تأثیر نانوتیوب کربن و گرافن بر خواص کششی، کمانشی و ارتعاشی مواد مرکب زمینه اپوکسی تقویت‌شده با الیاف کربن

نوع مقاله: مقاله علمی ترویجی

نویسندگان

1 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد واحد بناب، بناب

2 گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه بناب، بناب

چکیده

در این تحقیق اثرات اضافه نمودن نانوتیوب کربن و گرافن بر خواص ارتعاشی و مکانیکی مواد مرکب (مواد کامپوزیت) زمینه اپوکسی تقویت‌شده بررسی گردیده است. بدین منظور پنج نوع ماده مرکب شامل ماده مرکب کلاسیک با زمینه اپوکسی و تقویت‌شده با الیاف کربن و مواد مرکب چند مقیاسه شامل الیاف کربن با زمینه اپوکسی حاوی 0.1% نانوتیوب کربن و 0.5% گرافن با استفاده از روش وکیوم بگینگ ساخته شد. آنالیز ارتعاشی تیرهای ماده مرکب در مد یک انجام گردیده و مقادیر فرکانس طبیعی برای نمونه‌های مختلف استخراج شد. فرکانس‌های طبیعی بدست‌آمده جهت محاسبه مدول الاستیسیته نمونه‌ها استفاده گردیده و مقادیر بدست‌آمده با نتایج تست کشش مقایسه شد. نتایج نشان داده‌اند که افزایش نانو ذرات نانوتیوب کربن و گرافن با افزایش مقاومت مکانیکی زمینه و افزایش میزان چسبندگی زمینه و الیاف، با ایجاد نانو ساختارها در ناحیه فصل مشترک باعث بهبود خواص مکانیکی مواد مرکب پلیمری تقویت‌شده با الیاف کربن گردیده است. در حالت کلی نانوذرات گرافن با توجه به ساختار صفحه‌ای و مساحت تماس بالا نسبت به نانوتیوب‌های کربنی و افزایش احتمال انباشتگی و ایجاد تمرکز تنش در ساختار زمینه ماده مرکب، تأثیر کمتری در بهبود مشخصات مکانیکی و ارتعاشی مواد مرکب داشته‌اند.

کلیدواژه‌ها


[1] Boroujeni, A.Y., Tehrani, M., Nelson, A.J., and Al-Haik, M. Hybrid carbon nanotube–carbon fiber composites with improved in-plane mechanical properties. Composites Part B: Engineering, 66:475 – 483, 2014.

[2] Rafiee, Mohammad A., Rafiee, Javad, Wang, Zhou, Song, Huaihe, Yu, Zhong-Zhen, and Koratkar, Nikhil. Enhanced mechanical properties of nanocomposites at low graphene content. ACS Nano, 3(12):3884–3890, Dec 2009.

[3] Hajian, Mortaza, Reisi, Mohammad Reza, Koohmareh, Gholam Ali, and Zanjani Jam, Ali Reza. Preparation and characterization of polyvinylbutyral/graphene nanocomposite. Journal of Polymer Research, 19(10):9966, 2012.

[4] Potts, Jeffrey R., Dreyer, Daniel R., Bielawski, Christopher W., and Ruoff, Rodney S. Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer, 52(1):5 – 25, 2011.

[5] Yasmin, Asma and Daniel, Isaac M. Mechanical and thermal properties of graphite platelet/epoxy composites. Polymer, 45(24):8211 – 8219, 2004.

[6] Wang, Shiren, Tambraparni, Madhava, Qiu, Jingjing, Tipton, John, and Dean, Derrick. Thermal expansion of graphene composites. Macromolecules, 42(14):5251–5255, 2009.

[7] Rajoria, Himanshu and Jalili, Nader. Passive vibration damping enhancement using carbon nanotube-epoxy reinforced composites. Composites Science and Technology, 65(14):2079 – 2093, 2005.

[8] Khan, Shafi Ullah, Li, Chi Yin, Siddiqui, Naveed A., and Kim, Jang-Kyo. Vibration damping characteristics of carbon fiber-reinforced composites containing multi-walled carbon nanotubes. Composites Science and Technology, 71(12):1486 – 1494, 2011.

[9] Her, Shiuh-Chuan and Yeh, Shun-Wen. Fabrication and characterization of the composites reinforced with multiwalled carbon nanotubes. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 12(10):8110–8115, 2012.

[10] Kim, Hee Chul, Kim, Eun Ho, Lee, In, Byun, Joon Hyung, Kim, Byung Sun, and Ahn, Seok Min. Fabrication of carbon nanotubes dispersed woven carbon fiber/epoxy composites and their damping characteristics. Journal of Composite Materials, 47(8):1045–1054, 2013.

[11] Alva, Abhinav and Raja, S. Damping characteristics of epoxy-reinforced composite with multiwall carbon nanotubes. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 21(3):197–206, 2014.

[12] Formica, Giovanni, Lacarbonara, Walter, and Alessi, Roberto. Vibrations of carbon nanotube-reinforced composites. Journal of Sound and Vibration, 329(10):1875 – 1889, 2010.

[13] Zhang, L. W., Lei, Z. X., and Liew, K. M. Free vibration analysis of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite triangular plates using the fsdt and element-free imls-ritz method. Composite Structures, 120:189–199, 2 2015.

[14] Chandra, Y., Chowdhury, R., Scarpa, F., Adhikari, S., Sienz, J., Arnold, C., Murmu, T., and Bould, D. Vibration frequency of graphene based composites: A multiscale approach. Materials Science and Engineering: B, 177(3):303 – 310, 2012.

[15] Chandra, Y., Chowdhury, R., Scarpa, F., and Adhikaricor, S. Vibrational characteristics of bilayer graphene sheets. Thin Solid Films, 519(18):6026 – 6032, 2011.

[16] Rouhi, S. and Ansari, R. Atomistic finite element model for axial buckling and vibration analysis of single-layered graphene sheets. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 44(4):764 – 772, 2012.

[17] Fakhrabadi, Mir Masoud Seyyed, Allahverdizadeh, Akbar, Norouzifard, Vahid, and Dadashzadeh, Behnam. Mechanical characterization of deformed carbon nanotubes. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 7(2):717–727, 2012.

[18] Rahmandoust, Moones and Öchsner, Andreas. Buckling behaviour and natural frequency of zigzag and armchair single-walled carbon nanotubes. Journal of Nano Research, 16:153–160, 1 2012.

[۱۹] گلمکانی, محمداسماعیل و رضاطلب, جواد. تحلیل خمش غیرخطی نانو صفحات ارتوتروپیک، براساس مدل غیرموضعی ارینگن توسط روش دیفرانسیل مربعات. مهندسی مکانیک مدرس, 13(14):122--136, 1392.

[۲۰] پوراشرف, سیده طلیعه و انصاری خلخالی, رضا. تحلیل ارتعاشات واداشته غیرخطی نانوتیرهای ساخته شده از مواد هدفمند در محیط‌های حرارتی با در نظر گرفتن اثرات تنش سطحی و غیر موضعی. مهندسی مکانیک مدرس, 14(16):17--26, 1393.