مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی اثر میان لایه های الکتروریسی شده نانو کامپوزیت پلی وینیل بوتیرال بر مود اول و دوم چقرمگی شکست چندلایه های کامپوزیتی شیشه-فنولیک

نویسندگان
1 گروه کامپوزیت، پژوهشکده فرآیند،پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، تهران ایران
2 گروه پتروشیمی، پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران ، تهران
3 پژوهشکده فرآیند-گروه کامپوزیت-پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران-تهران-ایران
4 گروه کامپوزیت، پژوهشگاه پلیمر، تهران ، ایران
چکیده
چدلایه های کامپوزیتی فنولیک-شیشه از مقاومت به تورق پایینی برخوردار هستند و یکی از روش‌های بهبود این خاصیت، چقرمه‌سازی زمینه با استفاده از میان‌لایه های پلیمری در آن‌ها است. در تحقیق حاضر، از پلی وینیل بوتیرال (PVB) با فرآیند الکتروریسی نانو وب‌هایی با ابعاد لیف 300 تا 600 نانومتر تهیه شد و بصورت یک نمد در ابعاد نانو در لایه میانی یک کامپوزیت 14 لایه از رزین فنولیک تقویت شده با الیاف شیشه قرار داده شد. همچنین، نانو وب‌هایی از همین ماده ولی تقویت شده با کربن پیرولیکتیکی (Pyc) و نانو لوله کربنی (MWCNT) چند لایه تهیه شد و آزمون‌های چقرمگی شکست مود اول و دوم مطابق آزمون‌‎های استاندارد مربوطه انجام شد. نتایج نشان داد که استفاده از میان لایه های الکتروریسی شده PVB چقرمگی شکست در مود های اول و دوم را به ترتیب حدود % 13.6 و %13.8افزایش می دهد. همچنین ترکیب ساختار های کربنی اثر بهتری روی چقرمگی شکست نمونه ها دارد. در نمونه های ترکیبی حاوی ساختارهای کربنی، نانولوله ها تاثیر بیشتری روی چقرمگی شکست در مود اول داشتند و در حالت بهینه مقدار GI حدود % 49افزایش یافت. همچنین در مود دوم کربن پیرولیتیکی ها اثر بهتری روی GII داشته و در حالت بهینه این مقدار حدود % 38 افزایش یافت. مطالعات مورفولوژیکی انجام شده با میکروسکوپ SEM نشان داد که انحراف ترک، مکانیسم غالب درچقرمه شده ماتریس است که منجر به تاخیر در شروع شکست و افزایش طول ترک می شود و در نتیجه چقرمگی شکست چند لایه ها افزایش می یابد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigation of electrospun polyvinyl butyral interlayer effects on Mode I and II delamination of glass fabric-phenolic composites

نویسندگان English

Hossein Ipakchi 1
mitra oleiaei 2
Masoud Esfandeh 3
mohammad yousefi 2
Amir masoud Rezadoust 4
1 Department of Composite, Iran Polymer and Petrochemical Institute, Tehran, Iran.
2 Department of Gas Conversion, Iran Polymer and Petrochemical Institute, Tehran, Iran
3 Department of Composite, Iran Polymer and Petrochemical Institute, Tehran, Iran.
4 Department of Composite, Iran Polymer and Petrochemical Institute, Tehran, Iran.
چکیده English

Glass-reinforced phenolic laminates show a low resistance to delamination. Toughening of the matrix resin with a polymeric interlayer is among the method used to improve the delamination strength. In this research Polyvinyl butyral(PVB) nanoweb with the fiber diameter of 300-600 nanometer were used as an interlayer in a 14-layer glass reinforced phenolic composite. A hybrid nanoweb consists of PVB nanoweb reinforced with pyrolytic carbon and carbon nanotube (CNT) were also prepared and used as the interlayer. Mode I and Mode II delamination tests were conducted on the samples according to the related ASTM standard test method. The results showed that PVB interlayer improves the delamination strength of the composites by 13.6% and 13.8%. for mode I and Mode II, respectively. Also, with the hybrid nanoweb, better improvement in the fracture toughness was achieved. In the hybrid nanowebs, CNTs at the optimum amount has a greater effect on the Mode I fracture (49% improvement in GIc), while the pyrolytic carbon mainly affected the Mode II fracture toughness by 38% improvement in GIIc. Morphological studies carried out by SEM microscopy showed that crack deviation is the dominant mechanism for toughening of the polymeric matrix which results in the delay in fracture initiation and increase of the crack length and in doing so enhances the fracture toughness of the laminates.

کلیدواژه‌ها English

Delamination
Glass-phenolic composites
Polyvinyl butyral
Carbon nanotube
Pyrolytic carbon
[1] S. Sridharan, Delamination Behaviour of Composites. New York, Woodhead Publishing, 2008.
[2] B. Harris, Fatigue in composites. New York, Woodhead Publishing, 2003.
[3] M. Beheshty, A. Rezadoust, Plastic reinforced(composites). Tehran, Iran Polymer and Petrochemical Institute, 2012.
[4] J. K. Kim, W. Yiu, C. Mai, Engineerend interfaces in fiber reinforced composites. New York, Elsevier B.V., 1998.
[5] C. Kassapoglou, Modeling the Effect of Damage in Composite Structures Simplified Approaches. United Kingendom, JohnWiley & Sons Ltd Registered, 2015.
[6] V. Dikshit, S. Bhudolia, S. Joshi, Multiscale Polymer Composites: A Review of the Interlaminar Fracture Toughness Improvement, Fibers, vol. 5, no. 4, p. 38, Oct. 2017.
[7] J. W. He, M. Y. Hutchinson, Interlaminar fracture toughness and toughening of laminated composite materials : a review, J. Appl. Mech., vol. 111, no. 5, pp. 270–78, 1989.
[8] S. Ramakrishna, K. Fujihara, W. Teo, M. Z. Lim TC, An Introduction to Electrospinning And Nanofibers, january. 2005.
[9] L. Daelemans et al., Bisphenol A based polyester binder as an effective interlaminar toughener, Compos Part B Eng., vol. 80, no. April 2016, pp. 145–153, 2015.
[10] Y. A. Dzenis, D. H. Reneker, Delamination resistant composites prepared by small fiber reinforcement at ply interfaces, US Patent No. WO1999062705A1, 1999.
[11] Y. A. Dzenis, N.Lincoln, R. A. Darrell, Delamination resistant composites prepared by small diameter fiber reinforcement at ply interfaces, 21-Feb-2001.
[12] L. Liu, Y. M. Liang, G. Y. Xu, Response of mode II interlaminar fracture toughness of composite laminates with carbon nanotubes interlayer, Proc SPIE, vol. 6423, pp. 642351-642351–7, 2007.
[13] R. Palazzetti, Flexural behavior of carbon and glass fiber composite laminates reinforced with Nylon 6,6 electrospun nanofibers, J. Compos. Mater., vol. 49, no. 27, pp. 3407–3413, 2015.
[14] H. Saghafi, R. Palazzetti, A. Zucchelli, and G. Minak, Influence of electrospun nanofibers on the interlaminar properties of unidirectional epoxy resin/glass fiber composite laminates, J. Reinf. Plast. Compos., vol. 34, no. 11, 2015.
[15] S. van der Heijden et al., Novel composite materials with tunable delamination resistance using functionalizable electrospun SBS fibers, Compos. Struct., vol. 159, pp. 12–20, Jan. 2017.
[16] M. Hojo, S. Matsuda, M. Tanaka, S. Ochiai, A. Murakami, Mode I delamination fatigue properties of interlayer-toughened CF/epoxy laminates, Compos. Sci. Technol., vol. 66, no. 5, pp. 665–675, 2006.
[17] H. Zhang, A. Bharti, Z. Li, S. Du, E. Bilotti, T. Peijs, Localized toughening of carbon/epoxy laminates using dissolvable thermoplastic interleaves and electrospun fibres, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., vol. 79, pp. 116–126, 2015.
[18] P. M. Hossein, S. Kashi, Experimental investigation of the influence of adding nanotubes on Mode I interlaminar fracture toughness of laminated composites, vol. 16, no. 3, pp. 3–4, 2016.
[19] M. HADI, A. EHSANI, Anodized Edge-plane pyrolytic graphite for electroanalysis of pantoprazole in tablet dosage forms and human urine samples, South African J. Chem., vol. 69, pp. 79–87, 2016.
[20] ASTMD-3531, Standard Test Method for Resin Flow of Carbon Fiber-Epoxy Prepreg, Annual Book of ASTM Standard,2000.
[21] ASTND-5528, Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites, Annual Book of ASTM Standard,2007.
[22] ASTMD-7905, Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites, Annual Book of ASTM Standard , 2014.
[23] G. W. Beckermann, K. L. Pickering, Mode I and Mode II interlaminar fracture toughness of composite laminates interleaved with electrospun nanofibre veils, Compos. Part A Appl. Sci. Manuf., vol. 72, pp. 11–21, 2015.
[24] H. Movahhedi Aleni, G. Liaghat, M. Pol, A. Afrouzian, An experimental investigation on mode-II interlaminar fracture toughness of nanosilica modified glass/epoxy fiber-reinforced laminates, Modares Mech. Eng., vol. 15, no. 3, pp. 283–290, 2015. (in Persianفارسی )
[25] K. E. Ger, in polymer chemistry(PVB), Kurray data sheet.
[26] M. Hajian, M. R. Reisi, G. A. Koohmareh, A. R. Z. Jam, Preparation and characterization of polyvinylbutyral/Graphene nanocomposite, J. Polym. Res., vol. 19, no. 10, 2012.
[27] L. Daelemans, S. Van Der Heijden, I. De Baere, H. Rahier, W. Van Paepegem, K. De Clerck, Damage-Resistant Composites Using Electrospun Nanofibers: A Multiscale Analysis of the Toughening Mechanisms, ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 8, no. 18, pp. 11806–11818, 2016.
[28] M. Andrieu, Pyrocarbons,Carbon, vol. 40, pp. 7–24, 2002.
[29] S. Hamer et al., Mode I and Mode II fracture energy of MWCNT reinforced nanofibrilmats interleaved carbon/epoxy laminates, Compos. Sci. Technol., vol. 90, pp. 48–56, 2014.
[30] S. van der Heijden et al., Interlaminar toughening of resin transfer molded laminates by electrospun polycaprolactone structures: Effect of the interleave morphology, Compos. Sci. Technol., vol. 136, pp. 10–17, 2016.
[31] M. Properties, M. Reinforced, P. Alcohol, N. Mats, E. Method, Mechanical Properties of MWCNT Reinforced Polyvinyl Alcohol Nanofiber Mats by Electrospinnig Method, vol. 2017, no. 2, pp. 190–200, 2017.
[32] R. B. More, A. D. Haubold, J. C. Bokros, Pyrolytic Carbon for Long-Term Medical Implants, Third Edition., vol. 3, no. 2002. Elsevier, 2013.