نطریه سینتیکی استحکام شکست در پیش بینی عمر خستگی کامپوزیت‌های اپوکسی - الیاف کربن

نوع مقاله: پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه تربیت مدرس، دانشکده مهندسی شیمی، گروه مهندسی پلیمر، صندوق پستی 143-14115

2 زنجان، دانشگاه زنجان، دانشکده مهندسی، گروه مکانیک، صندوق پستی 45194-313

چکیده

استفاده گسترده از مواد کامپوزیتی در بسیاری از صنایع، نیاز به ابزار مدل­ سازی و قابلیت پیش ­بینی رفتار این مواد را ایجاد کرده است. یکی از این رفتارها، طول عمر خستگی است. طول عمر خستگی، رفتاری پیچیده است و به خواص مواد و شرایط محیطی و عملیاتی و برخی پارامترهای دیگر بستگی دارد. در این کار، با استفاده از نظریه سینتیکی استحکام شکست مدل و روشی ارائه شده است که قابلیت پیش ­بینی و تحلیل رفتار خستگی کامپوزیت­ های اپوکسی-الیاف کربن را دارد. نظریه سینتیکی استحکام، نگاهی مولکولی و موادی به رفتارهای مکانیکی دارد. برای بررسی تجربی مدل از نمونه ­های کامپوزیتی حلقوی استفاده شد. این حلقه­ ها از لوله­ های تهیه شده به روش رشته ­پیچی الیاف به ­دست آمدند. نمونه ­های حلقوی تحت آزمون خستگی قرار گرفتند. پس از انجام آزمون خستگی روی نمونه ­ها، تغییر ساختار آن ­ها در آزمون FTIR و TGA بررسی شد. سپس، با مطالعه داده ­های حاصل از FTIR، نتایج حاصل از داده­ های تجربی با مدل پیشنهادی مقایسه شد. نتایج حاصل از این پژوهش نشان می­ دهد، مدل­ های سینتیکی جایگزین نسبتاً مناسبی برای مدل­ های مکانیکی کلاسیک هستند که نیازمند انجام آزمون­ های پرهزینه بوده و نیز دارای محاسبات سنگین و پیچیده هستند. مدل سینتکی ارائه شده در این مقاله، با توجه به نوع نمونه ­ها، تنها برای کامپوزیت ­هایی قابل استفاده است که شکست آن ­ها در جهت عرضی و ناشی از شکست ماتریس کامپوزیت است. برای استفاده از این مدل­ ها، با داشتن انرژی شکست پیوند­ها و حجم فعال شده با به­ کارگیری چند آزمون ساده می­ توان طول عمر مکانیکی را پیش ­بینی کرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Kinetic Theory of Fracture Strength in Prediction of Fatigue Lifetime of Epoxy/Carbon Fiber Composites

نویسندگان [English]

  • Morteza Molaee 1
  • Ahmad Reza Bahramian 1
  • Isa Ahmadi 2
1 Department of Polymer Engineering, Faculty of Chemical Engineering, Tarbiat Modares University, P.O. Box: 14115-143, Tehran, Iran
2 Mechanic Department, Faculty of Engineering, Zanjan University, P.O. Box:313-45194, Zanjan, Iran
چکیده [English]

Extensive use of polymer composite materials in many industries has created needs for theoretical modeling tools and the ability to predict the behavior of these materials, namely their fatigue life. Fatigue life is a complex course and depends on material properties, environmental and operational conditions and some other parameters. This work presents an analytical method, based on kinetic logics which are able to predict the lifetime fracture strength and fatigue behavior analysis of carbon fiber-reinforced epoxy composites. The kinetic strength analyzes the mechanical behavior of material based on its molecular properties. Ring-shaped composite samples were used for empirical study of the model. The rings were obtained from the pipes fabricated by the filament winding method. Samples were subjected to cyclic fatigue testing under different strain conditions and evaluated the changes in the structure of composites by FTIR analysis and TGA. The data obtained from the FTIR tests were evaluated in order to propose a theoretical model. The results obtained in this investigation showed that the kinetic models can be as an alternative to the classical mechanical models which usually require expensive testing procedures along with complex calculation tasks. The kinetic model presented here can be used only for the composite samples fabricated according to the procedure described in this study, because they fracture in the transverse direction caused by failure of the matrix. Therefore, prediction of the fatigue lifetime using the developed models only needs to achieve the bond energy and activated volume by performing a few simple tests.

کلیدواژه‌ها [English]

  • fatigue life
  • composite
  • epoxy/carbon-fiber
  • kinetics of fracture strength
  • kinetic models