بررسی مقاومت به ضربه سرعت بالا در صفحات مشبک کامپوزیتی حاوی نانولوله‌های‌کربنی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، دانشکده مهندسی و علم مواد، تهران، ایران

2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، دانشکده مهندسی و علم مواد، تهران، ایران

چکیده

کامپوزیت های مشبک به علت طراحی خاص (متشکل از شبکه ای از تقویت کننده ها که عموماً روی یک پوسته قرار گرفته اند)، از استحکام و سفتی ویژه بالا، و جذب انرژی فوق‌العاده خوبی برخوردار هستند. در تحقیق حاضر، نمونه های صفحات مشبک کامپوزیتی زمینه پلیمری ساخته شده و اثر افزودن نانولوله‌های‌کربنی چندجداره در درصدهای وزنی مختلف (0، 1/0، 25/0 و 4/0) بر رفتار ضربه سرعت بالای این کامپوزیت ها به‌ صورت تجربی مورد مطالعه قرار گرفته است. بدین منظور، ابتدا نانولوله‌های‌کربنی چندجداره با استفاده از همزن مکانیکی و امواج اولتراسونیک درون زمینه پلیمری توزیع شدند. سپس صفحات مشبک کامپوزیتی پلیمری حاوی نانولوله های کربنی با هندسه شش ضلعی با استفاده از روش لایه‌گذاری دستی ساخته شدند و آزمون ضربه سرعت بالا بر روی این صفحات به وسیله پرتابه‌ استوانه‌ای با دماغه مخروطی صورت پذیرفت. نتایج تجربی نشان داد که بهترین رفتار ضربه سرعت بالا به ازای افزودن 4/0 درصد وزنی نانولوله‌های‌کربنی حاصل می‌شود. در این حالت، سرعت حد بالستیک و میزان انرژی جذب شده طی فرآیند ضربه به ترتیب به میزان 11 و 22 درصد نسبت به صفحات مشبک کامپوزیتی فاقد نانولوله‌های‌کربنی، افزایش یافت. همچنین به ازای افزودن نانولوله‌های‌کربنی چندجداره، میزان سطح تخریب صفحات مشبک کامپوزیتی کاهش یافت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Soutis C., Carbon fiber reinforced plastics in aircraft construction, Materials Science and Engineering, Vol. 412, pp. 171-176, 2005.
[2] Vasiliev V. V., and Razin A. F., Anisogrid composite lattice structures for spacecraft and aircraft applications, Composite Structures, Vol. 76, pp. 182–189, 2006.
[3] Vasiliev V. V., Barynin V. A., and Razin A. F., Anisogrid composite lattice structures Development and aerospace applications, Composite Structures, Vol. 94, pp. 1117–1127, 2012.
[4] Vasiliev V. V., Barynin V. A., and Razin A. F., Anisogrid lattice structures- survey of development and application, Composite Structures, Vol. 54, pp. 361-370, 2001.
]5[ میرزاآقایی علی، ملک‌زاده کرامت، اسکندری‌جم جعفر، خودکفایی در صنعت مشبک‌های کامپوزیتی در صنعت نفت، ماهنامه اکتشاف و تولید، شماره 89، صفحه 43، اردیبهشت 1391.
[6] Hedayatian, M. Liaghat, G. H. Rahimi, G. H. and Pol M. H., Numerical and experimental analyses projectile penetration in grid cylindrical composite structures under high velocity Impact,  Modarres Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 9, pp. 17-26, 2014.
[7] Totaro G., Local buckling modelling of isogrid and anisogrid lattice cylindrical shells with hexagonal cells, Composite Structures, Vol. 95, pp. 403–410, 2013.
[8] Morozov E. V., Lopatin A. V., and Nesterov V. A., Finite-element modelling and buckling analysis of anisogrid composite lattice cylindrical shells, Composite Structures, Vol. 93, pp. 308–321, 2013.
[9] Lim K., He W., and Guan Z., Buckling Analysis of Advanced Grid Stiffened Composite Cylinders, Advanced Materials Research, Vol. 855-857, pp. 755-762, 2014.
[10] Buragohain M., and Velmurugan R., Optimal design of filament wound grid-stiffened composite cylindrical structures, Defence science journal, Vol. 61, pp. 88-94, 2011.
[11] Hemmatnezhad M., Rahimi G. H., Tajik M., and Pellicano F., Experimental, numerical and analytical investigation of free vibrational behavior of GFRP-stiffened composite cylindrical shells, Composite Structures, Vol. 120, pp. 509–518, 2015.
[12] Wodesenbet E., Kidane S., Pang S. S., Optimization for buckling loads of grid stiffened composite panels, Composite Structures, Vol. 60, PP. 159-169, 2003.
[13] Pandya K. S., Akella K., Joshi M., and Naik N. K., Ballistic impact behavior of carbon nanotube and nanosilica dispersed resin and composites, Journal of Applied Physics, Vol. 112, pp. 1-6, 2012.
[14] Velmuruga R., and Balaganesan G., Energy absorption characteristics of glass/epoxy nano composite laminates by impact loading, International Journal of Crashworthiness, Vol. 18, pp. 82-92, 2013.
[15] Rahman M., Hosur M., Zainuddin S., Vaidya U., Tauhid A., Kumar A., Trovillion J., and Jeelani S., Effects of amino-functionalized MWCNTs on ballistic impact performance of E-glass/epoxy composites using a spherical projectile, International Journal of Impact Engineering, Vol. 57, pp. 108-118, 2013.
[16] Laurenzi S., Pastore R., Giannini G., and Marchetti M., Experimental study of impact resistance in multi-walled carbon nanotube reinforced epoxy, Composite Structures, Vol. 99, pp. 62–68, 2013.
[17] Pol M. H., Liaghat G. H., and F. Hajiarazi, Effect of nanoclay on ballistic behavior of woven fabric composites: Experimental investigation, Journal of Composite Materials, Vol. 47, pp. 1563-1573, 2012.
[18] Boddu V. M., Brenner M. W., Patel J. S., Kumar A., Mantena P. R., Tadepalli T.,  and Pramanik B., Energy dissipation and high-strain rate dynamic response of  E-glass fiber composites with anchored carbon nanotubes, Composites, Part B,  Vol. 88, pp. 44-54, 2016.
[19] Gibson J., McKee J., Freihofer G., Raghavan S., and Gou J., Enhancement in ballistic performance of composite hard armor through carbon nanotubes, International Journal of Smart, and Nano Materials, Vol. 4, pp. 212-228, 2013.
[20] Gibson S. L., Gordaninejad R. F., and Suhr F. J, Energy Absorption Capability of Nanocomposites: A Review, Composites Science and Technology, Vol. 69, pp. 2392-2409, 2009.
[21] Micheli D., Vricella A., Pastore R., Delfini A., Giusti A., Albano M., Marchetti M., Moglie F., and Primiani M. V., Ballistic and electromagnetic shielding behavior of multifunctional Kevlar fiber reinforced epoxy composites modified by carbon nanotubes, Carbon, Vol. 104, pp. 141-156, 2016.
[22] Seyhan T. A., Tanoglu M., and Schulte K., Mode I and mode II fracture toughness of E-glass non-crimp fabric/carbon nanotube (CNT) modified polymer based composites, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 75, pp. 5151-5162, 2008.
[23] Zhang J., Jua S., Jiang D., and Peng H. X., Reducing dispersity of Mechanical Properties of Carbon Fiber/ Epoxy Composites by Introducing Multi-Walled Carbon Nanotube, Composites, Part B, Vol. 54, pp. 371-376. 2013.
[24] Garg M. S., and Mehta R., Pristine and Amino functionalized Carbon Nanotubes Reinforced Glass Fiber Epoxy Composites, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 76, pp. 92–101, 2015.
[25] Rahman M. M., Hosur M., Zainuddin S., Jeelani S., High Velocity Impact Response of E-glass/epoxy Composites Modified with NH2-MWCNT, Proceeding of the 19TH International Conference on Composite Materials, Montreal, Canada, 2013.
[26] Feng Y., Wang K., Davies C. H. J., and Wang H., Carbon Nanotube/ Alumina/ Polyethersulfone Hybrid Hollow Fiber Membranes with Enhanced Mechanical and Anti-Fouling Properties, Nanomaterials, Vol. 5, PP. 1366-1378, 2015           .
[27] Dimeski D., Srebrenkoska V., and Mirceska N., Ballistic Impact Resistance Mechanism of Woven Fabrics and their Composites, International Journal of Engineering Research and Technology, Vol. 4, PP. 107-111, 2015.
[28] Razali N., Sultan M. T. H., Mustapha F., Yirdis N., and Ishak M. R., Impact Damage on Composite Structures– A Review, The International Journal of Engineering and Science, Vol. 3, pp. 8-20, 2014.
[29] Nair N. S. S., Kumar C. V. V, Naik N. K. K., and Shaktivesh S., Ballistic impact performance of composite targets, Materials and Design, Vol. 51, pp. 833– 846, 2013.
[30] Naik N. K., Shrirao P., and Reddy B. C. K.,  Ballistic impact behavior of woven fabric composites: Formulation, International Journal of Impact Engineering, Vol. 32, pp. 1521-1552, 2006.
[31] Udatha P., Kumar C. V. S., Nair S. N., and Naik N. K., High velocity impact performance of three-dimensional woven composites, The Journal of Strain Analysis for Engineering Design, Vol. 47, pp. 419-431, 2012.
[32] Dogan F., Hadavinia H., Donchev T., Bhong P. S.,  Delamination of impacted composite structures by cohesive zone interface elements and tiebreak contact, Central European Journal of Engineering, Vol. 2, pp. 612-626, 2012.
[33] Rahman M. M., Hosur M., Zainuddin S., Jeelani S., High velocity impact response of E glass/epoxy composites modified with NH2- MWCNT, 19TH International Conferenece on Composite Materials, Montreal, Canada, 2013.