تقييم متانة الكسر للصفائح المتراكبة الهجينة المعززة بالألياف الزجاجية / الكربونية وحشوات النانو سيراميك

الباحث

نور منعم حيدر

المشرف

ابتهال عبد الرزاق محمود

الجامعة

الجامعة التكنولوجية

الكلية / القسم

قسم الهندسة الميكانيكية / الهندسة الميكانيكية

الشهادة

ماجستير

السنة

2022

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Fracture toughness;Hybrid composite laminates;Glass/carbon fibers;Nano ceramic fillers

اكتسبت المواد المركبة الكثير من الاهتمام في السنوات الأخيرة بسبب الميزات والخصائص الفريدة التي تظهرها هذه الفئة من المواد الهندسية. تهدف هذه الدراسة الى فحص الخصائص الميكانيكية للمتراكبات المكونة من مصفوفة بوليستر (UPE) ودراسة تأثير إضافة مواد تدعيم مختلفة مثل (حصائر ألياف الزجاج (GFM) والدقائق النانوية المتمثلة بأكسيد الزركونيوم (و70) وأكسيد السيليكون (SiO2) ومادة الجل كوت (Gel Coat) على الخواص الميكانيكية لإيجاد أفضل متراكبء وقد تم تحضير العينات باستخدام تقنية وضع اليد(ع1ان1مططءة) (hand lay-up تم في هذا البحث استخدام راتنج البوليستر نوع (البوليستر غير المشبع) حيث يتم معالجته بخلطه مع نسبه )2-4%( من المصلد المسمى ميثيل إيثيل كيتون بيروكسيد (MEKP) تم استعمال نوعين من مواد التدعيم: النوع الأول هو حصيرة من الالياف (الزجاجية و الكربونية) بنسب حجمية مختلفة (03.5/, 7 9/,010.5, 9014)، اما النوع الثاني لمواد التدعيم فكان عبارة عن دقائق نانوية من أكسيد الزركونيوم وأكسيد السيليكون والذي يدعم بنسب وزنية مختلفة )4% ,3.5% ,3% ,2.5% ,2% ,1%( كما وتم استبدال طبقه الالياف بطبقة من الجل كوت. تم إجراء الاختبارات الميكانيكية على العينات المحضرة: بما في ذلك اختبارات الشد والصدمات والصلابة ومتانة الكسر فضلا عن اختبارات التخميد. ستحدد نتائج هذه الاختبارات المادة المتراكبة المثلى ومقارنتها مع الفحوصات الميكانيكية لمصد سيارة تجاري نوع شيري لمعرفة كفاءة المادة الناتجة عند مقارنتها بالمصد الأصلي. العمل التجريبي لهذا البحث تم اعداده على ثلاث مراحل من المتراكبات، حيث أظهرت نتائج المرحلة الأولى بأن خلط راتنج البوليستر مع الالياف بنسب (900، %3.5, %7, %10.5, %14( يؤدي الى زيادة في قيم مقاومة الشدء مقاومة الصدمة، الصلابة، ومتانة الكسر بنحو (113.58/، 1574.46( 44.73، 1218.26( على التوالي ،elas GLY وبنحو )%81.7, 9/0621.22, 07.85/, 7 على التوالي لألياف الكربون. في حين كان هناك نقصان في نسبة التخميد مع زيادة نسبة الالياف بنحو )-%23.18( GLY الزجاج، وبنحو )-33.33%( GLY الكربون بالمقارنة مع Bale البوليستر لوحدها. ان أفضل خليط متراكب تم الحصول عليه هو (راتنج البوليستر + 9,014 من الياف الزجاج). في المرحلة الثانية، يتم تدعيم أفضل متراكب تم الحصول عليه من المرحلة الثانية بواسطة Gils نانوية من أكسيد الزركونيوم واكسيد السيليكون. بالمقارنة مع المتراكبان المكونان من (راتنج البوليستر + 9014 الياف زجاجي'الياف كاربون) فقد أظهرت النتائج زيادة في قيم مقاومة الشدء ومقاومة الصدمة، والصلادة ومتانة الكسر عند اضافه الدقائق النانوية لكن هذا التحسين يقل عند اضافة الدقائق بنسبة تتجاوز ال 2.5مبالوزن. كما ولوحظ تصرفا معاكسا لنسبة التخميد حيث تنخفض عند إضافة الدقائق النانوية ويقل هذا الانخفاض عند إضافة نسبة من الدقائق تزيد عن ال 702.5. كما وأظهرت النتائج ايضاً بأن متراكبات أكسيد الزركونيوم تمتلك قيم اعلى من متراكبات أكسيد السيليكون، حيث ان أفضل مركب هجين تم الحصول عليه كان المتراكبان المكونان من (البوليستر + %14 الياف زجاجالياف كربون + 5 من دقائق أكسيد الزركونيوم). وكانت نسب التغيرات بالخصائص الميكانيكية للمتراكب الهجين حوالي )16.09%- ,75.14% ,3.57% ,95.2% ,39%( على التوالي لألياف الزجاج، وحوالي )32.78- ,79.75 ,3.81% ,98.75% ,43.2%( اما بالنسبة للتدعيم ب 97,2.5 من أكسيد السيليكون فقد كانت نسب التغيرات نحو )16.09%- ,27.6% ,2.1490 ,63.2% ,17.73%( على التوالي لألياف الزجاج و حوالي )21.85%- ,29% ,29.14% ,73.32% ,23.65%( على التوالي لألياف الكربون بالمقارنة مع متراكب (راتنج البوليستر + 014,؟ الياف زجاجية). اما في المرحلة الثالثة من الدراسة فيتم تعديل أفضل متراكبان ناتجان في المرحلة الثانية عن طريق استبدال طبقة من الالياف الزجاجية والكربونية بطبقة من الجل كوت. أظهرت النتائج انخفاض في مقاومة الشد، ومقاومة الصدمات؛ والصلابة، ومتانة الكسر بينما زادت نسبة التخميد بالمقارنة مع المتراكب (راتنج البوليستر +144 % الياف زجاجية"الياف كربونية+92.5 أكسيد الزركونيوم). تقدر التغير في النسبة المئوية للخواص الميكانيكية للمتراكب الهجين بنحو - ,5.12%- ,40.69%- ,44.86%-( )6.79% ,14.3596 على التوالي GUY الزجاج. وحوالي (- ,6.67%- ,42%- ,44.24%- 11.33% ,22.12%( على التوالي لألياف الكربون. اما بالنسبة للمتراكب المكون من راتنج البوليستر +9014 الياف زجاجية"الياف كربونية+02.5,؟ أكسيد السيليكون) فتقدر التغير في النسبة المئوية بحوالي (-9042.83: -9038.8: -905.97: -6%20.12 %2.34( على التوالي لألياف ،cla وحوالي )22.88% ,17%- ,7%- ,40%- ,39.77%-( على التوالي لألياف الكربون وجد أن ألياف الكربون أغلى بعشر مرات من الألياف الزجاجية ، وأظهرت النتائج أن الخواص الميكانيكية للألياف الزجاجية قريبة من الخواص الميكانيكية لألياف الكربون ٠ لذلك تم اختيار التدعيم بالألياف الزجاجية ليكون الأفضل لأنه يوازن بين الخصائص الميكانيكية الجيدة والسعر المنخفض. تم إجراء الاختبارات الميكانيكية مثل مقاومة الشدء ومقاومة الصدمات ، والصلابة ، ومتانة الكسر ، ونسبة التخميد على مصد السيارة لمقارنتها بأفضل العينات التي تم الحصول عليها في مراحل الدراسة. وجد أن المركب (UPE + 147 GF) يحسن قوة الشد والصلابة ومتانة الكسر ونسبة التخميد بحوالي )285.857 ٠ 207.567 ٠ 18.957 ٠ 100%( على التوالي مع تقليل مقاومة الصدمة بحوالي )- 24.55/) مقارنة بمصد السيارة. اما المركب GF + 2.5% ZrO2) 147 + 1[211])يحسن جميع الخواص الميكانيكية بحوالي (1436.32، 47.28 ، 723.2 ، £438.66 ، 752.3( على التوالي. واخيرا المركب (UPE + 10.57 GF + 2.57% ZrO2 + GC) يحسن قوة الشد والصلابة وصلابة الكسر ونسبة التخميد بحوالي (150.477 © 15.287 ، 236.137 ، و 95.98/) ، لكنه يقلل مقاومة التأثير بنحو (-26.96).

Because of the unique features and characteristics demonstrated by composite materials, this category of engineering materials, composites have gained a lot of interest in recent years. The purpose of this thesis is to investigate the mechanical properties of composites composed of polyester matrix (UPE) reinforced with various percentages of different reinforcement materials, such as laminates of glass fiber (GF)/carbon fiber (CF), and nano-particles such as zirconium oxide (ZrO2) and silicon oxide (SiO2), and then replace a layer of fiber with a layer of gel coat to find the best composite. The specimens have been manufactured by the technique of hand lay-up. The type of polyester employed in this study is unsaturated polyester resin, which is cured by combining it with a (2-4%) weight fraction of hardener Methyl Ethyl Ketone Peroxide (MEKP). At first, it was reinforced with various volume fractions of laminates' fibers (3.5%, 7%, 10.5%, and 14%). After that, were added nano-particles of zirconium oxide (ZrO2) and silicon oxide (SiO2) with various weight fractions (1%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, and 4%). The mechanical tests that were performed on the prepared samples, include tensile, impact, hardness, fracture toughness, and damping tests. These tests will determine the optimal composite material to be used for car bumper applications and compared it with the commercial sherry car bumper to see the efficiency of the resulting material compared with the original bumper. The experimental work of this research was prepared in three stages, where the results of the first stage showed that mixing polyester resin with glass fiber mats at percentages (0%, 3.5%, 7%, 10.5%, 14%) leads to an increase in the values of tensile strength, impact resistance, hardness, and fracture toughness by about (74%, 574.46%, 4.73%, 218.26%), respectively for glass fibers, and by about (81.7%, 621.22%, 7.85%, 252.17%), respectively for carbon fibers. There was a decrease in the damping rate with an increase in the percentage of fibers by about (-23.18%) for glass fibers, and (-33.33%) for carbon fibers compared to polyester material alone. The best composites obtained are polyester resin + 14% GF/ CF). In the second stage, the best composite from the first stage was reinforced by the addition of (ZrO2 and SiO2) nano-particles individually. The results showed that tensile strength, impact resistance, hardness, and fracture toughness were improved, while damping ratio was reduced when the nano percentage was increased to 2.5% as compared with the composites (UPE + 14 % GF/CF) alone. Enhancement decreases with the addition of nanoparticles beyond 2.5 wt.%. When compared with the composite (UPE + 14% GF/CF) alone, the percentage changes for ZrO2 nano-particle composites were about (39%, 95.2%, 4%, 75.14%, -23.85%), respectively, for glass fiber, and by about (43.2%, 98.75%, 3.81%, 79.75, -32.78), respectively, for carbon fiber. While the percentage changes for SiO2 nano-particle composites were (17.73%, 63.2%, 2.14%, 27.6%, -16.09%), respectively, for glass fibers, and about (23.65%, 73.32%, 29.14%, 29%, -21.85%), respectively, for carbon fiber. The best composites were (UPE + 14 % GF/CF + 2.5 % ZrO2). The results also revealed that ZrO2 nanoparticle composites had much greater mechanical properties than SiO2 nanoparticle composites. The optimum composites produced in stage two were then modified in the third stage of the study by replacing a layer of fibers with a layer of gel coat. For the composite reinforced with ZrO2, the percentage changes in tensile strength, impact resistance, hardness, and fracture toughness were reduced while the damping ratio was increased when compared to the composites (UPE + 14% GF/CF and 2.5% ZrO2). For the composite reinforced with ZrO2, the percentage changes in tensile, impact, hardness, fracture toughness, and damping ratio were about (-44.86%, -40.69%, -5.12%, -14.35%, and 6.79%) respectively for glass fibers, and (-44.24%, -42%, -6.67%, -22.12%, 11.33%) respectively for carbon fibers. As for the composite (UPE +14% GFM and 2.5% SiO2), the percentages change in the properties were about (-42.83%, -38.8%, -5.97%, -20.12%, 2.34%), respectively for glass fiber, and about (-39.77%, - 40%, -7%, -17%, 22.88%) respectively for carbon fiber . It was found that carbon fibers are ten times more expensive than glass fibers, and the results showed that the mechanical properties of glass fibers are close to the mechanical properties of carbon fibers, so the reinforcing with glass fibers was chosen to be the best because it balances between good mechanical properties and low price. Mechanical tests such as tensile strength, impact resistance, hardness, fracture toughness, and damping ratio were done on a car bumper to compare them with the best specimens obtained in the study stages. It was found that the compound (UPE+14% GF) enhances tensile strength, hardness, fracture toughness, and damping ratio by about (285.85%, 18.95%, 207.56%, and 100%) respectively, while reducing the impact by about ( -24.55%) compared to the car bumper. The composite (UPE+14% GF+2.5% ZrO2) enhances all the mechanical properties by about (436.32%, 47.28%, 23.2%, 438.66%, and 52.3%) respectively. Finally, the composite (UPE+10.5% GF+2.5% ZrO2+GC) enhances the tensile strength, hardness, fracture toughness, and damping ratio by about (150.47%, 15.28%, 236.13%, and 95.98%), but it reduces the impact resistance by about (-26.96).

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب