فهرست مطالب
نشریه علوم و فناوری کامپوزیت
سال یازدهم شماره 1 (پیاپی 39، بهار 1403)
- تاریخ انتشار: 1403/05/01
- تعداد عناوین: 7
-
-
صفحات 2391-2400از سالیان نه چندان دور و به خصوص اخیرا، ایجاد موادی مطلوب چه از لحاظ مواد تشکیل دهنده و چه با خواص مورد انتظار از سوی متخصصین پیگیری می شده است. در این بین ریزساختار ها به جهت حالت بهینه و دقت محاسبات مورد توجه بوده اند. ریزساختار ها همان مواد ناهمگنی هستند که طی یک فرآیند بهینه سازی معماری های ساختارشان بهینه می شود. در این مقاله فرآیند بهینه سازی توپولوژی برای طراحی ریزساختار چندفازی الاستیک با استفاده از فاکتور جبران سازی و روش همگن سازی عددی پیاده سازی می شود. طی این مطالعه بهینه سازی عددی با اعمال محاسبات روی متغیرهای طراحی متشکل از درصد حجمی هر فاز در هر المان انجام می گیرد. روش حل مسئله بهینه سازی توپولوژی مبتنی بر تقسیم به چند سری زیرمسئله بهینه سازی دو فازی است که وظیفه انجام آن با یک عمل گر مرسوم دوفازی به عنوان یک عمل گر درون فضای بهینه سازی است. در این پژوهش به مقدارهایی برابر 7264/0 ،0.4447 و 0.3008 برای خاصیت های مدول برشی، حجمی و سفتی محوری دست پیدا کردیم. در یک دید کلی، میزان محاسبات و دشواری مسئله به تعداد فازهای شرکت کننده در فرآیند طراحی ساختار وابسته است. تا پیش از این مطالعه برای ریزساختارهای متناوب، متقارن و دوفازی به این سوال پاسخ داده شده است. طی مطالعه حاضر ما با تشکیل تانسورهای خواص مواد به صورت تابعی از درصد حجمی به مسئله طرح شده پاسخ می دهیم. این راه حل با تعریف یک فضای طراحی و میدانی منظم از مرزهای بالا و پایین دستگاه متخصات محلی انجام می گیرد. مرزهایی که حفظ آن ها موجب انسجام و استانداردسازی برای کارهای بعدی در زمینه طراحی ریزساختارهای چندفازی است.کلیدواژگان: ریزساختارهای چندفازی، سلول پایه متناوب، همگن سازی عددی، بهینه سازی توپولوژی
-
صفحات 2401-2407در این تحقیق، مطالعات آزمایشگاهی به منظور بررسی عملکرد تیرهای بتنی تقویت شده با مصالح FRP به روش تقویت نصب در نزدیک سطح (NSM) صورت گرفته است. در این روش جدایش FRPبه تعویق افتاده و این مصالح کمتر در برابر شرایط محیطی نامناسب قرار می گیرند. در این پژوهش، پس از دستیابی به طرح اختلاط مناسب برای بتن و انجام آنالیز ابعادی به منظور مقیاس نمودن نمونه های آازمایشگاهی، شش نمونه تیر بتنی ساخته شد. این شش نمونه به دو گروه تقسیم شده و یک گروه تحت بارگذاری ضربه با سرعت پایین و گروه دیگر تحت بارگذاری خمش استاتیکی قرار گرفتند. در هر گروه یک نمونه کنترل بدون تقویت در نظر گرفته شده است. همچنین دو عدد از تیرها با استفاده از میلگرد GFRP و دو عدد دیگر با استفاده از صفحات کامپوزیتی CFRP تقویت شده اند. طبق نتایج، تیرهای تقویت شده با صفحات CFRP و آرماتور GFRP به ترتیب 15.3% و 24.7% نسبت به نمونه شاهد افزایش مقاومت خمشی را تحت بارگذاری خمش استاتیکی تجربه نمودند. علاوه بر این، میزان تغییرمکان حداکثر این نمونه ها در وسط دهانه تحت بارگذاری ضربه به ترتیب 23.36% و 40% کاهش یافته است. همچنین، به دلیل افزایش سختی نمونه های تقویت شده با FRP میزان شتاب مرکز دهانه در این تیرها نسبت به نمونه شاهد افزایش قابل توجهی داشته است. بر این اساس، می توان نتیجه گیری کرد که تیرهای بتنی تقویت شده با مصالح FRP به روش NSM عملکرد مطلوبی را تحت بارگذاری های استاتیکی و دینامیکی از خود نشان می دهند.کلیدواژگان: تیر بتن آرمه، کامپوزیت های FRP، روش مقاوم سازی NSM، بارگذاری ضربه با سرعت پایین
-
صفحات 2408-2418در این مقاله به بررسی استحکام رشته تولید شده به روش اکستروژن پرداخته می شود. برای این منظور نمونه های آزمایشگاهی با استفاده از ABSو نانولوله کربن با فرآیند ساخت ذوب رشته تولید شد. ابتدا، با ترکیب ذرات نانو و ABS، رشته نانوکامپوزیتی تولید و استحکام آن اندازه گیری می شود. به منظور پیش بینی استحکام رشته، مدل چندمقیاسی مناسب توسعه داده شد. مدل مذکور از مقیاس مایکرو آغاز می گردد و پس از گذار از مقیاس میانی مسو به مقیاس نهایی مکرو ختم می گردد. برای هر مقیاس، المان حجمی معرف مناسب تعریف و استحکام آن پیش بینی شده است. در این تحقیق، دو پارامتر طول و جهت گیری نانولوله کربن در مقیاس مایکرو و توزیع یا تفرق نانولوله کربن، در مقیاس مسو بررسی شده است. در نهایت در مقیاس ماکرو به کمک الگوریتم ژنتیک استحکام نهایی رشته محاسبه شده است. در این پژوهش استحکام نانو کامپوزیت با دو کسروزنی 0.1 و 0.5 درصد محاسبه گردید و مشاهده شد که استحکام نهایی نانو کامپوزیت با کسر وزنی 0.1 و 0.5 درصد به ترتیب 14 و 20درصد افزایش یافتند و همچنین مقادیر به دست آمده از آزمون کشش همخوانی بسیار خوبی با نتایج بدست آمده از مدلسازی عددی داشتند.کلیدواژگان: مدلسازی چندمقیاسی، الگوریتم ژنتیک، نانولوله کربن، استحکام، مدلسازی تصادفی
-
صفحات 2419-2428
سیانات استرها به دلیل خواص حرارتی-مکانیکی ویژه مانند دمای انتقال شیشه ای (Tg) بالا، مدول بالا و ذغال گذاری عالی، برای تولید کامپوزیت های دما بالا با الیاف کربن مناسب هستند. پخت سیانات استر حرارت بالایی آزاد می کند، از طرفی کنترل حرارت آزاد شده برای تولید کامپوزیت از اهمیت بالایی برخوردار است. استفاده از چرخه پخت توانایی کنترل حرارت آزاد شده در پخت سیانات استر در کامپوزیت را دارد. سیانات استر چسبندگی بالایی با الیاف کربن حتی در مقادیر کم ارائه می دهد و می توان از سیانات استر برای تهیه کامپوزیت های با کارآیی بالا استفاده نمود. مونومر 2،2'-بیس(4-سیاناتوفنیل)پروپان از واکنش سیانوژن برماید و بیس فنول A سنتز و با طیف سنجی های FT-IR، 1H-NMR و 13C-NMR مورد شناسایی ساختاری قرار گرفت. رفتار پخت سیانات استر سنتز شده توسط آزمون DSC پویا تعیین و چرخه پخت مناسبی تعریف و کارآیی چرخه پخت به صورت برخط توسط طیف نمایی FT-IR دنبال شد. کامپوزیت دمابالای سیانات استر/الیاف کربن با محتوای رزین های %30 و %44 تهیه و استحکام برشی بین لایه ای آن ها توسط آزمون ILSS مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از نتایج آزمون ILSS، خواص حرارتی-مکانیکی و مقاومت حرارتی کامپوزیت انتخاب شده توسط آزمون های DMTA و TGA مورد بررسی قرار گرفت. چرخه پخت تعریف شده برای پخت سیانات استر، قابلیت کنترل آنتالپی بالا و پخت رزین به میزان %6.95 را داشت. کاهش محتوای رزین در کامپوزیت به میزان 14% باعث بیشتر شدن ILSS به میزان 9% شد. در دماهای بالا، حتی در "°C" 250، مدول خمشی کامپوزیت تنها به مقدار 16% افت پیدا کرد. میزان ذغال گذاری کامپوزیت سیانات استر/ الیاف کربن برابر %6.82 بود.
کلیدواژگان: رزین دمابالا، سیانات استر، تری آزین، کامپوزیت دما بالا، استحکام برشی بین لایه ای -
اثر نسبت پواسون منفی بر پاسخ مکانیکی و رفتار آسیب چندلایه های کامپوزیتی کربن/اپوکسی تحت ضربه کم سرعتصفحات 2429-2443در این مقاله، اثر نسبت پواسون منفی بر پاسخ مکانیکی و بهبود رفتار آسیب چندلایه های کامپوزیتی کربن/اپوکسی تحت ضربه کم سرعت بررسی شده است. برای این منظور، یک کد متلب با هدف تعیین محدوده زوایای چیدمان برای دستیابی به هر دو نسبت پواسون منفی داخل صفحه و در ضخامت بر اساس تئوری کلاسیک لایه ای توسعه داده شده است. همچنین، مدل آسیب پیش رونده با استفاده از یک زیربرنامه VUMAT متشکل از معیار خرابی هاشین و پاک و مدل تکامل آسیب بر اساس روش کرنش معادل برای پیش بینی شروع و تکامل آسیب برای زمینه و الیاف نوشته و اجرا شده است. در فرآیند تحقیق، عملکرد ضربه پذیری چندلایه های آگزتیکی در مقایسه با چندلایه های کامپوزیتی با نسبت پواسون مثبت با چیدمان های متعامد و زاویه دار مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان داد در برخی از حالت های آسیب، رفتار آگزتیکی می تواند منجر به بهبود آسیب چندلایه های کامپوزیتی شود. بر اساس تجزیه و تحلیل نتایج، بیشترین مقدار آسیب لایه لایه شدن، کششی زمینه، فشاری زمینه و کششی الیاف به ترتیب در چندلایه زاویه دار، آگزتیکی در ضخامت، متعامد و آگزتیکی در ضخامت مشاهده شده است. دراین بین، چندلایه های متعامد، زاویه دار و آگزتیکی در ضخامت با ویژگی هایی همچون نیروی ضربه زیاد، زمان ضربه کم، بیشینه جابه جایی کم و انرژی اتلاف شده کمتر نسبت به چندلایه آگزتیکی داخل صفحه، برای کاربرد در سازه هایی با رویکرد طراحی دیوارسخت مناسب هستند. همچنین، چندلایه آگزتیکی داخل صفحه با ویژگی هایی مانند نیروی ضربه کم، زمان ضربه زیاد، جابه جایی زیاد و انرژی اتلاف شده بیشتر نسبت به سایر چندلایه های کامپوزیتی، برای استفاده در سازه های فداشونده کاربردی و عملیاتی است.کلیدواژگان: چندلایه های کامپوزیتی آگزتیکی، نسبت پواسون منفی، تحلیل اجزای محدود، ضربه کم سرعت
-
صفحات 2444-2452کامپوزیت های بسیار پرشده از دو جزء ماتریس پلیمری و پرکننده های مختلف با کسر وزنی بیشتر از 30% تشکیل شده است. روش های متفاوتی برای بررسی رفتار جریان دوغاب کامپوزیت وجود دارد که در این مقاله تاثیر تاریخچه پیش برش بر گرانروی و همگنی دوغاب و هم چنین محصول کامپوزیت نهایی مورد بررسی قرار گرفته است. گرانروی دوغاب کامپوزیت بسیار پرشده با سرعت-های مختلف برشی در محدوده دمایی°C 40 پس از پایان اختلاط در کامپوزیت های (بایندر/آلومینیوم/آمونیوم پرکلرات) و (بایندر/آلومینیوم/آمونیوم پرکلرات با عامل شبکه کننده) با استفاده از ویسکومتر چرخشی بروکفیلد اندازه گیری شده است. مشاهده شد که گرانروی و وابستگی آن به سرعت برشی با رفتار سیال شبه پلاستیک مطابقت دارد. با استفاده از معادله قانون توان، پارامترهای شاخص گرانروی (K) و شاخص شبه پلاستیک (n) سیال تعیین و تجزیه و تحلیل شدند. نشان داده شد که رفتار رئولوژیکی کامپوزیت بسیار پرشده به طور قابل توجهی به برهمکنش های فیزیکی میان مواد پرکننده و ماتریس بستگی دارد. مشاهده شد پس از افزودن عامل شبکه کننده، گرانروی کامپوزیت بسیار پرشده به سرعت زیاد می شود و این افزایش گرانروی به علت ذرات جامد ریزتر و افزایش وزن مولکولی و تشکیل اتصالات عرضی در ساختار پیش پلیمر می باشد. بررسی اثر مدت زمان اختلاط بر همگنی محصول نشان داد که همگن ترین محصول در زمان کل فرآیند اختلاط 135 دقیقه به دست آمد.کلیدواژگان: کامپوزیت های بسیار پرشده، رفتار رئولوژیکی، رفتار شبه پلاستیک، همگنی، چگالی
-
صفحه 2453
نویسندگان درخواست تغییر نام انگلیسی نویسنده اول از“Amirreza, Amirirnejad” به “Amirreza, Amirinejad” در بخش انگلیسی ارجاع به مقاله را داشته اند که در این اصلاحیه اعمال شده است. لازم به ذکر است این امر بنا به در خواست کتبی نویسندگان انجام شده است.
-
Pages 2391-2400Experts have always desired to obtain materials with the desired properties or required constituents. The optimization of microstructures is considered to ensure optimal mode and accurate calculations. Microstructures, as heterogeneous materials, undergo an optimization process to optimize their structure. In this article, we implement topology optimization design for multiphase elastic microstructure using a compensation factor and numerical homogenization method. During the study, numerical optimization is performed by applying calculations on design changes consisting of the volume percentage of each phase in each element. The technique used to solve the topology optimization problem involves dividing it into several series of two-phase subproblems, with a conventional two-phase operator used in the optimization space. In this research, we obtained values of 0.7264, 0.4447, and 0.3008 for shear modulus, bulk modulus, and axial stiffness, respectively. Generally, the calculation rate depends on the number of phases involved in the structure design process. Previous studies have addressed this question for symmetric, symmetrical, and two-phase microstructures. However, in this study, we address this design problem by creating tensors of material properties as a function of the volume percentage. This approach is achieved by defining a design space and establishing regular upper and lower boundaries for local features. These boundaries are maintained to ensure consistency and standardization in subsequent works related to multiphase microstructure design.Keywords: Multiphase Microstructures, Alternate Unit Cell, Numerical Homogenization, Topology Optimization
-
Pages 2401-2407In this research, experimental and numerical studies have been conducted to investigate the performance of concrete beams reinforced with FRP materials using the Near Surface Mounted (NSM) reinforcement method. In this method, the separation of FRP is delayed, and these materials are less exposed to adverse environmental conditions. In this study, after achieving a suitable mix design for concrete and performing dimensional analysis for scaling laboratory samples, six concrete beam samples were constructed. These six samples were divided into two groups, one subjected to low-velocity impact loading and the other to static bending loading. In each group, a control sample without reinforcement was considered. Additionally, two of the beams were reinforced using GFRP rebars, and the other two were reinforced with CFRP composite plates. According to the results, the beams reinforced with CFRP plates and GFRP rebars experienced an increase in flexural strength by 15.3% and 24.7%, respectively, compared to the control sample under static bending loading. Furthermore, the maximum displacement of these samples at the mid-span under impact loading decreased by 23.36% and 40%, respectively. Also, due to the increased stiffness of the FRP-reinforced samples, the acceleration at the center of the span in these beams significantly increased compared to the control sample. Based on this, it can be concluded that concrete beams reinforced with FRP materials using the NSM method show satisfactory performance under static and dynamic loading.Keywords: Reinforced Concrete Beam, FRP Composites, Near Surface Mounted Method, Low-Velocity Impact Loading
-
Pages 2408-2418In this article, the strength of the filament produced by the extrusion method has been investigated. For this purpose, testing samples were produced using ABS and carbon nanotubes as printable nanocomposite filaments in 3D printer. Carbon nanotubes were incorporated into ABS, and nanocomposite filaments were produced and their strengths were measured. In order to predict the strength of a nanocomposite filament, a suitable multi-scale model was developed. This model started from the microscale and after passing the in-between scale of meso, ended at the macroscale. For each scale, a suitable and separate representative volume element was defined, and its strength was predicted. Two parameters, CNT length and orientation, were captured at the microscale, and CNT agglomeration was taken into account at the mesoscale. Finally, at the macroscale, the strength of the nanocomposite filament was estimated using a genetic algorithm. In this study, the strength of the nanocomposite was calculated with two weight fractions of 0.1% and 0.5%, and it was observed that the final strength of the nanocomposite with weight fractions of 0.1% and 0.5% increased by 14% and 20%, respectively. The outputs of the modeling procedure were in very good agreement with experimental observations.Keywords: Multi-Scale Modeling, Genetic Algorithm, Carbon Nanotube, Strength, Stochastic Modeling
-
Pages 2419-2428
Cyanate esters are one the most suitable matrixes for production of high temperature composites with carbon fibers due to their excellent thermo-mechanical properties. Since the curing of this resin has a high heat release, applying a suitable curing cycle has the ability to control the heat release during the curing. Cyanate ester provides high adhesion to carbon fibers even in less resin content, so cyanate ester can be used as a matrix for preparing advanced composites. 2,2'-bis(4-cyanatophenyl)propane resin was synthesized by the reaction of cyanogen bromide and bisphenol A. The synthesized resin was characterized by FT-IR, 1H-NMR and 13C-NMR spectroscopies. The curing behavior of cyanate ester resin was determined by DSC and a suitable curing cycle was defined and it’s efficiency was monitored by FT-IR. Cyanate ester/carbon fiber composite with 30% and 44% resin contents was prepared and their ILSS was determined and thermal and mechanical properties were investigated by DMTA and TGA. The defined curing cycle for 2,2'-bis(4-cyanatophenyl)propane had the ability to control the high heat release of cuing reaction with the curing ability of the resin up to 95.6%. Cyanate ester has a high adhesion to carbon fibers in the composite even in the relatively low resin content 30%. Hence, the amount of ILSS was increased about 9% compared to the ILSS for composite with 44% resin content. At temperatures as high as 250 °C, composite had only 16% decrease in flexural modulus. The cyanate ester/carbon fiber composite had a char yeild of 82.6%.
Keywords: High Temperature Resin, Cyanate Ester, Triazine, High Temperature Composite, Interlaminar Shear Strength -
Pages 2429-2443In this paper, the effect of negative Poisson's ratio on the mechanical response and improving the damage behavior of carbon/epoxy composite laminates under low-velocity impact is studied. For this purpose, a MATLAB code is developed to determine the range of sequence angles to achieve both negative Poisson's ratio in-plane and through-thickness based on CLT. Also, the progressive damage model is written and implemented using the user-material subroutine-VUMAT consisting of Hashin and Puck failure criteria and the damage evolution model based on the equivalent-strain method to predict the initiation and evolution of damage for matrix and fiber. In the research process, the impact resistance performance of auxetic laminates is evaluated in comparison with composite laminates with positive Poisson's ratio with cross-ply and angle-ply sequences. The results showed that in some damage modes, auxetic behavior can lead to the improvement of composite laminate damage. Based on the analysis of the results, the highest damage amount of delamination, matrix tension, matrix compression, and fiber tension damage is observed in angle-ply, through-thickness auxetic, cross-ply, and through-thickness auxetic laminates, respectively. Meanwhile, cross-ply, angle-ply, and through-thickness auxetic laminates with characteristics such as high impact force, low impact time, low maximum displacement, and less dissipated energy than in-plane auxetic laminate are suitable for use in structures with hardwall design approach. Also, the in-plane auxetic laminate with features such as low impact force, high impact time, high displacement, and more dissipated energy than other composite laminates, is practical and operational for use in sacrificial structures.Keywords: Auxetic Composite Laminates, Negative Poisson’S Ratio, Finite Element Analysis, Low-Velocity Impact
-
Pages 2444-2452Highly filled composites consist of two components of polymer matrix and different fillers with a weight fraction of more than 30%. There are different methods for studying the slurry flow behavior. In this article, the effect of pre-shear on the viscosity and homogeneity of the composite slurry and the final product has been investigated. The Viscosity of highly filled composite slurry with different shear rates in the temperature range of 40˚C after mixing in composites binder / aluminum / ammonium perchlorate and (binder / aluminum / ammonium perchlorate with Cross-linking agent) with the use of a Brookfield rotary viscometer was measured. It was observed that the viscosity and its dependence on the shear rate correspond to the behavior of the pseudoplastic fluid. Using the equation of power law, determining and analyzing the parameters of viscosity index (k) and pseudoplastic index (n), it was shown that the rheological behavior of highly filled composite depends significantly on the physical interactions between the filler and the matrix. it was observed that after adding the curing agent, the viscosity of the highly filled composite increases rapidly, and this increase in viscosity is due to smaller solid particles, an increase in molecular weight, and the formation of crosslinks in the prepolymer structure. Investigating the effect of mixing time on product homogeneity showed that the most homogeneous product was obtained during the entire mixing process of 135 minutes.Keywords: Highly Filled Composites, Rheological Behavior, Pseudoplastic Behavior, Homogeneity, Density
-
Page 2453
The authors requested to change the English name of the first author from “Amirreza, Amirirnejad” to “Amirreza Amirinejad” in the English section of the article reference, which is implemented in this amendment. It should be noted that this was done according to the written request of the authors.
