مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

تحلیل شکست نرم نانوکامپوزیت های شیاردار اپوکسی تقویت شده با نانوذرات گرافن اکسید با استفاده از مفهوم ماده معادل

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
احمد قاسمی قلعه بهمن
مهدی قره باش
دانشگاه سمنان
10.48311/MME.24.4.215
چکیده
در این مقاله، ظرفیت باربری نمونه­های نانوکامپوزیت زمینه پلیمری دارای شیار­ v­شکل نوک گرد ساخته شده از رزین اپوکسی LR 630 و نانو گرافن اکسید، به هر دو روش تجربی و تئوری در شرایط مود بازشوندگی خالص، مورد مطالعه قرار گرفت. ابتدا خواص مکانیکی رزین اپوکسی خالص و نانوکامپوزیت، توسط آزمون کشش و خمش سه نقطه، به منظور ساخت نمونه­های مورد مطالعه، تعیین شد. از صفحات مستطیلی شامل یک سوراخ لوزی شکل در مرکز با چهار گوشه شیاردار با زاویه­ی شیار 60 درجه و شعاع­های 2،1و 4 میلی­متر در نوک آن، به عنوان نمونه برای آزمون شکست، استفاده شد. سپس نمونه­ها تحت بارگذاری کششی تک محوره قرار گرفتند و ظرفیت باربری آن­ها اندازه گیری شدند. سپس برای پیش بینی­های تئوری به­دلیل رفتار نرم نمونه­های مورد بررسی، از ترکیب روش مفهوم ماده معادل (EMC) با یک معیار شکست ترد شناخته شده به نام معیار بیشترین تنش محیطی (MTS)، استفاده شد و بعد از آن نتایج تجربی و تئوری باهم مقایسه شدند. نتایج حاصل از آزمایش نشان داد که با افزودن نانوذره به رزین اپوکسی، استحکام آن حدود 8% بهبود پیدا می­کند. هم­چنین مشاهده شد که بیشترین اختلاف نتایج تئوری و تجربی مربوط به ظرفیت باربری، مربوط به شیار با شعاع 4 میلی­متر و حدود 2/9% می­باشد. در نهایت مشاهده شد، معیار ترکیبی جدید به­خوبی می­تواند، بدون نیاز به تحلیل­های زمان­بر و پیچیده ­الاستوپلاستیک، نتایج تجربی به دست­آمده برای نمونه­های نانو کامپوزیتی را پیش­بینی کند.
کلیدواژه‌ها
نانوکامپوزیت
زمینه پلیمری شکست نرم
مفهوم ماده معادل
شیار وی شکل
گرافن اکساید

موضوعات

عنوان مقاله English

Ductile Fracture Analysis of Notched Epoxy Nanocomposites Reinforced with Graphene Oxide Nanoparticles Using the Equivalent Material Concept

نویسندگان English

Ahmad Ghasemi
Mahdi Gharehbash
Semnan University
چکیده English

In this research, the load-bearing capacities of epoxy-based nanocomposite specimens containing rounded-tip V-shaped notches made of epoxy resin LR 630 and nanographene oxide were studied both experimentally and theoretically under pure opening mode conditions. In order to fabricate the studied specimens, first, the tensile properties and fracture toughness of pure epoxy resin and nanocomposite materials were determined by uniaxial monotonic tension and three-point bending tests. Rectangular plates containing a central rhombic hole with four blunt V-shaped corners with a notch angle of 60° and radii of 1, 2, and 4 mm were utilized as the samples for fracture tests. Then, the samples were subjected to uniaxial tensile loading, and their load-carrying capacities (LCC) were measured. For theoretical predictions, due to the ductile behavior of the studied specimens, a combination of the equivalent material concept (EMC) with the well-known brittle fracture criterion, maximum tangential stress (MTS), was employed. Then, experimental and theoretical results were compared. The results of the experiment showed that by adding nanoparticles to the epoxy resin, its strength improved by about 8%, and it was found that the maximum discrepancy between the theoretical and experimental results was related to the groove with a radius of 4 mm, approximately 9.2%. Finally, it was observed that the new criterion (EMC-MTS) could predict the experimental results well without performing any time-consuming and complex elastic-plastic analysis.

کلیدواژه‌ها English

Polymer Based Nanocomposite
Ductile fracture
Equivalent Material Concept
V-Shaped Notch
Graphene oxide
1. Mohan P. A critical review: the modification, properties, and applications of epoxy resins. Polymer-Plastics Technology and Engineering. 2013; 52(2):107-25.
2. Montazeri A, Javadpour J, Khavandi A, Tcharkhtchi A, Mohajeri A. Mechanical properties of multi-walled carbon nanotube/epoxy composites. Materials & Design. 2010; 31(9):4202-8.
3. Lorenz H, Fritzsche J, Das A, Stöckelhuber K, Jurk R, Heinrich G, Klüppel M. Advanced elastomer nano-composites based on CNT-hybrid filler systems. Composites Science and Technology. 2009; 69(13):2135-43.
4. Geim AK, Novoselov KS. The rise of graphene. National Library of Medicine. 2007; 6(3):183-91.
5. Ren F, Zhu G, Ren P, Wang Y, Cui X. In situ polymerization of graphene oxide and cyanate ester–epoxy with enhanced mechanical and thermal properties. Applied Surface Science. 2014; 316:549-57.
6. Hummers Jr WS, Offeman RE. Preparation of graphitic oxide. Journal of the American Chemical Society. 1958; 80(6):1339-.
7. Liu Q, Zhou X, Fan X, Zhu C, Yao X, Liu Z. Mechanical and thermal properties of epoxy resin nanocomposites reinforced with graphene oxide. Polymer-Plastics Technology and Engineering. 2012; 51(3):251-6.
8. Norhakim N, Ahmad SH, Chia CH, Huang NM. Mechanical and thermal properties of graphene oxide filled epoxy nanocomposites. Sains Malaysiana. 2014; 43(4):603-9.
9. Gharebiglou M, Izadkhah MS, Erfan-Niya H, Entezami AA. Improving the mechanical and thermal properties of chemically modified graphene oxide/polypropylene nanocomposite. Modares Mechanical Engineering. 2016; 16(8):196-206.
10. Ma P, Jiang G, Chen Q, Cong H, Nie X. Experimental investigation on the compression behaviors of epoxy with carbon nanotube under high strain rates. Composites Part B: Engineering. 2015; 69:526-33.
11. Shokrieh M, Esmkhani M, Shahverdi H, Vahedi F. Effect of graphene nanosheets (GNS) and graphite nanoplatelets (GNP) on the mechanical properties of epoxy nanocomposites. Science of Advanced Materials. 2013; 5(3):260-6.
12. Susmel L, Taylor D. On the use of the Theory of Critical Distances to predict static failures in ductile metallic materials containing different geometrical features. Engineering Fracture Mechanics. 2008; 75(15):4410-21.
13. Torabi AR. On the use of the Equivalent Material Concept to predict tensile load-bearing capacity of ductile steel bolts containing V-shaped threads. Engineering Fracture Mechanics. 2013; 97:136-47.
14. Saboori B, Torabi AR, Kamjoo MR. Evaluation of the equivalent material concept in mixed mode I/III fracture estimation of V-notched Al7075-T6 plates. Engineering Fracture Mechanics. 2020; 237:107259.
15. Torabi AR, Rahimi AS, Ayatollahi MR. Mixed mode І/ІІ fracture prediction of blunt V-notched nanocomposite specimens with nonlinear behavior by means of the Equivalent Material Concept. Composites Part B: Engineering. 2018; 154:363-73.
16. Torabi AR. Estimation of tensile load-bearing capacity of ductile metallic materials weakened by a V-notch: The equivalent material concept. Materials Science and Engineering: A. 2012; 536:249-55.
17. Erdogan F, Sih GC. On the crack extension in plates under plane loading and transverse shear. Journal of Basic Engineering. 1963; 85(4):519-525.
18. Gomez F, Guinea G, Elices M. Failure criteria for linear elastic materials with U-notches. International Journal of Fracture. 2006; 141(1):99-113.
19. Rahimi AS, Ayatollahi MR, Torabi AR. Fracture study in notched ductile polymeric plates subjected to mixed mode I/II loading: Application of equivalent material concept. European Journal of Mechanics - A/Solids. 2018; 70:37-43.
17. امینی نژاد شهاب، مجذوبی غلامحسین، ثابت سیدعلیرضا. مطالعه عددی-تجربی اثر نرخ کرنش بر خواص کششی نانوکامپوزیت های گرافن-اپوکسی. مهندسی مکانیک مدرس. 1398؛ 20(2): 499-508. http://mme.modares.ac.ir/article-15-31932-fa.html
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 24، شماره 4
فروردین 1403
صفحه 215-223