اثر میدان مغناطیسی بر خواص فیزیکی و مکانیکی نانوکامپوزیت‌های هیبریدی نانوصفحه‌های گرافن- Fe3O4 بر پایه اپوکسی

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، مجتمع مواد و فناوری‌های ساخت، صندوق پستی 15875-1774

2 تهران، دانشگاه جامع امام حسین (ع)، گروه مهندسی شیمی، کد پستی 1698715461

10.22063/jipst.2025.35637.2370

چکیده

فرضیه‌ها: در سال‌های اخیر نانوکامپوزیت‌های بر پایه نانوصفحه‌های گرافن (GNP) و مشتقات آن با ارائه خواص فیزیکی-مکانیکی مناسب توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. از سوی دیگر نانوذرات مغناطیسی تحت تأثیر میدان با غلبه بر نیروهای سطحی و تجمع ذرات می‌توانند از رسوب در پلیمرها جلوگیری کنند. بر این اساس با توجه به مشخصه‌های مغناطیسی اکسیدآهن (Fe3O4) و خواص استحکامی بالای GNP، ساخت نانوکامپوزیت‌های هیبریدی Fe3O4 و GNP برای دستیابی به توزیع، پراکندگی مناسب و استحکام زیاد از اهداف این مقاله است. 
روش‌ها: در پژوهش حاضر اثر غلظت GNP (0.3، 0.5 و 0.7% وزنی) و Fe3O4 (2، 5 و %8 وزنی) بر خواص فیزیکی-مکانیکی اپوکسی بررسی شد. از این‌رو با به‌کارگیری در دو روش جدید با حضور و عدم حضور میدان مغناطیسی با شدت بسیار کوچک (90 گاوس) و هم‌زمان اختلاط برشی سرعت زیاد، پراکندگی و توزیع نانوذرات بررسی شد. در ادامه، نانوکامپوزیت‌های دارای گلاس بر پایه رزین اپوکسی ساخته و خواص مکانیکی در این رزین‌های تقویت‌شده ارزیابی شد
یافته‌ها: نتایج پراش پرتو X، میکروسکوپی الکترونی پویشی و عبوری (SEM/TEM) و تحلیگر شبکه بُرداری (VNA) نشان داد، اعمال میدان مغناطیسی به بهبود اختلاط نانوذرات در رزین‌های تقویت‌شده می‌شود. زیرا برهم‌کنش‌های گروه‌های عاملی گرافن و سطح فعال فلزی Fe3O4 به تشکیل Fe3O4/GNP جفت‌شده منجر می‌شود. اعمال میدان مغناطیسی سبب پراکندگی و توزیع مناسب در ابتدا برای ذرات Fe3O4 و سپس GNP جفت‌شده با آن می‌شود. چنانچه نتایج آزمون کشش در حضور میدان مغناطیسی، افزایش %26.41 استحکام، %60.2 چقرمگی، %26.7 ازدیاد طول و کاهش %0.11 مدول نسبت به اپوکسی خالص را نشان می‌دهد. همچنین با استفاده از رزین تقویت‌شده، کامپوزیت‌های شیشه-اپوکسی-تقویت‌شده ساخته که باعث افزایش %12 استحکام کششی، کاهش %1.87 مدول کششی، افزایش %48 استحکام خمشی و افزایش %13.5مدول خمشی در مقایسه با شیشه-اپوکسی-خالص شد. این محصول در طراحی، ساخت و سبک‌سازی انواع سازه‌های هوایی و فضایی کاربرد دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Effect of Magnetic Field on the Physico-Mechanical Properties of Epoxy-Based Fe3O4/GNP Hybrid Nanocomposites

نویسندگان [English]

  • Mohsen Ghiasvand 1
  • Hamid Fazeli 1
  • Jafar Eskandari Jam 1
  • Abbas Kebritchi 2
1 Faculty of Materials & Manufacturing Technologies, Malek Ashtar University of Technology, P.O. Box: 1774- 15875, Tehran, Iran
2 Department of Chemical Engineering, Imam Hossein Comprehensive University, Postal Code: 1698715461, Tehran, Iran
چکیده [English]

Hypothesis: In recent years, graphene nanosheet (GNP)-based nanocomposites and their derivatives have gained considerable attention due to their favorable physical and mechanical properties. Magnetic nanoparticles, when influenced by a magnetic field, can prevent sedimentation in polymers by overcoming surface forces and particle agglomeration. Given the magnetic characteristics of iron oxide (Fe3O4) and the high strength of GNP, the development of Fe3O4/GNP hybrid nanocomposites aims to achieve uniform dispersion and enhanced mechanical performance.
Methods: The present research investigates the effect of GNP (0.3, 0.5, and 0.7% by wt) and Fe3O4 (2, 5, and 8% by wt) concentrations on the physical and mechanical properties of epoxy resin. Two novel approaches were employed using a high-shear turbo mixer in the presence and absence of a low-intensity magnetic field (90 Gauss) to evaluate nanoparticle dispersion and distribution. Subsequently, glass fiberreinforced epoxy nanocomposites were fabricated, and their mechanical properties were assessed
Findings: XRD, SEM/TEM, and VNA analyses confirmed that the magnetic field enhances nanoparticle dispersion. This is attributed to interactions between the functional groups of graphene and the active surface of Fe3O4, leading to the formation of Fe3O4/GNP hybrid structures. The magnetic field promotes the initial dispersion of Fe3O4 particles, followed by the coupled GNPs. Tensile tests under magnetic field application showed a 26.41% increase in strength, 60.2% in toughness, 26.7% in elongation, and 0.11% decrease in modulus compared to neat epoxy. Moreover using the reinforced resin, glass/epoxy composites exhibited 12% increase in tensile strength, 1.87% decrease in tensile modulus, 48% increase in flexural strength, and 13.5% increase in flexural modulus compared to unreinforced glass/epoxy. These materials are suitable for lightweight aerospace and aviation structures.

کلیدواژه‌ها [English]

  • nanocomposite
  • high-shear turbo mixer
  • Fe3O4/GNP
  • magnetic field
  • mechanical properties

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار