نانوالیاف لاستیکی شکست کامپوزیت‌ها را ترمیم کرد

به گزارش خبرگزاری صدا و سیمای استان زنجان؛ حسام‌الدین ثقفی پژوهشگر دانشگاه زنجان گفت: این پژوهش در قالب پایان‌نامه دکتری رشته مهندسی مکانیک، در دانشگاه زنجان انجام شده است. این تحقیق با عنوان بررسی رفتار کامپوزیت‌های چندلایه تقویت‌شده با نانوالیاف لاستیکی تحت بارگذاری مکانیکی به روش نشر فراآوایی و المان محدود، به بررسی تجربی و عددی مکانیزم‌های شکست، رشد ترک و رفتار بین‌لایه‌ای کامپوزیت‌ها پرداخته است.

این پژوهشگر با بیان اینکه کامپوزیت‌های چندلایه پلیمری تقویت‌شده با الیاف از مهم‌ترین مواد مهندسی نوین به شمار می‌روند، گفت: کامپوزیت‌های چندلایه پلیمری موادی هستند که از کنار هم قرار گرفتن لایه‌هایی از الیاف مقاوم(مثل الیاف شیشه یا کربن) در داخل یک ماده پلیمری ساخته می‌شوند. این ترکیب باعث می‌شود ماده نهایی هم سبک باشد و هم استحکام بالایی داشته باشد؛ به همین دلیل در صنایعی مانند هوافضا، خودروسازی و سازه‌های مهندسی به‌جای فلزات استفاده می‌شود. ساختار لایه‌لایه این مواد امکان طراحی خواص مکانیکی دلخواه را فراهم می‌کند، اما در عین حال می‌تواند آن‌ها را مستعد آسیب‌هایی مانند جدایش بین‌لایه‌ای کند.

وی افزود: با وجود این مزایا، ساختار لایه‌لایه این مواد باعث می‌شود یکی از مهم‌ترین آسیب‌های آن‌ها، یعنی جدایش بین‌لایه‌ای رخ دهد؛ پدیده‌ای که می‌تواند بدون هشدار ظاهری، منجر به افت شدید خواص مکانیکی و حتی شکست ناگهانی سازه شود.

این پژوهشگر ادامه داد: در سال‌های اخیر، مطالعات متعددی برای کاهش این نوع خرابی انجام شده که نتایج آن‌ها نشان می‌دهد استفاده از نانوالیاف الکتروریسی‌شده بین لایه‌ها یکی از مؤثرترین و کم‌وزن‌ترین روش‌ها برای افزایش مقاومت کامپوزیت‌ها در برابر رشد ترک و جدایش بین‌لایه‌ای است.

ثقفی با اشاره به مبانی علمی این پژوهش، تصریح کرد: رفتار شکست کامپوزیت‌های چندلایه با شاخصی به نام نرخ آزاد شدن انرژی کرنشی در مودهای اول و دوم شکست ارزیابی می‌شود که بیانگر میزان مقاومت ماده در برابر آغاز و گسترش ترک است. در این تحقیق، این پارامترها مطابق استانداردهای معتبر ASTM اندازه‌گیری شده‌اند.

وی با اشاره به مرور مطالعات پیشین، گفت: نتایج تحقیقات گذشته نشان می‌دهد دما، نوع بافت و زاویه الیاف نقش کلیدی در رفتار شکست کامپوزیت‌ها دارند؛ به‌طوری که در دماهای پایین، رفتار ماده شکننده‌تر است، اما با افزایش دما، چقرمگی شکست و شکل‌پذیری افزایش می‌یابد. همچنین آرایش الیافی که هم‌راستا با مسیر رشد ترک نباشد، مقاومت بیشتری در برابر جدایش بین‌لایه‌ای ایجاد می‌کند.

این پژوهشگر با تأکید بر روش‌های پایش و تحلیل خرابی، افزود: مطالعات پیشین نشان می‌دهد روش نشر فراآوایی ابزار قدرتمندی برای شناسایی لحظه‌ای آغاز ترک و تفکیک مکانیزم‌های خرابی مانند ترک‌خوردگی ماتریس، جدایش الیاف و شکست الیاف است. همچنین ترکیب این روش با شبیه‌سازی عددی مبتنی بر المان محدود و مدل ناحیه چسبنده می‌تواند پیش‌بینی دقیق‌تری از رفتار جدایش بین‌لایه‌ای در شرایط مختلف بارگذاری ارائه دهد.

ثقفی در ادامه گفت: مرور جامع این مطالعات، مبنای طراحی پژوهش حاضر را شکل داده است که هدف آن بهبود مقاومت شکست بین‌لایه‌ای کامپوزیت‌های چندلایه با استفاده از نانوالیاف لاستیکی، بدون افزایش محسوس وزن سازه است.

وی در ادامه با اشاره به استفاده از روش نشر فراآوایی در این پژوهش، گفت: نشر فراآوایی یک روش آزمون غیرمخرب است که امکان شنیدن و ثبت صداهای بسیار ریز ناشی از ایجاد ترک، جدایش لایه‌ها و آغاز خرابی در داخل مواد را فراهم می‌کند.

این پژوهشگر افزود: زمانی که یک ماده یا سازه تحت بارگذاری قرار می‌گیرد، بروز تغییرات ناگهانی در ساختار داخلی آن باعث آزاد شدن انرژی و تولید امواج صوتی با فرکانس بالا می‌شود که این امواج توسط حسگرهای ویژه ثبت و تحلیل می‌شوند.

وی افزود: مزیت اصلی روش نشر فراآوایی این است که به‌صورت برخط و بدون آسیب‌زدن به نمونه، می‌تواند روند شروع و گسترش خرابی را در حین بارگذاری شناسایی کند؛ به همین دلیل این روش امروزه در پایش سلامت سازه‌ها، به‌ویژه سازه‌های کامپوزیتی، کاربرد گسترده‌ای دارد.

ثقفی با اشاره به پیشینه مطالعات گفت: تحقیقات گذشته نشان می‌دهد نشر فراآوایی در صنایعی مانند هوافضا، انرژی، ساخت‌وساز و حمل‌ونقل ریلی برای تشخیص زودهنگام ترک‌ها، ارزیابی سلامت سازه‌ها و جلوگیری از خرابی‌های ناگهانی بسیار مؤثر است.

نتایج این پژوهش که در قالب پایان‌نامه دکتری مهندسی مکانیک، گرایش طراحی جامدات، در دانشگاه زنجان انجام شده است، منجر به انتشار چندین مقاله علمی در معتبرترین نشریات بین‌المللی حوزه کامپوزیت‌ها شده است.

این پژوهشگر که رتبه اول فارغ‌التحصیلی دوره دکتری را کسب کرده است، تاکنون موفق به انتشار چندین مقاله ISI در نشریاتی نظیر Composite Structures ،Composites Part A ،Thin-Walled Structures و Theoretical and Applied Fracture Mechanics شده و بخشی از نتایج پژوهش خود را در قالب همکاری تحقیقاتی با دانشگاه بولونیا ایتالیا و با تمرکز بر اثر دما و ضخامت نانوالیاف بر رفتار مکانیکی کامپوزیت‌ها توسعه داده است.