودن یک، دو و سه سیم نینینول بطور تقریبی بترتیب 2، 20 و 40 درصد افزایش می یابد. همچنین، مقایسه نتایج این تحقیق با مطالعات سایر محققین نشان می دهد که با کامپوزیت های پنبه/اپوکسی تقویت شده با سیم نیتینول، استحکام کششی این ماده انعطاف پذیر از چرم های طبیعی و مصنوعی بطور قابل توجهی بزرگتر است.
    کلیدواژگان: کامپوزیت، لاتکس، الیاف پنبه، آلیاژ حافظه دار، خواص کششی
  • هادی سلیمانی، محمدرضا نخعی امرودی*، قاسم نادری صفحات 1789-1796

    در این مقاله، افزودن نانوذرات کاربید سیلیسیم (SiC) به وسیله فرایند اصطکاکی اغتشاشی (FSP) به ترکیب پلی آمید 6 (PA6)/ لاستیک آکریلونیتریل بوتادین (NBR) انجام گرفت. بهینه سازی پارامتر های فرایندی سرعت دورانی پین (ω) و سرعت خطی شولدر (V) و پارامتر موادی مقدار نانوذره کاربید سیلیسیم (S) نیز در جهت دستیابی به پاسخ های مکانیکی بهینه استحکام کششی و تغییر طول در هنگام شکست از روش سطح پاسخ (RSM) استفاده شد. اعتبار سنجی نتایج مکانیکی با استفاده از مقایسه ریزساختار نمونه های نانوکامپوزیتی با میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) انجام شد. با استفاده از مدل های ریاضی، نتایج نشان داد که استحکام کششی و تغییر طول در هنگام شکست با افزایش سرعت چرخش از 800 rpm به 1200 rpm در مقادیر ثابت کاربید سیلیسیم و سرعت خطی افزایش می یابد. بعلاوه، نتایج بهینه سازی اثبات کرد، با انتخاب مقادیر 1200 rpm، 20 mm/min و 2.784 wt.% کاربید سیلیسیم به ترتیب به عنوان پارامتر های فرایندی و موادی، شرایط برای دستیابی به حداکثر مقدار استحکام کششی و تغییر طول در هنگام شکست به طور همزمان فراهم خواهد شد. با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده شد، تغییرات در خواص مکانیکی به تغییر اندازه فاز الاستومری NBR در ریزساختار نمونه های مختلف وابسته است.

    کلیدواژگان: پلی آمید 6، لاستیک آکریلونیتریل بوتادین، کاربید سیلیسیم، فرایند اصطکاکی اغتشاشی، روش سطح پاسخ
  • حمید دانشمند، مسعود عراقچی* صفحات 1797-1805
    کامپوزیت های زمینه تفلون به طور گسترده به عنوان مواد آب بندی استفاده می شوند. این مواد کامپوزیتی با تقویت کننده های مختلف به صورت صنعتی ساخته و عرضه شده اند. باوجود خواص مطلوب آب بندهای تجاری، این مواد به طورکلی قابلیت آب بندی در شرایط خاص کاری را ندارند و نیاز به طراحی و ساخت آب بندهای کامپوزیت زمینه تفلون با تقویت کننده های جدید می باشد. در این مطالعه از پودر اتمیزه آلیاژ اینکونل 625 به عنوان فاز تقویت کننده برای ساخت کامپوزیت زمینه تفلون استفاده شده است. تاثیر درصد وزنی تقویت کننده بر روی خواص مکانیکی و تریبولوژیکی کامپوزیت ها بررسی شده است. بعلاوه، از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی به منظور بررسی سایش کامپوزیت استفاده شد. فزودن اینکونل 625 به طور قابل توجهی مقاومت سایش تفلون را بهبود می بخشد. افزودن فاز تقویت کننده اینکونل 625 به زمینه تفلون سبب تغییر ساز و کار سایش تفلون از نوع خستگی به نوع چسبنده می شود. با بررسی های شبیه سازی دینامیک مولکولی مشخص شد که علت این امر به سبب انرژی برهمکنش بالا در فصل مشترک تفلون و اینکونل 625 می باشد که اجازه نمی دهد تفلون به سادگی از نمونه جدا شوند. در بین کامپوزیت های توسعه یافته، کامپوزیت زمینه تفلون تقویت شده با 50 درصد وزنی اینکونل 625 بهترین ترکیب از نظر سختی (70 شور D) و نرخ سایش ویژه (4-10 4/7 mm3 / Nm) را داشت. روش ساخت به سهولت قابل استفاده می باشد و نمونه های ساخته شده قابلیت تولید صنعتی را دارند.
    کلیدواژگان: کامپوزیت تفلون، سایش، کشش، سختی، شبیه سازی دینامیک مولکولی
  • محسن طاهری بروجنی، محمدجواد اشرفی* صفحات 1806-1816

    مواد خودترمیم به عنوان یکی از انواع مواد هوشمند در ترمیم و تعمیر وسایل و پیشگیری از خرابی و از کار افتادگی ابزارها، قابلیت استفاده دارند. روش های متعددی برای افزایش بازده و تکرار پذیر کردن فرایند خودترمیمی وجود دارد که یکی از آن روش ها، ترکیب میکروکپسول های خودترمیم با آلیاژهای حافظه دار است. هرچند تعدادی پژوهش آزمایشگاهی در این زمینه انجام شده اما به این روش آن چنان که باید توجه نشده است. در این پژوهش تلاش شده است تا با استفاده از روش شبیه سازی اجزای محدود، نحوه عملکرد این ترکیب ارزیابی شود. به این منظور از میکروکپسولی شیشه ای در زمینه بتن و آلیاژ حافظه دار از جنس نیکل-تیتانیوم استفاده شده است. پس از بررسی نتایج تاثیر سیم های آلیاژ حافظه دار بر افزایش حداکثر تنش شکست، کاملا مشهود بود. با افزودن دو سیم حافظه دار تنش شکست از 1.93 مگاپاسکال به 2.08 مگاپاسکال رسیده است. همچنین اثر مهم تر، بستن دهانه ی ترک می باشد به نحوی که با استفاده از دو سیم حافظه دار، بازشدگی دهانه ی ترک از 5 میکرومتر به 0.008 میکرومتر رسیده است. سپس تاثیر شعاع سیم های آلیاژ حافظه دار و نسبت ضخامت و نسبت حجمی میکروکپسول بر تنش نهایی شکست و عملکرد خودترمیمی بررسی گردیده است. در انتها تاثیر استحکام لایه میانی بر شکست میکروکپسول و تنش نهایی شکست ارزیابی شده است.

    کلیدواژگان: آلیاژ حافظه دار، ترک، میکروکپسول، خودترمیمی
  • علی علیزاده*، محمد استخری، محمدرضا زحمتکش، مهدی عبدالهی آذغان صفحات 1817-1825
    کامپوزیت های واکنشی گروه جدیدی از مواد کامپوزیتی که متشکل از دو یا چند ماده هستند؛ به طوری که در شرایط محیطی قادر به اشتعال یا انفجار نیستند ولی در اثر شوک و بارهای ضربه ای شدید و افزایش دما، قابلیت آزادسازی انرژی زیادی را دارند. هدف در این تحقیق، بررسی اثر مدت زمان آسیاکاری بر ریزساختار و خواص حرارتی و خواص مکانیکی کامپوزیت Al-Ni است. به این منظور، ترکیب Al-Ni با نسبت مولی 2:1 در 0.5، 1، 2، 4 و 6 ساعت آسیاکاری و مخلوط شدند. سپس نمونه ها پرس سرد شده و در دمای C 400 به مدت یک ساعت تحت اتمسفر گاز خنثی تف جوشی شدند. ریزساختار به وسیله میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FESEM) و XRDآنالیز شد. برای بررسی خواص حرارتی از DSC و DTA و برای خواص مکانیکی از آزمون فشار و هاپکینسون استفاده شده است. نتایج آزمون DSC نشان داد که با افزایش زمان آسیاکاری دمای شروع واکنش از C 650.34 در نمونه 0.5 ساعت آسیاکاری شده به C 645.84 در نمونه 6 ساعت آسیاکاری شده و گرمای واکنش (آنتالپی) از J/g 26.87 به J/g 14.84 کاهش پیدا کرد. نتایج آزمون فشار و هاپکینسون برای نمونه با 6 ساعت آسیاکاری به ترتیب افزایش 21 و 42 درصدی استحکام فشاری را در مقایسه با نمونه با 0.5 ساعت آسیاکاری نشان داد. همچنین نتایج نشان داد با افزایش نرخ کرنش از s-1 0.01 (در آزمون فشار) به s-1 1000 (در آزمون هاپکینسون) تنش فشاری افزایش می یابد.
    کلیدواژگان: کامپوزیت های واکنشی، خواص فشاری، خواص حرارتی، آلیاژسازی مکانیکی
  • کوروش خورشیدی*، یاسین شعبانی صفحات 1826-1835
    در مقاله حاضر، ارتعاش آزاد ساندویچ ورق های مستطیلی حاوی سیال مگنتوریولوژیکال در هسته به عنوان یک سازه هوشمند با استفاده از تیوری تغییر شکل برشی اصلاح شده مثلثاتی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. به دلیل قابلیت تغییرات سریع ویسکوزیته سیال موجود در هسته، این سازه میتواند در کنترل ارتعاشات و مستهلک کردن انرژی مورد استفاده قرار گیرد. معادلات حاکم بر سازه به کمک اصل همیلتون و بدست آمده و با کمک روش باقی مانده وزنی گلرکین در شرایط مرزی چهارلبه ساده حل شده اند. تاثیرپذیری فرکانس و ضریب استهلاک مودال به عنوان دو پارامتر اصلی در تحلیل رفتار ارتعاشی این سازه، تحت عوامل مختلفی نظیر شدت میدان مغناطیسی و ضخامت سیال در هسته همراه با تاثیر پارامتر های هندسی مورد بررسی قرار گرفتهاند. برای نشان دادن دقت روابط حاصل شده، نتایح بدست آمده را با مقالات معتبر مقایسه و اعتبارسنجی شده است. نتایج حاکی از آن است که افزایش شدت میدان مغناطیسی باعث افزایش فرکانس و ضریب استهلاک نظیر هر مود میشود. همچنین افزایش ضخامت سیال تاثیر مستقیمی بر افزایش ضریب استهلاک و کاهش فرکانس دارد. باتوجه به کاربردهای روزافزون سازه های هوشمند امید است یافته های این پژوهش در کارآمدتر شدن کاربردهای مهندسی آن موثر باشد.
    کلیدواژگان: پانلهای ساندویچی، سیال مگنتورئولوژیکال، تئوری اصلاح شده مرتبه بالا، ارتعاش سازه های هوشمند، مواد هوشمند
  • زهرا دانشجو* صفحات 1836-1848

    در این مقاله با توجه به اهمیت پدیده پل زنی ترک حین رشد تورق در کامپوزیت های لایه ای تحت مود ترکیبی I/II و به منظور فهم فیزیک مسیله پل زنی ترک، ابتدا با انجام آزمایش های شکست بین لایه ای بر روی نمونه های کامپوزیتی و مشاهده سطوح شکست و ناحیه آسیب جلوی نوک تورق بر روی لبه نمونه ها با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، به شناسایی و معرفی مهم ترین مایکرومکانیزم های درگیر حین پدیده پل زنی الیاف پرداخته می شود. در ادامه، با توجه به پیچیدگی مدل های موجود برای پیش بینی قوانین پل زنی در تورق کامپوزیت های لایه ای و دشواری تعیین پارامترهای متعدد موجود در آن ها، یک روش تقریبی جدید برای تعیین قانون پل زنی بر اساس یک مدل پیچیده تر مبتنی بر فیزیک ارایه شده است. در این روش، با حفظ مبنای فیزیکی مسیله و از طریق جایگذاری تقریب های ساده در توصیف پل زنی، به استخراج قوانین پل زنی پرداخته شده است. مزیت اصلی روش ارایه شده، دستیابی به قوانین پل زنی با استفاده از روابط ساده تر و با تعداد پارامترهای موردنیاز کمتر است. در نهایت به منظور ارزیابی صحت و دقت روش، رفتار کشش- جدایش ناحیه پل زنی پیش بینی شده توسط قانون پل زنی تقریبی ارایه شده با منحنی های کشش- جدایش تجربی در نسبت ترکیب مودهای مختلف مقایسه خواهد شد.

    کلیدواژگان: قانون پل زنی، کامپوزیت لایه ای، ناحیه فرآیند شکست، تورق، بارگذاری مود ترکیبی I، II
  • علی طالع زاده لاری* صفحات 1849-1860

    در این پژوهش ارتعاشات پوسته استوانه ای کامپوزیتی در حضور ترک طولی و محیطی نفوذ کامل مطالعه شده است. معادلات حاکم بر پایه تیوری تغییرشکل برشی مرتبه اول نوشته شده و با انتخاب مقادیر مناسب برای پارامترها می تواند به هر یک از تیوری های دانل، لاو و یا ساندرز تبدیل شود. برای حل، از روش مربعات تفاضلی تعمیم یافته چند دامنه ای استفاده شده است. در این روش، فضای حل به چندین زیردامنه تقسیم شده و گسسته سازی معادلات حاکمه و شرایط مرزی لبه های پوسته و شرایط سازگاری در مرز مشترک زیردامنه ها در هر دو راستای طولی و محیطی به کمک روش مربعات تفاضلی تعمیم یافته انجام شده است. در نهایت، با مونتاژ معادلات حاصله، یک دستگاه معادلات جبری تشکیل شده و با استفاده از حل مقدار ویژه فرکانس طبیعی پوسته تعیین شده است. این روند در محیط متلب کدنویسی شده است. پس از مقایسه نتایج این روش با نتایج ارایه شده در مقالات موجود و نیز نتایج نرم افزار آباکوس و اطمینان از صحت و دقت آن، از این روش برای بررسی اثر پارامترهای مختلف بر رفتار ارتعاشی پوسته های استوانه ای کامپوزیتی دارای تر ک استفاده شده است. از نتایج به دست آمده می توان برای صحت سنجی مطالعات آتی استفاده نمود.

    کلیدواژگان: ارتعاشات، پوسته کامپوزیتی، ترک، تئوری تغییرشکل برشی مرتبه اول، مربعات تفاضلی تعمیم یافته چند دامنه ای
  • مهدی کاروان*، محمدصادق میرزایی سیچانی، علی اکبری دستگردی صفحات 1861-1871

    مقاومت به ضربه و جذب انرژی کامپوزیت های گرماسخت نه تنها به دلیل تردی ذاتی فاز زمینه یک چالش جدی محسوب می گردد، بلکه تقویت این فاز زمینه با دیگر مولفه های کامپوزیتی به دلیل وجود فازهای آگلوموره و برهمکنش های ضعیف در غیاب اصلاح کننده ها و عامل های کوپلینگ و در نتیجه انتقال نیروی ضعیف در فصل مشترک می تواند خواص جذب انرژی کامپوزیت های گرمانرم را بحرانی تر نماید. یکی از کمیت های هندسی مهم بر روی عوامل مذکور ضریب اندازه موثر الیاف می باشد. در این مطالعه، میکروکامپوزیت های هیبرید الیاف طبیعی کنف/پلی استر توسط روش ترکیب مستقیم با نسبت اندازه نامی الیاف کنف معادل 160، 250 و 320 ساخته شده و به منظور بررسی خواص هم افزایی، میکروذرات کربن سیاه با صفر تا 8 درصد وزنی به نمونه ها با درصد الیاف 5 افزوده شد. نتایج تاثیر مستقیم ضریب اندازه و درصد وزنی الیاف بر روی استحکام ضربه را با افزایش تا 203% نشان داد. اثر هم افزایی کربن سیاه بر روی نمونه های مرجع با طول الیاف 5/0 و 1 سانتیمتر با درصد 5 منجر به 108% افزایش در استحکام ضربه در طول الیاف 5/0 سانتیمتر شد ولیکن در طول الیاف بلندتر منجر به کاهش ضربه پذیری و عدم تاثیر چشمگیر بر انرژی جذب کامپوزیت ها شد. مشاهده 28 و 65 درصد بهبود انرژی جذب به ترتیب نسبت به پلی استر خالص و نمونه های مرجع 5% کنف با طول 5/0 سانتیمتر در 5% کربن سیاه اثر هم افزایی کربن سیاه/کنف را تایید نمود.

    کلیدواژگان: میکروکامپوزیت، الیاف طبیعی کنف، مقاومت ضربه، جذب انرژی، هم افزایی
|
  • Mohamad Nirumand, Yaser Vahidshad *, Massoud Emamy, Karen Abrinia Pages 1749-1757
    In recent decades, the use of metal matrix composites and functionally graded materials for achieving a combination of mechanical and physical properties has increased. In this research, an in-situ centrifugal casting method was used to make the samples. The primary composite used in this method was Al-15wt.% Mg2Si. In situ prepared functionally graded samples were successfully manufactured at 1000, 1300, and 1700 rpm rotational speeds. Optical microscopy was used to examine the microstructure of the samples, and a Vickers hardness tester was used to examine the mechanical properties. The cross-section of the fabricated samples was divided into two parts, the reinforced and the matrix parts. Porosity increased as a destructive parameter in the reinforced area. The hardness increased as the volume fraction of particles in the reinforced area was increased. Also, hardness increased in the chilled zone due to the fine-grains and trapped particles in that area. Solutionizing heat treatment was performed for the fabricated samples. By observing the microstructure, there was no change in the placement trend of the primary particles, but the morphology of the primary and eutectic Mg2Si particles were changed. Hardness increased after heat treatment while its gradient did not change.
    Keywords: FGM, Centrifugal casting in-situ method, Microstructure, Heat treatment, Mechanical properties
  • Hamid Bazrkar, Alireza Lork *, Babak Aminnejhad Pages 1758-1766
    Cement protector sheath as a factor of durability and stability in oil and gas wellbore structure plays a vital role in the continuous sustainable production from hydrocarbon reservoirs. In order to enhance the mechanical properties of cement protector sheath, this research has focused on the use of carbon nanotubes due to their proven excellent mechanical properties. Although this idea has previously been an exciting topic for research in the development of cement and concrete, In this regard, as research innovation, to overcome the non-uniform distribution challenges of organic carbon nanotubes in the cement aqueous base medium, an advanced technique for making emulsion nano polymers was handled to disperse the nanoparticle cores in the polymer matrix. According to the findings of this work, carbon nanotubes disperse effectively in polymer emulsions, and polymer latex disperses well in the aqueous base of cement, allowing for a wide dispersion of nanoparticles to benefit from their maximal surface performance and mechanical properties. Non-agglomeration of nanoparticles in the cement structure has led to the use of the highest reactive and physical surface of these nanoparticles, which has significantly strengthened the mechanical properties of cement mass after hardening. The experimental results significantly increase the Young modulus to 580% From 4.12 GPa for the benchmark sample compared to 28 GPa for the modified sample with 4%W of the nanopolymer. The optimized samples in slurry form also provide good rheological properties for pumping capability and sufficient hydrostatic pressure to control the wellbore pressure.
    Keywords: Mechanical Strength, elastic properties, Carbon nanotubes, Cement compounds Concrete strength, Oil well cement
  • Moslem Najafi *, Reza Ansari Pages 1767-1779

    Despite the unique superior properties of balsa such as reasonable price and excellent mechanical properties, the hydrophilicity and high sensitivity of this material to moisture absorption have posed a serious challenge to its increasing use in the construction of advanced marine structures. If moisture can penetrate into the composite skins, the balsa core sandwich structures will absorb a lot of water and compromise its structural integrity. In this study, to improve the mechanical properties and the environmental resistance of sandwich structures with balsa core against the moist environmental conditions, the idea of using fiber metal laminates instead of polymer composite skins has been proposed. For this purpose, sandwich structures with balsa core and two types of composite skins made of glass fiber/epoxy and fiber metal laminate were subjected to environmental and mechanical tests. The most important results obtained from the 100-day aging test in water show that the maximum water absorption in sandwich specimens with glass fiber/epoxy composite and fiber metal laminate skins having sealed edges and artificial damage is 106.71% and 83.32%, respectively. In addition, by evaluating the flexural and buckling behavior of two types of sandwich structures, before and after the moisture aging process, it was found that the reduction of flexural load, flexural stiffness and maximum buckling load due to moisture aging in sandwich specimens with glass fiber/epoxy composite skin with sealed edges were 23.43%, 23.15% and 36.14%, respectively, and for specimens with fiber metal laminate skin were much less, and 13.57%, 11.06% and 16.14%, respectively.

    Keywords: Sandwich structures, Balsa core, Fiber metal laminates, Flexural behavior, Buckling behavior
  • Kaveh Bastam, Afshin Zeinedini * Pages 1780-1788
    The main of this paper is to determine the tensile properties of natural flexible composites. In order to fabricate the composites, the cotton fibers and the latex were used as the reinforcement and matrix, respectively. At the first step, the latex samples were manufactured and tested under tensile loading. In the next step, using the cotton fiber the latex was reinforced and then tested under tensile loading. In addition, the NiTi shape memory alloy (SMA) wire was used to improve the tensile properties of the pure latex and the cotton/latex laminated composites. Therefore, one, two or three NiTi wires were used in the pure latex and cotton/epoxy composites samples. The results of experimental study displayed that in the presence of cotton fiber, the ultimate tensile strength of pure latex was increased from 0.93 to 13.51 MPa. Moreover, it was observed that due to adding one, two or three NiTi wires, the ultimate strength of the pure latex was enhanced almost 70, 500 and 800%, respectively. However, the ultimate tensile strength of the cotton/epoxy laminated composites in the presence of one, two and three NiTi wires was increased almost 2, 20 and 40%, respectively. In addition, comparison of the current research results with the other researchers’ investigations manifests that the cotton/epoxy composites reinforced by NiTi wire, the tensile strength of this flexible material is greater than the tensile strength of natural and artificial leathers.
    Keywords: composites, LATEX, Cotton fiber, Shape memory alloy, tensile properties
  • Hadi Solymani, Mohammad Reza Nakhaei *, Ghasem Naderi Pages 1789-1796

    In this paper, the addition of silicon carbide (SiC) nanoparticles to polyamide 6 (PA6) / acrylonitrile-butadiene rubber (NBR) blends was performed by friction stir process. In order to achieve optimal mechanical responses of tensile strength and elongation at break, response surface methodology (RSM) was used to optimize the process parameters of rotational speed (ω), traverse speed (V) and material parameter as silicon carbide nanoparticles (S) content. The validation of the mechanical results was done with compare the microstructure of nanocomposite samples by scanning electron microscopy (SEM). Using mathematical models, the results showed that tensile strength and elongation at break are increased by increasing the rotational speed from 800 rpm to 1200 rpm when the values of silicon carbide content and traverse speed are constant. By selecting the rotational speed of 1200 rpm, traversed speed of 20 mm/min, and 2.784 wt.% of SiC process and material parameters, the maximum tensile strength, and elongation at break can be achieved. Observation of scanning electron microscopy images confirmed that the changes in mechanical properties are related to the changes in the elastomeric phase of NBR.

    Keywords: Polyamide 6, Acrylonitrile Butadiene Rubber, Silicon Carbide, Friction stir process, Response surface methodology
  • Hamid Daneshmand, Masoud Araghchi * Pages 1797-1805
    PTFE-based composites are widely used as sealing materials. These composite materials are industrially manufactured and supplied with various reinforcements. Despite the desirable properties of commercial seals, these materials are generally not capable of sealing in specific working conditions and require the design and construction of PTFE-based composite with new reinforcements. In this study, Inconel 625 alloy powder was used as a reinforcing phase to make the PTFE-based composite. The effect of weight percentage of reinforcement on mechanical and tribological properties of composites has been investigated. In addition, the molecular dynamics simulation was used to investigate the composite wear. Addition of Inconel 625 significantly improves PTFE wear resistance. Addition of Inconel 625 reinforcing phase to PTFE matrix changes the PTFE wear mechanism from fatigue to adhesive type. Molecular dynamics simulation studies have shown that this is due to the high interaction energy at the junction of PTFE and Inconel 625, which does not allow PTFE to be easily separated from the sample. Among the developed composites, PTFE-reinforced composite with 50% by weight Inconel 625 had the best combination in terms of hardness (70 shore D) and specific wear rate (4/710-4 mm3 / Nm). The manufacturing method is easy to use and the manufactured samples are capable of industrial production.
    Keywords: PTFE composite, Wear, Hardness, Molecular Dynamics Simulation
  • Mohsen Taheri Boroujeni, Mohammad Javad Ashrafi * Pages 1806-1816

    Self-healing materials can be used as one of the types of smart materials in recovering and repairing equipment and preventing breakdown and fracture of tools. There are several ways to increase the efficiency and repeatability of the self-healing process, one of which is to combine self-healing microcapsules with shape memory alloys. Although several laboratory studies have been performed in this field, this method has not been given the attention it deserves. In this study, an attempt has been made to evaluate the performance of this compound using the finite element simulation method. For this purpose, used glass microcapsule and Ni-Ti SMA within the concrete matrix. After examining the results, the effect of shape memory alloy wires on increasing the maximum fracture stress was quite obvious. By adding two shape memory wires, the fracture tension has increased from 1.93 MPa to 2.08 MPa. Also, the most important effect is to close the crack opening distance in such a way that using two shape memory wires, the distance of the crack opening has decreased from 5 μm to 0.008 μm. Then, the effect of radius of memory alloy wires and thickness ratio and volume fraction of microcapsules on ultimate fracture stress and self-healing performance was investigated. Finally, the effect of interface strength on microcapsule fracture and ultimate fracture stress is evaluated.

    Keywords: Shape memory alloy, crack, Microcapsule, Self-healing
  • Ali Alizadeh *, Mohammad Estakhri, Mohammadreza Zahmatkesh, Mehdi Mehdi Abdollahi Azghan Pages 1817-1825
    Reactive composites are a new group of composite materials consisting of two or more materials that cannot ignite or explode in the Environmental conditions, but can release a lot of energy due to shock and severe impact loads. This study aimed to investigate the effect of milling time on the microstructure, thermal and mechanical properties of the Al-Ni composite. For this purpose, the Al-Ni compound with a 2:1 Al:Ni molar ratio was milled for 0.5, 1, 2, 4 and 6 hours in attrition mill and mixed. Then the samples were cold press and sintered at 400 ˚C under argon atmosphere for one hour. The microstructure of samples was analyzed by field emission scanning electron microscope (FESEM) and XRD. To investigation of thermal properties DSC and DTA analysis and for mechanical properties compression test and Hopkinson test were used. The DSC analysis results showed that by increasing the milling time, the reaction start temperature decreased from 650.34 °C in the sample milled to 0.5 hour to 645.84 °C the sample milled to 6 hour and the reaction heat (enthalpy) decreased from 26.87 J/g to 14.84 J/g. The results of compression and Hopkinson tests of samples after 6 hours milling time showed 21 and 42 percent increase in compressive strength, respectively compared to samples after 0.5 hours milling time. Also, the results showed that the compressive strength increased by changing the strain rate from 0.01 s-1 (in the pressure test) to 1000 s-1 (in the Hopkinson test).
    Keywords: Reactive composites, Compressive properties, Thermal properties, Mechanical alloying
  • Korosh Khorshidi *, Yasin Shabani Pages 1826-1835
    In this paper, the free vibrations of a three-layer sandwich plate with magneto-rheological fluid (MR) core as a smart structure using Trigonometric Shear Deformation Theory (TSDPT) are investigated. The equations of motion are obtained using the Hamilton principle and solved using the Galerkin residual weight method. The complex shear modulus of the MR material in the pre-yield region was described by complex modulus approach as a function of magnetic field intensity. Primary attention is focused on the effects of magnetic field magnitude, geometric aspect ratio, and MR core layer thickness on the dynamic characteristics of the sandwich plate. When an electric field is applied, the damping of the system is more effective. After validation of the present study with the available results in the literature, the effects of the natural frequencies and loss factors on the dynamic behavior of the sandwich plate are examined and discussed. The results show that increasing the intensity of the magnetic field increases the frequency and depreciation coefficient of each mode. Furthermore, increasing the thickness of the fluid has a direct effect on increasing the depreciation coefficient and decreasing the frequency. With the increasing use of smart structures, it is hoped that the findings of this study will make engineering applications more effective.
    Keywords: Sandwich plates, Magnetoreorological fluid, High-order modified theory, Vibration of smart structures, smart materials
  • Zahra Daneshjoo * Pages 1836-1848

    This paper has been presented according to the importance of crack bridging in mixed mode I/II delamination of laminated composites and it is aimed to understand the physics of crack bridging. Firstly, the most important micro-mechanisms involved during fiber bridging are introduced. To do this, interlaminar fracture tests have been performed on composite specimens. Also, the fracture surfaces and the damage zone on the edge of the specimens have been observed using a scanning electron microscope (SEM). In the following, due to the complexity of the existing bridging models and the difficulty of determining their various parameters, a novel approximate method has been presented. In this method, which is based on a more complex physics-based model, the bridging laws are extracted by preserving the physics of the problem and considering simple approximations. The main advantage of the proposed method is the achievement of bridging laws using simpler relationships with fewer required parameters. Finally, the validity of the method has been evaluated through a comparison of the traction-separation behavior predicted by the proposed approximate bridging laws with the experimental traction-separation curves in different mode mixities.

    Keywords: Bridging law, Laminated composite, Fracture process zone, Delamination, Mixed mode I, II loading
  • Ali Talezadehlari * Pages 1849-1860

    In this study, the vibration of a composite cylindrical shell in the presence of a longitudinal and circumferential crack was investigated. The governing equations were derived based on the first-order shear deformation theory and could be converted to Donnell’s, Love’s, and Sanders’ theories by selecting proper parameters. A multi-domain generalized differential quadrature method was used to solve the problem. In this technique, a physical domain was decomposed into several elements. Then, a generalized differential quadrature method was employed to discretize the governing equations, boundary conditions at shell edges, and the compatibility conditions at the interface boundaries of adjacent elements in both longitudinal and circumferential directions. Assembling these discretized equations led to a system of algebraic equations, which could be solved through an eigenvalue solution to calculate the natural frequency of the shell. This procedure was coded in Matlab environment. Numerical results obtained by the presented method were compared with Abaqus results and those available in the literature. After verifying the accuracy and precision of the proposed method, it was employed to study the effect of different parameters on the vibrational behavior of cracked composite shells. The obtained results can be used as a benchmark for further studies.

    Keywords: Vibration, Composite Shell, Through-the-Thickness Crack, First-order Shear Deformation Theory (FSDT), Multi Domain Generalized Differential Quadrature (GDQ)
  • Mehdi Karevan *, Mohammad Sadegh Mirzaei Sichani, Ali Akbari Dastgerdi Pages 1861-1871

    Impact resistance and energy absorption of thermosetting composites not only due to the inherence brittleness of the matrix, but also reinforcing the matrix with other composite components due to agglomerated phases, weak interfacial interaction at the absence of functionalization and coupling agents and thus weak interfacial load transfer could result in more deteriorated thermosetting composites energy absorption behavior. One important geometrical quantity is the effective aspect ratio (AR) of fillers. In this study, hybrid microcomposites of natural kenaf fiber/polyester was prepared through a direct mixing technique using nominal fibers ARs of 160, 250 and 320. To evaluate the synergistic effects, micro-particles of carbon black (CB) at the loading of 0 to 8 wt% were added to specimens with kenaf wt% of 5. The results demonstrated the direct influence of AR and wt% of fibers on the impact resistance with up to 203% improvement. The synergistic effect of CBs on the reference sample containing 5 wt% of fibers of 0.5 and 1 cm and 5 wt% led to 108% increase in the impact resistance in the case of 0.5 cm long fibers; however, at longer fibers the addition of CB resulted in the decrease in impact resistance and no significant changes in absorbed energy. The observed 28 and 65% enhancement in the absorbed energy of behavior of samples filled 5wt% of CB and 5 wt% of kenaf with the length of 0.5 cm compared to neat polyester and the reference kenaf/polyester parts, respectively, confirmed the synergistic effect of CBs and kenaf.

    Keywords: Microcomposites, Natural kenaf fiber, Impact resistance, energy absorption, synergy