حراج!

بررسی رفتار خستگی کامپوزیت‏ زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه ساخته شده به دو روش لایه‏گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP)

39,000تومان 19,000تومان

توضیحات

دانلود و مشاهده قسمتی از متن کامل پایان نامه :

دانشکده مهندسی

پايان‏نامه کارشناسي ارشد
گروه مهندسی متالورژی و مواد

بررسی رفتار خستگی کامپوزیت‏ زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه ساخته شده به دو روش لایه‏گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP)

چکیده

در این پژوهش، کامپوزیت های زمینه پلیمری (رزین اپوکسی) تقویت شده توسط پارچه بافته شده از الیاف شیشه ای E-glass به دو روش لایه گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) ساخته شدند و رفتار خستگی آن ها مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج حاصل از آزمون کشش، استحکام کششی در نمونه های تولید شده به روشVIP (MPa 362) بیشتر از نمونه‏های تولید شده به روش لایه گذاری دستی (MPa 242) بود. بر اساس نتایج آزمون خستگی کشش-کشش (1/0=R)، عمر خستگی بیشتری برای نمونه های VIP مشاهده شد در دامنه تنش MPa67، نمونه های VIP، 106×11/2 سیکل را تا زمان واماندگی تحمل کردند در حالی که، در دامنه تنش پایین تر MPa61، نمونه های دستی 105×29/1 سیکل را تحمل نمودند. تعداد سیکل واماندگی نمونه های VIP در تنش خستگی MPa200، برابر با 103×0/5 به دست آمد. اما، همین پارامتر برای نمونه‏های دستی در تنش خستگی پایین تر MPa150 برابر با 103×2/1 حاصل شد. با توجه به نمودار S-N رسم شده، در تعداد سیکل ثابت 100،000 دامنه تنش قابل تحمل نمونه دستی حدود MPa60 تخمین زده شد؛ در صورتی دامنه تنش متناظر برای نمونه VIP حدود MPa90 بود. با توجه به تصاویر SEM سطح شکست نمونه ها، مکانیزم های واماندگی غالب برای نمونه های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی به صورت جدایش لایه ها و بیرون آمدن الیاف مشاهده شد. در حالی که، مکانیزم های واماندگی برای نمونه های ساخته شده به روش VIP، جدایش الیاف از زمینه و ترک خوردن زمینه بود. نتایج حاصل از آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA)، تنها نشان دهنده وجود اتصال مکانیکی بین الیاف و زمینه بود، که جدایش الیاف از زمینه و بیرون آمدن الیاف مشاهده شده در تصاویر SEM را توجیه می کرد. بر اساس نتایج حاصل از این آنالیز، درصد وزنی الیاف برابر با 69% و 52% برای نمونه های ساخته شده به روش VIP و لایه گذاری دستی محاسبه شد.

فهرست مطالب

عنوان صفحه
فصل 1- مقدمه 1
1-1- کلیات 2
1-2- اجرای پروژه 6
1-3- هدف از انجام تحقیق 7
فصل 2- مروری بر منابع 8
2-2- تعریف مواد کامپوزیتی 10
2-3- سيستم‏هاي کامپوزيتي تقويت‏شده با الياف (FRC) 12
2-4- کامپوزیت‏های زمینه پلیمری (PMC) 12
2-4-1- رزین‏های مورد استفاده در کامپوزیت زمینه پلیمری 12
2-4-2- الیاف (تقویت‏کننده) 15
2-5- ساخت کامپوزیت‏ها 17
2-5-1- لایه‏گذاری دستی 17
2-5-2- فرایند قالب‏گیری کیسه‏ای 18
2-5-3- رشته پیچی 18
2-5-4- برون‏کشی 18
2-6- کاربردهای کامپوزیت‏های زمینه پلیمری 20
2-6-1- کاربرد در صنعت اتومبیل‏سازی 20
2-6-2- کاربردهای دریایی 21
2-6-3- کاربردهای هوا-فضا 22
2-6-4- مواد کامپوزیتی در تکنولوژی انرژی بادی 23
2-7- خستگی 25
2-8- خستگی در مواد کامپوزیتی زمینه پلیمری 27
2-8-1- آسیب خستگی 28
2-8-2- مدهای مختلف واماندگی خستگی در مواد کامپوزیتی 31
2-8-3- مقایسه‏ای بین شکست خستگی و استاتیکی 32
2-8-3-1- واماندگی‏های بین لایه‏ای 33
2-8-3-1-1- مورفولوژی‏های شکست در مد I بارگذاری سیکلی 33
2-8-3-1-2- مورفولوژی‏های شکست در مد II بارگذاری سیکلی 34
2-8-3-1-3- مورفولوژی‏های شکست در مد ترکیبی I/II بارگذاری سیکلی 35
2-8-3-2- واماندگی داخل لایه‏ای 37
2-9- فاکتورهای تأثیرگذار بر روی رفتار خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری 38
2-9-1- نوع الیاف 38
2-9-2- زمینه و محیط 40
2-9-3- شرایط بارگذاری 41
2-10- آزمون‏های مکانیکی متداول بر روی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری 43
2-10-1- آزمون کشش 43
2-10-2- آزمون فشار 44
2-10-3- آزمون خستگی 45
2-11- آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری 46
2-12- مروری بر تحقیقات انجام شده 48
2-12-1- تحقیقات انجام شده در رابطه با روش‏های مختلف ساخت کامپوزیت‏های زمینه پلیمری 48
2-12-2- تحقیقات انجام شده در رابطه با آزمون کشش کامپوزیت‏های زمینه پلیمری 49
2-12-3- تحقیقات انجام شده در رابطه با خواص خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری 50
2-12-4- تحقیقات انجام شده در رابطه با مکانیزم واماندگی خستگی 51
2-12-5- تحقیقات انجام شده در رابطه با آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری 56
فصل 3- مواد آزمایش و روش تحقیق 58
3-1- مشخصات رزین 59
3-2- روش‏های ساخت نمونه 60
3-2-1- روش لایه‏گذاری دستی 60
3-2-2- روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) 61
3-3- آماده‌سازی نمونه 63
3-4- انجام آزمون کشش بر روی نمونه‏های آماده شده 64
3-5- انجام آزمون خستگی 65
3-5-1- مشخصات نمونه‏هاي تست خستگي 66
3-5-2- آزمون خستگی کشش–کشش 67
3-6- آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA) 69
3-7- تصویربرداری SEM 70
فصل 4- نتایج و بحث 71
4-1- نتایج آنالیز وزن‏سنجی حرارتی (TGA) 72
4-2- نتایج تست کشش 76
4-3- نتایج آزمون خستگی 78
4-3-1- ترسیم منحنی S-N با استفاده از روابط مختلف خستگی 84
4-3-2- مقایسه منحنی‏های S-N کامپوزیت‏های تولید شده به وسیله فرایندهای دستی و VIP 90
4-3-3- مقایسه منحنی‏های S-N به دست آمده در فرایندهای ساخت VIP و دستی با استاندارد GL 92
4-4- نتایج تصویربرداری SEM 97
4-4-1- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه‏های دستی 97
4-4-2- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه‏های VIP 102
4-4-3- مقایسه مکانیزم‏های واماندگی خستگی برای نمونه‏های دستی و VIP 107
فصل 5- نتیجه‏گیری و پیشنهادات 110
5-1- نتیجه‏گیری 111
5-2- پیشنهادات 113
6- مراجع 114

فهرست جدول ها

عنوان صفحه
جدول1-1- ظرفيت نيروگاه‌های بادی نصب شده در کشورهای پيشرو 3
جدول 2-1- مقايسه خواص مختلف براي پلیمرهای گرما‏سخت و گرما‏نرم 14
جدول 2-2- برخي از خواص تعدادي از زمينه‏هاي پلیمری گرمانرم و گرماسخت 15
جدول 2-3- قسمت‏های مختلف توربین بادی و وظایف آن‏ها در حفظ شکل پره 25
جدول 4-1- خصوصیات حرارتی کامپوزیت‏های اپوکسی تولید شده به دو روش VIP و لایه‏گذاری دستی 74
جدول 4-2- نتایج آزمون کشش برای نمونه‏های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی و VIP 77
جدول 4-3- استحکام کششی نمونه‏های ساخته شده به دو روش لایه‏گذاری دستی و VIP 78
جدول 4-4- نتایج آزمون خستگی کشش-کشش نمونه‏های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی 78
جدول 4-5- نتایج آزمون خستگی کشش-کشش نمونه‏های ساخته شده به روش VIP 80
جدول 4-6- نتایج آماری آزمون خستگی کشش-کشش انجام شده بر روی نمونه‏های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی 81
جدول 4-7- نتایج آماری آزمون خستگی کشش-کشش انجام شده بر روی نمونه‏های ساخته شده به روش VIP 82
جدول 4-8- ضرایب کاهشی برای حالت بررسی کوتاه مدت 93
جدول 4-9- ضرایب کاهشی برای حالت بررسی خستگی 93
جدول 4-10-مقادیر پارامتر m بر اساس نوع رزین و الیاف، پیشنهاد شده توسط GL 95

فهرست شکل ها

عنوان صفحه
شکل 1-1- ظرفيت کلی انرژی بادی توليدی در جهان تا سال 2011 3
شکل 2-1- مقایسه‏ای بین مواد رايج و مواد کامپوزیتی 11
شکل 2-2- ترتيب زنجيره هاي پليمري (الف) اتصال عرضي (ب) شاخه‌اي 14
شکل 2-3- فرم‏های مختلف الیاف شیشه: (الف) پارچه سوزنی (CSM)، (ب) الیاف پیوسته، (ج) رشته، (د) پارچه حصیری 17
شکل 2-4- روش‏هاي ساخت كامپوزيت 19
شکل 2-5- شماتیکی از مقطع پره توربین بادی 24
شکل 2-6- (الف) بار نوسانی یکنواخت، (ب) بار نوسانی غیریکنواخت 25
شکل 2-7- مفاهیم اولیه در یک آنالیز خستگی 26
شکل 2-8- شماتیکی از منحنی S-N 27
شکل 2-9- تخریب استحکام و سفتی کامپوزیت در حین بارگذاری خستگی با دامنه ثابت 29
شکل 2-10- مدهای واماندگی خستگی برای مواد کامپوزیتی 32
شکل 2-11- نمایشی از مدهای شکست در عرض لایه‏ای، داخل لایه‏ای و بین لایه‏ای 33
شکل 2-12- سطوح شکست کامپوزیت اپوکسی تحت مد I بارگذاری (الف) استاتیک و (ب) خستگی 34
شکل 2-13- سطوح شکست کامپوزیت اپوکسی تحت مد II بارگذاری (الف) استاتیک و (ب) خستگی 35
شکل 2-14- سطوح شکست کامپوزیت اپوکسی تحت مد ترکیبی I/II (50% مد I) بارگذاری (الف) استاتیک و (ب) خستگی 35
شکل 2-15- سطوح شکست الیاف غالب کامپوزیت اپوکسی 36
شکل 2-16- سطح شکست خستگی کامپوزیت اپوکسی در (الف) 25% مد II، (ب) 50% مد II و (ج) 75% مد II 37
شکل 2-17- (الف) رولرهای مشاهده شده در سطح شکست داخل لایه‏ای ناشی از خستگی برشی. (ب) رولرهای زمینه که نشان دهنده بقایای به جا مانده از الیاف است 38
شکل 2-18- نتایج اولیه بامونت، هَریس،اووِن و موریس برای کامپوزیت‏های کربن/اپوکسی و کربن/پلی‏استر که در شرایط کشش تحت آزمایش خستگی قرار گرفته‏اند. 39
شکل 2-19- منحنی‏های تنش/عمر برای کامپوزیت‏های GRP که نشان دهنده تأثیر رزین‏های متفاوت به عنوان زمینه و تأثیر لایه‏گذاری متفاوت لمینت است. 41
شکل 2-20- شماتیکی از آماده‏سازی نمونه‏های دارای وصله صفحات لمینتی و FRP تک جهته. 44
شکل 2-21- حالات مختلف بارگذاری در آزمون خستگی و مقادیر R 46
شکل 2-22- نمایش شماتیکی از ارتباط میکرو-ماکرو 52
شکل 2-23- تصاویر SEM از سطح شکست الیاف شیشه/PP و الیاف شیشه/MA-PP. (الف) واماندگی چسبنده، (ب) واماندگی هم‏بسته 53
شکل 2-24- تصاویر SEM از مد II سطوح خستگی بین لایه‏ای به دست آمده برای کامپوزیت PP/GF در شرایط معمولی 53
شکل 2-25- تصاویر SEM از مد II سطوح خستگی بین لایه‏ای به دست آمده برای کامپوزیت PP/GF در شرایط دما پایین 54
شکل 2-26- تصویر SEM از جدایش لایه‏ها برای سطوح نمونه‏های وامانده شده در آزمون سیکلی، (الف) هوا، (ب) خستگی محیطی 55
شکل 2-27- سطح شکست نمونه خشک (σmax=140 MPa، f=1 Hz)، (الف) شکل موجی با پالس منفی، (ب) شکل موجی با پالس مثبت 55
شکل 2-28- تصاویر SEM از سطوح شکست دو نمونه خستگی برای 20%هِمپ-پلی‏اتیلن با دانسیته بالا 56
شکل 3-1- شماتیکی از فرایند لایه‏گذاری دستی 60
شکل 3-2- (الف) آماده‏سازی سطح شیشه‏ای زیرین جهت ساخت صفحه کامپوزیتی بر روی آن، (ب) نحوه اعمال رزین بر روی الیاف، (ج) صفحه کامپوزیتی ساخته شده 61
شکل 3-3- شماتیکی از فرایند تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) 62
شکل 3-4- (الف) قرار دادن لایه‌های الیاف روی هم، (ب) قراردادن پارچه داکرون و پارچه 3 بعدی، (ج) گازردایی رزین، (د) تزریق رزین به کمک خلأ 62
شکل 3-5- مراحل آماده سازي نمونه‏ها جهت آزمون‏هاي مکانيکي 63
شکل 3-6- (الف) ماشین‏کاری نمونه‏های برش داده شده، (ب) نمونه نهایی 63
شکل 3-7- (الف) نمونه‌های تست کشش ساخته شده به روش لایه‌گذاری دستی، (ب) نمونه‌های تست کشش ساخته شده به روش VIP 65
شکل 3-8- (الف) نحوه قرارگیری نمونه در فک دستگاه جهت انجام آزمون کشش، (ب) نمونه‏ها بعد از انجام آزمون کشش 65
شکل 3-9- هندسه نمونه تست خستگي کشش-کشش 66
شکل 3-10- (الف) دستگاه تست خستگی مورد استفاده در پژوهشکده هوا-خورشید، (ب) نحوه قرارگیری نمونه در دستگاه 67
شکل 3-11- (الف) نمونه‏ها بعد از انجام آزمون خستگی ، (ب) نحوه قرارگیری نمونه در دستگاه جهت انجام آزمون خستگی 69
شکل 3-12- (الف) دستگاه مورد استفاده برای آنالیز وزن سنجی حرارتی، (ب) ترازوی دیجیتال جهت وزن کردن نمونه‏ها 70
شکل 4-1- منحنی‏های ترموگرم TGA رزین اپوکسی خالص، الیاف شیشه و کامپوزیت‏های تولید شده به روش‏های VIP و لایه‏گذاری دستی 73
شکل 4-2- منحنی‏های مشتق رزین اپوکسی خالص و کامپوزیت‏های تولید شده به روش‏های VIP و لایه‏گذاری دستی 73
شکل 4-3- نتایج آزمون کشش استاتیکی انجام شده بر روی 5 نمونه ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی 76
شکل 4-4- نتایج آزمون کشش استاتیکی انجام شده بر روی 5 نمونه ساخته شده به روش VIP 77
شکل 4-5- سطوح شکست نمونه‏های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی و VIP بعد از آزمون خستگی کشش-کشش 78
شکل 4-6- نمودار S-N حاصل از نتایج آزمون خستگی (دامنه تنش بر حسب تعداد سیکل) 82
شکل 4-7- نمودار S-N حاصل از نتایج آزمون خستگی (حداکثر تنش بر حسب تعداد سیکل) 83
شکل 4-8- نمودار S-N حاصل از نتایج آزمون خستگی (تنش خستگی بر حسب تعداد سیکل) 84
شکل 4-9- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش VIP بر اساس رابطه گودمن. 86
شکل 4-10- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش VIP بر اساس رابطه گِربر. 86
شکل 4-11- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش VIP بر اساس رابطه ASME. 87
شکل 4-12- منحنی‏ S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش VIP بر اساس روابط گودمن، گِربر و ASME. 87
شکل 4-13- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی بر اساس رابطه گودمن. 88
شکل 4-14- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی بر اساس رابطه گِربر. 88
شکل 4-15- منحنی S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی بر اساس رابطه ASME. 89
شکل 4-16- منحنی‏های S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی بر اساس روابط گودمن، گِربر و ASME. 89
شکل 4-17- منحنی‏های S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش VIP و لایه‏گذاری دستی بر اساس رابطه گودمن. 90
شکل 4-18- منحنی‏های S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش VIP و لایه‏گذاری دستی بر اساس رابطه گِربر. 91
شکل 4-19- منحنی‏های S-N به دست آمده برای نمونه‏های ساخته شده به روش VIP و لایه‏گذاری دستی بر اساس رابطه ASME. 91
شکل 4-20- مقایسه منحنی S-N به دست آمده با استفاده از روابط گودمن، گِربر و ASME با منحنی پیشنهادی بر اساس استاندارد GL برای نمونه‏های ساخته شده به روش VIP. 96
شکل 4-21- مقایسه منحنی S-N به دست آمده با استفاده از روابط گودمن، گِربر و ASME با منحنی پیشنهادی بر اساس استاندارد GL برای نمونه‏های ساخته شده به روش دستی. 96
شکل 4-22- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی در بزرگ‏نمایی (الف) x50 و (ب) x100 که نشان دهنده جدایش لایه‏ها است. 97
شکل 4-23- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی (الف) و (ب) بزرگ‏نمایی x5000، (ج) بزرگ‏نمایی x500، (د) بزرگ‏نمایی x1000 که نشان دهنده عدم نفوذ رزین در بین الیاف و سیلان آن در بین لایه‏هاست. 98
شکل 4-24- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی. (الف) وجود حباب هوا که در حین ساخت نمونه‏های دستی ایجاد شده (بزرگ‏نمایی x200)، (ب) وجود حفرات گازی در فصل مشترک الیاف/زمینه که باعث کاهش چسبندگی می‏شود. 99
شکل 4-25- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی. (الف)، (ب) و (ج) بیرون آمدن الیاف از زمینه در بزرگ‏نمایی x2000،(د) وجود بقایایی از زمینه بر روی الیاف بیرون آمده در بزرگ‏نمایی x5000 که نشان دهنده جدایش چسبنده و کم‏تر بودن استحکام سطح مشترک الیاف و زمینه است. 100
شکل 4-26- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی. (الف) مکانیزم واماندگی خستگی جدایش الیاف از زمینه در بزرگ‏نمایی x500، (ب) بزرگ‏نمایی x1000. 101
شکل 4-27- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی. (الف) تغییرفرم زمینه و وجود استریشن‏های خستگی در فصل مشترک الیاف جدا شده از آن در بزرگ‏نمایی x5000، (ب) خارج شدن الیاف از راستای خود ناشی از حرکت برس در حین ساخت نمونه‏های دستی در بزرگ‏نمایی x2000. 102
شکل 4-28- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش VIP تحت بار خستگی در بزرگ‏نمایی (الف) x50 و (ب) x100 که نشان دهنده کم‏تر بودن میزان جدایش لایه‏ها برای این نمونه‏ها در مقایسه با نمونه‏های دستی است. 103
شکل 4-29- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش VIP تحت بار خستگی. (الف) و (ب) جدایش الیاف از زمینه در بزرگ‏نمایی x2000، (ج) همین پدیده در بزرگ‏نماییx5000 و (د) وجود بقایای بیشتری از زمینه بر روی الیاف جدا شده در بزرگ‏نمایی x5000. 104
شکل 4-30- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش VIP تحت بار خستگی. (الف) پدیده بیرون آمدن الیاف در بزرگ‏نمایی x2000 و (ب) همین پدیده در بزرگ‏نمایی x5000. 105
شکل 4-31- تصاویر SEM از سطح شکست نمونه ساخته شده به روش VIP تحت بار خستگی. (الف) عدم جدایش الیاف از زمینه و پوشانده شدن آن توسط رزین، نفوذ رزین در بین الیاف کاملاً مشهود است (بزرگ‏نمایی x5000)، (ب) وجود سطحی نسبتاً صاف و عدم مشاهده حفرات گازی و استریشن‏های خستگی در فصل مشترک الیاف جدا شده از زمینه (بزرگ‏نمایی x10000) و (ج) ضخامت واقعی الیاف جدا شده از زمینه (بزرگ‏نمایی x1000). 106

فصل 1- مقدمه

فصل 1

مقدمه

1- مقدمه
1-1- کلیات
افزایش تأثیرات منفی انرژی فسیلی بر روی محیط زیست، مانند گرم شدن جهانی و بحران در دسترس بودن انرژی، بسیاری از کشورها را بر آن داشته است که از انرژی های جایگزین دیگری مانند انرژی خورشید، باد و خورشید-هیدروژن استفاده کنند. این انرژی ها تجدیدپذیر و دوست دار محیط زیست هستند، به گونه‏ای که پاسخ گوی تقاضای روزافزون بشر برای انرژی می باشند. انرژی باد، سریع ترین منبع انرژی رو به رشد در جهان، یک منبع انرژی تجدیدپذیر و تمیز است. اکنون کشورهای بسیاری، به خصوص در اروپا، ایالات متحده آمریکا، چین و ملل دیگر، توجه خاصی به این منبع انرژی دارند ]1[.
بر اساس اطلاعات سازمان انرژی های نو ایران (سانا)،استفاده از انرژی باد در طول سالیان اخیر بیشترین رشد را در مقایسه با سایر انرژی های نو تجربه کرده است و توربین های بادی هر روز بهینه تر و با ظرفیت توان بیشتر به بازار عرضه می شوند. تاریخچه انرژی بادی یک سیر تکاملی را به استفاده از قطعات سبک و ساده برای به حرکت درآوردن پره ها بوسیله نیروی بازدارنده طی کرده است. آسیاب های بادی که در قدیم مورد استفاده قرار می گرفتند نخستین نوع توربین های بادی بودند که به عقیده تمامی کارشناسان نخستین بار توسط ایرانیان به کار گرفته شد ]2[.
با وجود این پیشینه ارزشمند تاریخی و علی‌رغم پتانسیل های موجود و مناطق مستعد بادخیز کشور، توسعه صنعت باد در ایران با پیشرفت مناسبی روبرو نشده است. در حال حاضر در وزارت نیرو، نصب MW5000 نیروگاه تجدیدپذیر در قانون برنامه پنجم توسعه هدف گذاری شده است که از این میزان MW4500 آن برای توسعه باد در نظر گرفته شده است و می‌توان گفت در پنج سال آینده قریب به MW4000 بازار برای توسعه بخش خصوصی وجود خواهد داشت. هم اکنون سایت های بادی بینالود و منجیل، بزرگ ترین سایت-های بادی کشور محسوب شده که تقریبا MW100 از برق مورد نیاز کشور را تامین می کنند، این مقدار سهم ناچیزی از مقدار کل انرژی برق تولید شده در کشور را تشکیل می دهد ]2[.
اما بر خلاف رویه موجود در داخل کشور، سایر کشورهای جهان به طور گسترده در راستای توسعه صنعت بادی خود گام برداشته اند و میزان انرژی الکتریکی تولید شده بوسیله باد روز به روز سهم بیشتری از کل انرژی تولیدی جهان را تشکیل می دهد. به عنوان نمونه ای از سیاست گذاری های کلان در این زمینه می توان به تصمیم اتحادیه اروپا برای تولید 20% از انرژی خود از منابع پاک تا سال 2020 اشاره کرد. شکل 1-1 ظرفیت کلی انرژی بادی تولیدی در جهان را تا سال 2011 را نشان می دهد ]2[.

شکل 1-1- ظرفيت کلی انرژی بادی توليدی در جهان تا سال 2011 ]2[.

جدول1-1 نیز میزان ظرفیت نیروگاه های بادی نصب شده در کشورهای شاخص استفاده کننده از انرژی باد را نشان می دهد ]2[.
جدول1-1- ظرفيت نيروگاه‌های بادی نصب شده در کشورهای پيشرو ]2[.
نام کشور مجموع ظرفیت نیروگاه‏های بادی (گیگاوات)
چین 65
ایالات متحده 48
آلمان 30
اسپانیا 23
هند 16
فرانسه 8
اغلب پره های توربین، چه کوچک و چه بزرگ، قسمت های اصلی مشابهی دارند: پره ها، شفت ها، چرخ دنده ها، ژنراتور، و یک کابل (برخی از توربین ها ممکن است دارای جعبه دنده نباشند). کلیه این قسمت ها با هم کار می کنند تا انرژی باد را به الکتریسیته تبدیل نمایند. در این بین، پره یکی از مهمترین اجزای توربین های بادی است که وظیفه آن تولید نیروی لازم برای چرخاندن محور اصلی توربین است. طراحی پره توربین های بادی یکی از مهم ترین و اصلی ترین بخش های طراحی توربین به شمار می شود که با توجه به شرایط بسیار متغیر بهره برداری و اعمال بارهای شدید بر آن، انتخاب جنس و طراحی سازه ای آن از اهمیت زیادی برخوردار است. مواد مورد استفاده در ساخت پره ها به طور قابل ملاحظه ای بر روی کارایی و خواص آن ها، مانند وزن پره، مکانیزم آسیب، و عمر خستگی اثرگذار است. پره های توربین های بادی از مواد ناهمسان گرد ساخته می‏شوند که معمولاً از کامپوزیت های زمینه پلیمری، در ترکیبی از یک تک پوسته و کامپوزیت ساندویچی تهیه شده‏اند. طراحی های امروزی عمدتاً بر اساس کامپوزیت های تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) صورت می‏گیرد. به طور کلی مواد مورد استفاده در ساخت پره های توربین بادی بایستی تحمل بارگذاری های خستگی شدید را در شرایط کاری داشته باشند ]1[.
ساختار کامپوزیتی به عنوان یک نوع خاص از کامپوزیت های لایه ای تلقی می شود و مقبولیت گسترده ای به عنوان یک ساختار عالی برای دست یابی به اجزایی با وزن کم و ساختارهایی با سفتی خمشی بسیار بالا، استحکام زیاد، و مقاومت کمانشی بسیار زیاد به دست آورده است. این مواد توسط روش قالب گیری انتقال رزین (RTM)، RTM به کمک خلاء ، لایه گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلاء (VIP) ساخته می‏شوند. تفاوت روش VIP با روش RTM در آن است که در این روش تنها یک سمت از قالب جامد است در صورتی که در روش RTM هر دو سمت جامد هستند. علاوه بر آن، از یک خلأ اعمالی به منظور نیرو محرکه برای انتقال رزین به تقویت کننده استفاده می شود ]3[.
در تولید پره‌های توربین بادی کوچک و متوسط معمولاً از روش لایه‌گذاری دستی و در پره بزرگ و حتی متوسط با توجه به اهمیت وزن و استحکام سازه از روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) استفاده می‌شود. يکي از موضوعاتي که بايد در طراحي محصولات مهندسي مورد استفاده قرار گيرد آن است که عمر محصول تولیدی چقدر خواهد بود. عمر در اين محصولات به صورت مدت زماني تعريف مي شود که محصول قادر است تحت بارهاي سرويس عمل کرد مورد انتظار را داشته باشد. عمر يک قطعه مي تواند به کوتاهي يک بار استفاده تعيين شود، از سوي ديگر در برخي محصولات بايد قابليت تحمل ميليون ها سيکل در نظر گرفته شود که توربين هاي بادي نيز از اين دسته اند. محصولاتي با چنين عمرهاي بالايي مستعد براي شکست خستگي هستند.
گسترش ابزارهاي مورد نياز جهت تعيين عمر خستگي مواد ساخته شده از کامپوزيت با کندي روبروست، دليل اين امر را بايد در ماهيت لايه اي و غيريکنواخت اين مواد جست و جو کرد، به طور مثال اگر در فلزات تنها عامل خرابي را طول ترک تشکيل مي دهد، مواد کامپوزيتي حالت‌هاي مختلف شکست را از خود بروز مي دهند که از آن جمله مي توان به ترک خوردن زمینه ، جدايش الياف از زمینه ، کمانش الياف، جدايش لايه ها ، شکست تک لايه و شکست الياف اشاره کرد. معمولاً در يک شکست ناشي از خستگي در مواد کامپوزيتي ترکيبي از مکانيزم هاي فوق فعال است و اين مسأله به خودي خود تحليل هاي خستگي را با چالش هاي فراواني روبرو مي کند. حال اولين قدم در تحليل هاي خستگي تعيين منحنی S-N به صورت آزمايشگاهي و در قدم بعد شناسایی مکانیزم های مختلف واماندگی خستگی مي باشد. با مشخص شدن این داده‌ها، مهندسين می‌توانند به تخمين‏هاي اوليه خستگي جهت ساخت محصول براي صنعت و خريداران کمک نمایند.

1-2- اجرای پروژه

در گام اول نیاز صنعت در ساخت پره‌های توربین بادی مورد بررسی قرار گرفت، از آنجا که آزمون‎های دینامیک با توجه به نوع سازه حائز اهمیت هستند طی جلسات برگزار شده در پژوهشکده هوا خورشید دانشگاه فردوسی مشهد موضوع بررسی رفتار خستگی کامپوزیت های زمینه پلیمری (اپوکسی) تقویت شده با پارچه بافته شده با الیاف شیشه ای E-glass، که در ساخت پره های توربین بادی به کار می روند، مطرح شد. در ادامه با مطالعه استانداردها و کارهای صورت گرفته بر روی خستگی کامپوزیت‌های زمینه پلیمری امکان‌پذیر بودن و قابلیت اجرای پروژه در دستور کار قرار گرفت. برای این کار لايه گذاري نمونه ها را به صورت ترکيبي از الياف با جهات گوناگون در نظر گرفته شد که به نوعي شرايط به شرايط عمل کرد واقعي پره های توربین نزديک‏تر شده باشد. در اين مرحله نمونه سازی با استفاده از روش دستی و نیز تزریق به کمک خلأ در کارگاه کامپوزیت پژوهشکده هوا خورشید دانشگاه فردوسی مشهد، انجام گرفت. بعد از برش دادن ورق های کامپوزیتی، به منظور ساخت نمونه، مقاطع برش خورده ماشین کاری شده و در نهایت نمونه نهایی به دست آمد. پیش از شروع آزمون خستگی با تعریف آزمون‌های مورد نیاز و انجام آن‌ها از کالیبره بودن دستگاه مورد استفاده اطمینان حاصل شد. در مرحله بعد با انجام تست کشش و شروع تست خستگی مشکلات اولیه انجام تست از جمله شکستن نمونه در فک‌های دستگاه و مشکلات ساخت نمونه‌ مورد بازبینی قرار گرفت و طی جلساتی راهکارهای حل مشکلات مطرح شد.
در گام بعدی با توجه به تعداد نمونه‌های لازم جهت آزمون خستگی و کشش ابعاد صفحه اصلی مشخص و نمونه نهایی تولید شد. با انجام آزمون کشش بارهای اعمالی برای انجام آزمون خستگی تعیین و تست بر روی نمونه‌ها آغاز شد. بر روی نمونه‌های آماده شد به هر دو روش دستی و VIP،رزین و الیاف آنالیز حرارتی TGA صورت گرفت تا بتوان با نتایج به دست آمده از تصویر برداری SEM از سطوح شکست خستگی مکانیزم‌های غالب خستگی شناسایی شود.

1-3- هدف از انجام تحقیق
با توجه به اهمیت موضوع خستگی در پره های کامپوزیتی توربین های بادی، در این پژوهش، اثر بارگذاری خستگی در دو روش VIP و لایه گذاری دستی مورد بررسی قرار گرفت. لازم به ذکر است که در هر کدام از روش های مذکور جهت گیری های معینی از الیاف و پارچه شیشه ای به کار گرفته شد تا بتوان تأثیر این پارامتر بر روی خواص خستگی و طول عمر پیش بینی شده برای پره ها را مورد تحقیق و بررسی قرار داد.
در فصل 2 به بررسي مواد مورد استفاده برای ساخت؛ شامل رزین اپوکسی، الیاف و پارچه های E-glass و روش های مختلف تولید و آزمون‌های صورت گرفته بر روی آن ها پرداخته می شود. در فصل 3 روش انجام آزمایش و نحوه آماده‌سازی نمونه‌ها برای آزمون کشش، آزمون خستگی تحت بارگذاری کشش-کشش، تصویربرداری SEM و آنالیز حرارتی TGA با دو روش ساخت، یعنی لایه گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) آورده شده است. درفصل 4 با استفاده از نتایج آزمون کشش و خستگی، منحنی S-N برای نمونه‏های ساخته شده به دو روش VIP و لایه گذاری دستی رسم شد و تحلیل‌های لازم بر روی داده‌ها صورت گرفت. به کمک نتایج حاصل از تصویربرداری SEM و آنالیز حرارتی TGA، به ترتیب مکانیزم‌های واماندگی نمونه های دستی و VIP تحت بارگذاری خستگی و درصد الیاف در نمونه های ساخته شده به روش های مذکور علاوه بر نوع اتصال بین الیاف تقویت کننده و زمینه تعیین شد. در انتها در فصل 5 نتیجه‌گیری و پیشنهاداتی به منظور ادامه پروژه ارائه شده است.

فصل 2- مروری بر منابع

فصل 2

مروری بر منابع

2- مروری بر منابع
از چند دهه پيش با توسعه فناوري هاي توليد مواد غير فلزي، اين مواد به تدريج وارد صنايع مختلف شد و براي ساخت برخي تجهيزات مختلف صنعتي به کار گرفته شد. در اين ميان كامپوزيت ها به دليل تنوع در فرآيندهاي مختلف ساخت و گوناگوني خواص فيزيكي، شيميايي و مكانيكي آن ها جايگاه وي‍‍‍‍‍‍‍‍ژه اي دارند ]4[. در يک کامپوزيت عمدتاً زمينه مدول کمي دارد در صورتي که عنصر تقويت کننده در حدود 50 برابر قوي تر و حدود 150-20 برابر سفت تر است ]5[.
کامپوزیت ها از نظر زمينه به سه گروه زير تقسيم بندي مي شود ]6[:
1- کامپوزيت هاي زمينه فلزي (MMC): اين مواد در سال هاي دهه هفتاد ميلادي بسيار مورد توجه بود. در آن زمان عمدتاً آلياژهاي آلومينيوم که با ذرات سيليس تقويت شده بود مورد توجه قرار داشت. امروزه مواد مرکب پيشرفته‌اي به وسيله آلياژسازي مکانيکي توليد مي‌شود.
2- کامپوزيت هايي زمينه سراميکي (CMC): اين مواد در جهت افزايش چقرمگي مواد سراميکي که داراي استحکام بالا و خواص حرارتي فوق العاده ‌اي هستند به وجود آمده است. اين مواد در صنايع ديرگداز و عايق‏هاي حرارتي و الکتريکي کاربرد زيادي پيدا کرده اند.
3- کامپوزيت هاي زمينه پليمري (PMC): پليمرها به تنهايي خواص مکانيکي لازم را برای اغلب مصارف صنعتي دارا نمي باشند. استحکام و سفتی آن ها در مقايسه با سراميک ها و فلزات بسيار پايين است. اين مشکل با توليد کامپوزيت هاي پايه پليمري تا حدود زيادي حل شده است. کامپوزيت هاي پايه پليمری به دليل وزن مخصوص پايين و داشتن استحکام مناسب، به يکي از پرکاربردترين انواع کامپوزيت ها تبديل شده‏اند. علاوه بر خواص مکانيکي و فيزيکي مناسب، فرايند توليد نسبتاً ساده، که نياز به دما و فشار بالا و از سوي ديگر تجهيزات پيشرفته ندارد، به افزایش رشد استفاده صنعتي اين مواد کمک نموده ‌است.

2-2- تعریف مواد کامپوزیتی
ايده مواد کامپوزيت يک ايده جديد و تازه نمي باشد، در طبيعت مي توان نمونه هاي مختلفي از اين مواد را يافت. به عنوان مثال برگ نخلي شکل نارگيل مي تواند کامپوزيتي با تقويت کننده اليافي باشد. استخوان مثال ديگري از مواد کامپوزيت است که در طبيعت پيدا مي شود و وزن اعضاي مختلف بدن را تحمل مي-کند. علاوه بر اين مواد کامپوزيت طبيعي، مواد مهندسي بسياري نيز وجود دارند که در يک ديد کلي کامپوزيت هستند و براي مدت طولاني استفاده مي شدند، کربن سياه در لاستيک، سيمان، آسفالت که با ماسه مخلوط شده و يا الياف شيشه اي در رزين مثال هاي متعارفي از اين گونه مواد مهندسي هستند ]7[.
با اين وجود، موضوع مواد کامپوزيت از ابتداي سال 1960 بيان شد و مورد بررسي قرار گرفت. بر اساس آمار موجود مي‏توان گفت که تقريباً 80 درصد تمامي تحقيقات و تلاش هاي توسعه يافته در زمينه کامپوزيت ها از سال 1965 شروع شده است. با توجه به مقايسه اي که بين مواد یک پارچه مثل آلومينيوم، فولاد و غیره با مواد مرکب انجام شده است (شکل 2-1)، مي توان به اين نتيجه رسيد که در صورت استفاده از کامپوزيت ها به جاي مواد قديمي، پيشرفت هاي قابل ملاحظه اي به دست خواهد آمد. به معناي واقعي کلمه به راحتي مي توان نيرو محرکه اي را که پشت تلاش هاي گسترده در زمينه کامپوزيت ها وجود دارد، توجيه کرد ]7[.
عملاً هرچه در جهان وجود دارد به نوعي يک کامپوزيت است، بنابراين يک قطعه ساده از فولاد نيز کامپوزيت است چون ماده اي است چند بلور که از تعداد زيادي دانه (تک بلور ) ساخته شده است. اين تعريف همه چيز را بسيار پيچيده مي کند. بنابراين، بايستی به تعريف کاري کامپوزيت پرداخته شود. ماده اي که شرايط زير را داشته باشد به عنوان کامپوزيت شناخته مي شود ]7[:
1- حتماً ساخته شده باشد (يعني کامپوزيت طبيعي مثل چوب در اين تعريف نمي گنجد).
2- بايد حاوي دو و يا تعداد بيشتري فاز باشد طوري که اين فازها داراي خصوصيات فيزيکي و شيميايي واضح و مشخصي باشند و به طور مناسبي توزيع شده باشند، البته با وجود فصل مشترکي که آن ها را از هم جدا کند.
3- داراي ويژگي باشد که هر کدام از اجزاي تشکيل دهنده به صورت مجزا آن ويژگي را نداشته باشند.
در جايي که بيشترين ميزان اجزاي تقويت کننده به کار رفته به شکل ذره و يا الياف باشد، کامپوزيت ها به طور معمول به دليل خواص ساختاري شان مورد استفاده قرار مي گيرند و بنابراين، تعريف فوق براي سيستم هايي صادق است که حاوي الياف هاي پيوسته/غير پيوسته و يا ذراتي به عنوان تقويت کننده باشند، که تمامي آن ها در فاز مرکزي به نام زمينه قرار گرفته اند. فاز تقويت کننده معمولاً با کسر حجمي بسيار زيادي موجود است (10% و يا بيشتر) ]5[.

شکل 2-1- مقایسه‏ای بین مواد رايج و مواد کامپوزیتی ]6[

2-3- سيستم‏هاي کامپوزيتي تقويت‏شده با الياف (FRC)

اين گروه، که در آن فاز پراکنده شده به شکل الياف است، از لحاظ فناوري مهم ترين نوع کامپوزیت ها به شمار می رود. در اين سيستم، الياف نيروي اصلي را تحمل مي کند و وظيفه زمينه تنها توزيع نيرو، انتقال آن به الياف و نگهداري الياف در مکاني مناسب است. در کل هدف از طراحي این نوع سیستم کامپوزیتی افزايش سفتي و يا استحکام بالاست (هر دو بر پايه وزن) که به ترتيب تحت عنوان مدول ويژه (نسبت مدول الاستيک به جاذبه ويژه) و استحکام ويژه (نسبت استحکام کششي به جاذبه ويژه) بيان مي شوند. الياف به ماده منفرد و پيوسته اي اطلاق مي شود که طول آن حداقل 200 برابر از عرض و قطر آن بيشتر باشد اما رشته ها، الياف پايان پذير و يا پيوسته هستند ]5[.

2-4- کامپوزیت‏های زمینه پلیمری (PMC)

پليمرها به طور عمده ترکيبات آلی هستند که پايه آن ها کربن، هيدروژن و عناصر غير فلزي ديگر است. کامپوزیت های زمینه پلیمری توسعه يافته ترين گروه مواد کامپوزيت هستند و کاربرد گسترده اي دارند. يکي از مزاياي PMC آن است که به راحتي ساخته مي شود و به هر نوع شکل بزرگ و پيچيده اي نيز تبديل مي شود. در کاربردهاي PMC مي توان از پليمرهاي گرماسخت و گرمانرم به عنوان زمينه استفاده کرد ]5[.

2-4-1- رزین‏های مورد استفاده در کامپوزیت زمینه پلیمری

نقش رزين ها در كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف عبارت است از:
– نگهداري الياف در كنار يكديگر
– انتقال تنش به الياف
– محافظت از الياف در مقابل عوامل محيطي (مانند رطوبت)
– حفاظت سطح الياف از سايش
زمينه نقش اساسي را در بعضي از خواص كامپوزيت، نظير استحكام و مدول عرضي، خواص برشي و خواص فشاري ايفا مي كند، اما تأثير اندكي در تحمل نيروهاي كششي دارد. در ضمن زمينه اثر قابل توجهي بر استحكام برشي بين لايه اي و استحكام برشي صفحه اي كامپوزيت دارد ]4، 6و8[.
از ديگر خصوصيات مهم رزين، دماي شيشه اي شدن يا همان Tg مي باشد. منظور از دماي شيشه اي شدن يک رزين بي شکل، دمايي است که رزين از حالت شيشه اي به حالت ويسکو الاستيک تغيير ماهيت مي دهد. یعنی، در دماهاي بالاتر از Tg جريان پيدا مي کند و در دماي کمتر از آن پايداري فيزيکي خوبي در مدت انبار داري از خود نشان مي دهد ]6[. رزین های گرمانرم در ضمن حرارت دهي به مجرد اينکه به دماي شيشه‏اي شدن پليمر (Tg)، که عمدتاً هم بسيار بالا نيست (بيشتر از °C220) رسيدند، نرم مي شوند. پرکاربردترين موادي که به عنوان زمينه PMCهاي گرمانرم ها به کار مي‏روند شامل پلي اولفین ها (پلي اتيلن، پلي پروپيلن)، پليمر هاي وينيلي (PVC)، پلي آميدها (PA)، پلي‏استال‏ها، پلي فينيل ها (سولفيد پلي فنيلين (PPS)) و پلي سولفون و پلي اتراترکتون (PEEK) است ]5[.
طبق برآوردها، بيش از سه چهارم تمام زمينه هاي کامپوزیت های زمینه پلیمری را پليمرهاي گرما سخت تشکيل مي ‌دهند. پليمرهاي گرماسخت، چسب هايي هستند که در طول فرايند پخت، به راحتي اتصال عرضي برقرار کرده و در اصطلاح پليمري می شوند. فرايند پخت معمولاً شامل اعمال حرارت و فشار، همراه با افزودن کاتاليزورهاي مختلف مي ‌باشد. روش توليد بسته به شکل و ابعاد قطعه انتخاب مي شود ]6[.
اتصال عرضي در شکل 2-2 نشان داده شده است. پيوندها عمدتاً از نوع کووالانسي مي ‌باشند. اين مسأله تحرک زنجيره‌ هاي پليمری را محدود ساخته و در نتيجه دماي شيشه اي شدن را بالاتر از دماي اتاق مي برد. گرماسخت ها معمولاً در دماي اتاق شکننده بوده و هم چنين به دليل تشکيل همين پيوندهاي کووالانسي نمي‌ توان آن ها را با حرارت دهي مجدد به حالت خميري بازگرداند. از ديگر مزاياي پليمرهاي گرماسخت نسبت به پلیمرهای گرمانرم بالاتر بودن سفتی آن ها است. مقاومت بهتر در مقابل مواد شيميايي و دماي کاري بالاتر نيز از ديگر برتري‏هاي آن ها به شمار مي ‌آيد ]6[.

(الف) (ب)
شکل 2-2- ترتيب زنجيره هاي پليمري (الف) اتصال عرضي (ب) شاخه‌اي ]4[.

موادي که به طور معمول به عنوان زمينه گرماسخت استفاده مي شوند شامل پلی استرها (غیر اشباع)، اپوکسی‏ها و پلی ایمیدها است ]5[.
در جداول 2-1 و 2-2 برخی خواص پلیمرهای گرماسخت و گرمانرم با هم مقایسه شده است.

جدول 2-1- مقايسه خواص مختلف براي پلیمرهای گرما‏سخت و گرما‏نرم ]5[.
خاصیت پلیمر گرماسخت پلیمر گرمانرم
مدول یانگ (GPa) 0/6-3/1 8/4-0/1
استحکام کششی (MPa) 180-20 190-40
چقرمگی شکست
KIC(MPa.m0.5) 0/1-5/0 0/6-5/1
GIC(kJ/m2) 2/0-02/0 5/6-7/0
حداکثر دمای کاری (°C) 450-50 230-25
جدول 2-2- برخي از خواص تعدادي از زمينه‏هاي پلیمری گرمانرم و گرماسخت [6].
خاصیت اپوکسی پلی ایمیدهای گرماسخت PEEK پلی آمید ایمید پلی اتر ایمید پلی سولفون PPS
چگالی (g/cm3) 4/1-15/1 46/1-43/1 3/1 38/1 – 25/1 32/1
مدول یانگ (GPa) 2/4-8/2 2/3 – – – – –
مدول خمشي (GPa) 35-15 35 40 50 35 28 40
استحکام کششي (MPa) 130-35 120-55 92 95 105 75 70
استحکام فشاري (MPa) 140 187 – – – – –
ضریب انبساط حرارتی
(10-5 °C) 11-5/4 9-5 – 3/6 6/5 10-4/9 9/9
رسانايي حرارتي
W.m-1.K-1 2/0-17/0 36/0 – – – – –
جذب آب
(% در 24 ساعت) 1/0 3/0 1/0 3/0 25/0 2/0 2/0
Tg (°C) 250-130 370 – – – – –
دماي کاري پیوسته (°C) 85-25 300-260 310 – 170 180 260

2-4-2- الیاف (تقویت‏کننده)

نوع، مقدار و آرايش الياف بسيار حائز اهميت است و بر خواص زير از ماده کامپوزیتی تأثير مي گذارند:
– استحكام و مدول كششي، فشاري و خمشي
– استحكام خستگي
– ضرايب انتقال حرارت و الكتريسيته
– وزن مخصوص كامپوزيت
– قيمت
مهم ترين الياف مورد استفاده در صنعت كامپوزيت پايه پليمري عبارتند از: شيشه،‌ كربن و‌ آراميد ]9و10[. در این جا تنها به بررسی الیاف شیشه پرداخته می شود.
الياف شيشه رايج ترين و پرمصرف ترين الياف مورد استفاده در صنعت كامپوزيت مي باشد. بر حسب نوع و تركيب مواد به كار رفته در تهيه آن ها،‌ به انواع مختلفي تقسيم بندي مي شوند. الياف شيشه دارای ساختماني آمورف و همسان گرد است، يعني در تمام جهات خواص مكانيكي مشابهي دارد ]4، 6و11[.
اگر چه الياف شيشه از محاسن منحصر به فردي برخوردار است، اما معايب و محدوديت هايي نيز دارد: نسبت به محيط هاي قليايي و رطوبت حساس مي باشد و در مقايسه با ساير الياف، مقاومت به خزش کمي دارد ]6و12[. به هر حال الياف شيشه مشهورترين تقويت كننده مورد استفاده در صنعت كامپوزيت مي‌باشد و انواع مختلفي از آن به صورت تجاري موجود است: E، S،C ،ECR ،AR. تركيب شيميايي اين الياف ها شبيه به يکديگر است و هر يک از آن ها كاربرد خاصي دارد ]6[:
– E-glass مصارف عمومي
– S-glass خواص مكانيكي بالاتر
– C-glass مقاومت شيميايي مناسب
– ECR-glass مقاومت اسيد و باز خوب
– AR-glass مقاومت اسيد و باز خوب
پارچه هایی با الياف پيوسته، شكل ديگري از الياف مورد استفاده است، كه در آن ها الياف پيوسته با آرايش مشخص پارچه را ايجاد خواهند کرد. اين شكل از الياف به منظور قرارگيري در قسمت هاي تيز و گوشه قالب مناسب است زيرا در اين حالت الياف شکسته نمي شوند ]13[. شکل 2-3 فرم های مختلفی از الیاف شیشه را، که به شکل تجاری وجود دارد، نشان می دهد.

(الف)
(ب)
(ج)
(د)
شکل 2-3- فرم‏های مختلف الیاف شیشه: (الف) پارچه سوزنی (CSM)، (ب) الیاف پیوسته ، (ج) رشته، (د) پارچه حصیری ]7[.

2-5- ساخت کامپوزیت‏ها
ساخت و شکل دهی کامپوزیت ها به محصول پایان یافته نهایی، گاهی اوقات شامل شکل دهی خود ماده در طول فرایند ساخت می شود. مهم ترین روش های فراوری شامل لایه گذاری دستی ، فرایند قالب گیری کیسه‏ای ، رشته پیچی ، برون کشی ، قالب گیری حجم ماده ، قالب گیری صفحه ای ، قالب گیری انتقال رزین ، قالب گیری تزریقی و غیره است. در ادامه به معرفی برخی از آن ها پرداخته می شود ]14[.

2-5-1- لایه‏گذاری دستی
قدیمی ترین، ساده ترین و پرکاربردترین روش برای ساخت محصولات تقویت شده در مقیاس کوچک و بزرگ، روش لایه گذاری دستی است. یک سطح صاف، قالب با شکل مثبت و یا یک حفره که از چوب، فلز، پلاستیک، یا ترکیبی از این مواد ساخته شده اند، برای روش لایه گذاری دستی به کار گرفته می شوند ]14[. نحوه انجام این فرایند به طور کامل در بخش 3-2-1 آمده است.

2-5-2- فرایند قالب‏گیری کیسه‏ای
فرایند قالب گیری کیسه ای یکی از پرکاربردترین فرایندها برای ساخت قطعات کامپوزیتی است. در این فرایند، لایه ها در یک قالب قرار می گیرند و رزین بر روی آن پخش و یا پوشش داده می شود سپس با یک کیسه یا دیافراگم انعطاف پذیر پوشیده شده و توسط اعمال دما و فشار تحت عملیات پخت قرار می گیرد. بعد از اعمال سیکل پخت مورد نیاز، ماده به قطعه قالب گیری شده با شکل نهایی مد نظر تبدیل می شود. سه روش قالب‏گیری عمده مورد استفاده شامل کیسه فشار، کیسه خلأ و آتوکلاو می باشد ]14[.

2-5-3- رشته پیچی

رشته پیچی روشی است که برای ساخت سطوح گرد مانند لوله، سیلندر، و کره به کار گرفته می شود و معمولاً برای ساخت مخازن بزرگ و لوله های مورد استفاده در صنعت شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرد. لایه‏گذاری تقویت کننده پیوسته با سرعت بالا و دقیق در یک الگوی از پیش تعیین شده، اساس عملکرد روش رشته پیچی است ]14[.

2-5-4- برون‏کشی

این روش یک فرایند اتوماتیک برای ساخت مواد کامپوزیتی با پروفیل های سطح مقطع ثابت و پیوسته می‏باشد. در این روش، محصول از قالب بیرون کشیده می شود. تعداد زیادی از پروفیل ها شامل میله، لوله، و شکل های سازه ای مختلف با استفاده از قالب های مناسب می‏توانند تولید شوند ]14[.
شکل 2-4 روش هاي اصلي ساخت کامپوزيت هاي پايه پليمري با الياف پيوسته يا خورد شده را نشان مي-دهد. سازه هاي بزرگ را با رشته پيچي يا با ايجاد بستري حصيري شکل از الياف کربن، شيشه يا کِولار (با ضخامت مورد نياز) و سپس پرس کاري و برش کاري آن مي سازند. در رشته پيچي، اليافي از شيشه، كِولار يا كربن حول يك محور پيچيده شده و سپس به مخلوط رزين و سخت كننده آغشته مي شوند. در لايه نشاني با غلتك و اسپري، الياف تقويت كننده در يك قالب روي يكديگر چيده مي شوند و از غلتك و اسپري نيز براي اعمال رزين و سخت كننده بر روي آن ها استفاده مي شود. در قالب گيري با كيسه خلأ و فشار، لايه-هايي از تقويت كننده بر روي يكديگر چيده شده و به رزين و سخت كننده آغشته مي شوند و در ادامه تحت فشار و حرارت، پليمريزاسيون رخ مي دهد. در برون کشی، الياف ها از بستري از رزين و سپس يك قالب داغ عبور كرده و اَشكالي پيوسته با مقاطع منشوري توليد مي كنند ]15[.

شکل 2-4- روش‏هاي ساخت كامپوزيت ]15[.
2-6- کاربردهای کامپوزیت‏های زمینه پلیمری
همانند بیشتر مواد جدید، توسعه کامپوزیت های پلیمری با کارایی بالا، توسط نیازهای نظامی و هوا-فضا که در آن ها عمل کرد بسیار مهم تر از هزینه است، انجام می شود. کامپوزیت های زمینه پلیمری یکی از مواد مناسب جهت پاسخ گویی به نیازهای نظامی و هوا-فضا است. حال با وجودی که بیشتر تلاش ها برای توسعه کامپوزیت هایی با کارایی بالا دارای منشأ نظامی بوده، پیشرفت هایی نیز به موازات آن در صنایع الکتریکی و ساخت قایق انجام شده است. در کاربردهای الکتریکی، نیاز به مواد مهندسی غیر هادی وجود دارد؛ در حالی که قایق های کامپوزیتی دارای مزایایی از جمله هزینه ساخت کم، دوام و نیاز به نگهداری کم تر می باشند. بازار جهانی کامپوزیت ها عمدتاً توسط اروپا و آمریکا در حال پیشرفت است. کاربردهای اصلی و غالب این دسته از مواد شامل ساختمان سازی و حمل و نقل، به خصوص وقتی که عایق سازی الکتریکی و مقاومت در برابر خوردگی مهم است، و در ادامه تجهیزات ورزشی می باشد. در ادامه به برخی از مهم ترین کاربردهای کامپوزیت های زمینه پلیمری پرداخته می شود ]16[.

2-6-1- کاربرد در صنعت اتومبیل‏سازی

یکی از مهم ترین دلایل استفاده از کامپوزیت ها در کابردهای حمل و نقل، کاهش وزن وسیله نقلیه به منظور کاهش مصرف سوخت و یا افزایش ظرفیت ترابری است. از آن جایی که هزینه های اولیه ساخت کامپوزیت ها کم تر از هزینه های ساخت فلزات است، کامپوزیت ها ثابت کرده اند که مواد قابل رقابتی برای وسایل نقلیه ساخته شده در مقیاس کم هستند. راه دیگر کاهش هزینه ها، یکی کردن قطعات کوچک فولادی در قالب یک قطعه کامپوزیتی است. یکی کردن اجزاء مختلف به میزان قابل توجهی هزینه های مربوط به مونتاژ را کاهش می دهد. علاوه بر کاهش هزینه، با استفاده از کامپوزیت ها می توان قطعاتی با پیچیدگی هندسی در مقایسه با صفحات فولادی ساخت و بنابراین، آزادی طراحی بیشتر و زیبایی بیشتری به وسیله نقلیه ساخته شده می‏دهد. ]16[.
مثال های زیادی در رابطه با استفاده از کامپوزیت ها در صنعت اتومبیل سازی وجود دارد. پرکاربردترین آن ها شامل پنل های بدنه بیرونی و قطعات مختلف به کار رفته در زیر کاپوت است، که از آن جمله می توان به سینی های باتری و سپر محافظتی اشاره نمود. وجه مشترک بین کلیه این کاربردها آن است که این قطعات بارهای سازه ای قابل توجهی را حمل نمی کنند. با این حال، برخی کاربردهای مرتبط با حمل بار نیز برای کامپوزیت ها وجود دارد که از آن جمله می توان به صفحه فنر، شفت های محرک، مخازن تحت فشار برای گاز طبیعی فشرده شده اشاره کرد. استفاده از کامپوزیت ها برای ساختار اولیه اتومبیل محدود است، اما برای بدنه ماشین های مسابقه ای، برخی اتوبوس ها، تریلر کامیون ها، و وسایل نقلیه ویژه ممکن است مورد استفاده قرار گیرد ]16[.

2-6-2- کاربردهای دریایی
در طی سال های گذشته، از کوچک ترین قایق های تفریحی گرفته تا قایق های قدرتی مسابقه ای و قایق های بادبانی از کامپوزیت ها ساخته شده اند. به وضوح عمده ترین دلیل انتخاب این دسته از مواد آن است که قایق‏های کامپوزیتی به نسبت ارزان هستند. تولید انبوه قایق های کامپوزیتی بدون نیاز به مهارت ویژه، همانند آنچه برای کار با چوب یا فلز لازم است، امکان پذیر می باشد. از دید دارنده یک قایق کامپوزیتی، بسیار جالب توجه است که این دسته از قایق ها به نگهداری کم تری نیاز دارند؛ چرا که پوسیده نمی شوند و زنگ نمی زنند. در حقیقت، بسیاری از اولین قایق های کامپوزیتی ساخته شده در سال 1950 هنوز بدون آنکه المان های آن تحت تأثیر قرار گرفته باشند، مورد استفاده قرار می گیرند ]16[.
در حالی که بدنه قایق های کوچک معمولاً همیشه لمینت کامپوزیتی تک پوسته ای است، عرشه و کف قایق معمولاً از سازه های ساندویچی به منظور دست یابی به سفتی کافی ساخته می شوند. در قایق‏های بزرگ، سازه‏های کامپوزیتی در سرتاسر بدنه، عرشه و کف قایق استفاده می شود. اخیراً کامپوزیت ها به عنوان ماده مورد استفاده در دکل ها، تیرهای کوچک، و مجموع طناب و بادبان انتخاب شده اند. کامپوزیت ها کابردهای ویژه ای در ساخت کشتی ها، در جایی که موادی با وزن کم و خواص غیر مغناطیسی مورد نیاز است، نیز دارند ]16[.

2-6-3- کاربردهای هوا-فضا

اگرچه که کابردهای هوا-فضا از نقطه نظر حجم تولید خیلی جالب توجه نیستند، اما مهم ترین زمینه برای پیشرفت و توسعه صنعت کامپوزیت می باشند. وزن کم در یک وسیله با قابلیت پرواز، به طور مستقیم منجر به افزایش توانایی حمل بار یا بهبود عملکرد حتی در هواپیماهای جنگنده می شود. هم چنین در کاربردهای هوا-فضا، کامپوزیت ها به دلیل امکان یکی کردن قطعات مختلف، هزینه ساخت کم تری خواهند داشت ]16[.
مواد کامپوزیتی به طور معمول در قسمت های مختلف هواپیماها استفاده می شوند. نمونه های مرسوم به کار گیری این مواد در بخش های مختلف هواپیما عبارتند از: سطح کنترل (سکان هواپیما ، بال ها، و غیره)، پوسته بال ها و زیرسازه ها، لبه های پیش رونده ، پایدارکننده های کاملاً عمودی و افقی، فرینگ ، ناسل های موتور ، معکوس کننده نیرو ، پروانه هواپیما ، آنتن پوش ، درهای دنده ای فرود، درهای ورود و خروج، و قطعات بزرگ نواحی داخلی کابین و قسمت حمل بار. در حالی که بیشتر کامپوزیت های به کار رفته در هواپیماها لمینت‏های تک پوسته ای هستند، اما اجزاء ساندویچی لانه زنبوری نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می‏گیرند. در هلیکوپترها نیز علاوه بر پره های موتور، بخش عمده ای از سازه آن نیز به منظور کاهش وزن و هزینه ساخت از مواد کامپوزیتی ساخته می شود. مواد کامپوزیتی هم چنین قابلیت طراحی برای سازه هایی مانند آنتن ماهواره را نیز دارند؛ چرا که انبساط حرارتی قابل توجهی را از خود در محدوده گسترده ای از دما نشان نمی‏دهند ]16[.

2-6-4- مواد کامپوزیتی در تکنولوژی انرژی بادی

دست یابی به حجم زیادی از تولید انرژی بادی، مستلزم نصب و استفاده از توربین های بادی بسیار بزرگی است (MW3-5/1و بالاتر). در این شرایط، هزینه تعمیر و تعویض پره های توربین بادی آسیب دیده ممکن است زیاد باشد. به طور کلی یک توربین بادی بایستی توانایی کار کردن برای 25-20 سال بدون نیاز به تعمیر و با حداقل نگهداری را داشته باشد. عملکرد توربین بادی در این شرایط بدین معنی است که تغییر شکل پره بایستی بسیار کم باشد (به منظور نگه داشتن ویژگی های ایرودینامیک پره و جلوگیری از اصابت به برج)، تأثیرات خستگی (ناشی از نیروهای جاذبه در حین چرخش و بارگذاری سیکلی توسط باد) بایستی قابل اغماض باشد، و در نهایت پره بایستی بتواند بارهای (ناشی از باد) بسیار زیادی را تحمل نماید. مشکل حصول اطمینان از قابلیت اعتماد توربین های بادی به خصوص برای توربین های بزرگ و خیلی بزرگ به دلیل بارهای زیاد ناشی از باد و جاذبه، از یک طرف و مشکل تعمیر توربین های بزرگ از طرف دیگر، بسیار مهم است. با توجه به این الزامات، تنها کامپوزیت ها با استحکام زیاد، مقاومت به خستگی و سفتی زیاد، می‏توانند در ساخت پره های توربین بادی به کار گرفته شوند. هیچ نوع ماده دیگری، نه فلزات، نه آلیاژها و نه چوب نمی‏توانند کلیه این الزامات را برآورده کنند. در میان بخش های مختلف یک توربین بادی (پره ها، هاب ، جعبه دنده، ژنراتور، ناسل و برج)، مواد کامپوزیتی در پره ها و ناسل به کار می روند. مهم ترین الزامات در رابطه با ناسل، که محافظت از قطعات مختلف را در شرایط آب و هوایی مختلف ایجاد می کند، وزن کم، استحکام و مقاومت به خوردگی است. معمولاً ناسل‏ها از کامپوزیت های الیاف شیشه ساخته می شوند. پره ها، که خصوصیات آن ها عمل کرد و طول عمر توربین را تعیین می کند، مهم ترین قطعه کامپوزیتی به کار رفته در یک توربین بادی هستند. با توجه به بخش های مختلف یک پره توربین بادی، که به طور خلاصه در شکل 2-5 نشان داده شده است، و نیروهای اعمالی به آن، این پره ها با پارچه های چندجهته ساخته می-شوند ]17[.

شکل 2-5- شماتیکی از مقطع پره توربین بادی ]17[.

معمولاً لایه های °45± در ساخت پوسته یک پره و قسمت وب برشی به کار گرفته می شود، در ناحیه ریشه، مواد سه جهته ، °90/°45± مورد استفاده قرار می گیرد. اسپار کپ‏ها از کامپوزیت های تک جهته، با تعدادی لایه های دو جهته، ساخته می شود. جدول 2-3 بخش های مختلف یک پره توربین بادی، وظایف آن ها و مواد به کار رفته در هر بخش را به طور خلاصه نشان می دهد ]17[.

جدول 2-3- قسمت‏های مختلف توربین بادی و وظایف آن‏ها در حفظ شکل پره ]17[.
قسمت مد نظر وظیفه ماده مورد استفاده
پوسته پره حفظ شکل پره، مقاومت در برابر نیروهای باد و جاذبه کامپوزیت های سبک و قوی
بخش های بدون تکیه گاه پوسته مقاومت در برابر بارهای کمانشی سازه های ساندویچی ضخیم شده با هسته سبک و لمینت های وجوهی چندجهته
Integral web، تیرها یا میله های جعبه مقاومت در برابر کمانش پوسته/تنش‏های برشی ناشی از خمش flapwise لایه گذاری های دو جهته در °45-/+
لایه های چسبنده بین لایه های کامپوزیتی، Web و پوسته پره اطمینان از استحکام خارج از صفحه و سفتی پره زمینه ای قوی و به شدت چسبنده

2-7- خستگی

در اغلب موارد، نيرو هاي وارد بر سازه ها ماهيت تناوبي دارند، یعنی اين بارها ثابت نبوده و داراي مقادير حداکثر و حداقل مي باشند. گاهي اوقات اين روند تغييرات ثابت بوده و در طول عمر قطعه بار با فرکانس تناوبي يکسان به آن وارد مي شود (شکل 2-6 (الف))، اما در حالت کلي تر بار مي تواند با فرکانس متغير وارد شده و مقادير حداکثر و حداقل نيرو از یک سیکل به سيکل ديگر متفاوت باشد (شکل 2-6 (ب)) ]18[.

(الف) (ب)
شکل 2-6- (الف) بار نوسانی یکنواخت، (ب) بار نوسانی غیریکنواخت ]18[.

شکل 2-7 برخي از تعاريف اوليه در زمينه خستگي را نشان مي دهد ]19[.

شکل 2-7- مفاهیم اولیه در یک آنالیز خستگی ]19[.

روابط رياضي ساده‏اي در به دست آمدن مفاهيم اشاره شده در شکل 2-7 وجود دارد که این روابط به صورت زیر بیان می شوند ]19[:
(2-1) تنش میانگین
(2-2) محدوده سیکل تنش
(2-3) دامنه سیکل تنش
(2-4) نسبت تنش
معمولاً مشخصات خستگي مواد از طريق اعمال بارهاي سيکلي به نمونه هاي آزمون ساخته شده از آن ماده بدست مي آيند. در حالت بار سيکلي يکنواخت، از اين داده ها به عنوان دياگرام S-N ياد مي شود. شکل 2-8 به صورت شماتيک يک دياگرام S-N را نمايش مي دهد ]20[.

مراجع

6- مراجع
[1] B. Yang, D. Sun, “Testing, inspecting and monitoring technologies for wind turbine blades: A survey”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22, 515–526, 2013.
]2[ نشریه سازمان انرژی های نو ایران، صاحب امتیاز: سازمان انرژی های نو ایران (سانا)، مدیر مسئول: مهندسی مصطفی ربیعی، سردبیر: سیده آسیه فخری، سال ششم، شماره 26، اردیبهشت ماه 1391.
[3] J. Yang, C. Peng, J. Xiao, J. Zeng, S. Xing, J. Jin, H. Deng, “Structural investigation of composite wind turbine blade considering structural collapse in full-scale static tests”, Composite Structures, 97, 15-29, 2013.
]4[ محمد حسین بهشتی، امیر مسعود رضادوست، پلاستیک های تقویت شده (کامپوزیت ها)، ویرایش اول، تهران: پژوهشگاه پلیمر و پتروشیمی ایران، 1384.
[5] D. L. Deborah Chung, Composite materials: science and applications, 2nd edition, New York: Springer, 2010.
[6] R. D. Rawlings, F.L. Mattheu’s, Composite materials: engineering and science, 1st edition, London: Chapman & Hall, 1994.
[7] K. K. Chawla, Composite materials: science and engineering. 1st edition, NewYork: Springer Verlag, 1987.
[8] L. Hollaway, Polymer composites for civil and structural engineering, 1st edition. Glasgow, UK: Blackie Academic and Professional, 1993.
[9] D. G. Lee, W. Seok Chin, J. Wook Kwon, A. Kwon Yoo, “Repair of under Ground Buried Pipes with Resin Transfer Molding”, Journal of composite structures., 57, 67-77, 2002.
[10] Department of the Army, U.S., Army Corps. Of Engineers, “Composite Material for Civil Engineering Structures”, Technical Letter, (FRP-RC), 1997.
[11] W. S. Penn, GRP Technology: Handbook to the polyester/glass fibre plastics industry, London: Maclaren, 1966.
[12] T. J. Reinhart, Overview of composite materials, 2nd edition, London, UK: Chapman& Hall, 1998.
[13] S. T. Peters, Handbook of composites, 2nd edition, London, UK: Chapman &Hall, 1998.
[14] S. Thomas, K. Joseph, S. Kumar Malhotra, K. Goda, and M. Sadasivan Sreekala (Editors), Polymer Composites: Volume 1, Macro-and Microcomposites, 1st edition, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2012.
]15[ سیروس جوادپور، سعید کریمی (بازگردانندگان)، انتخاب مواد در طراحی مکانیکی، شیراز: دانشگاه شیراز-مرکز نشر، 1392.
[16] B. Tomas Åström, Manufacturing of polymer composites, 1st edition, United Kingdom: Chapman & Hall, 1997.
[17] L. Mishnaevsky Jr, “Composite materials for wind energy applications: Micromechanical modelling and future directions”, Computational Mechanics, 50, 195-207, 2012.
[18] J. F. Mandell, J. G. McGowan, A. L. Rogers, Wind Energy Explained-Theory, Design and Application, 2nd edition, UK: John Wiley and Sons LTD, 2009.
[19] N. K. Wahl, Spectrum fatigue lifetime and residual strength for fiberglass laminates, PhD dissertation, Department of Mechanical engineering, Montana State University, Montana, USA, 2001.
[20] H. J. Sutherland, On the Fatigue Analysis of Wind Turbines, United states: Sandia National Labratories, Department of Energy by Sandia Corporation, 1999.
[21] A. P. Vassilopoulos, T. Keller, Fatigue of fiber-reinforced composites, London: Springer-Verlag, 2011.
[22] C. Bathias, “An engineering point of view about fatigue of polymer matrix composite materials” International Journal of Fatigue, 28, 1094-1099, 2006.
[23] B. Harris (Editor), Fatigue in composites, North America, USA: CRC press, 2003.
[24] E. Greene, Marine composites, 2nd edition, Annapolis, Maryland: Eric Greene Associates, Inc, 1999.
[25] E. S. Greenhalgh, Failure analysis and fractography of polymer composites, 1st edition, Cambridge, UK: Woodhead publishing in materials, 2009.
[26] A. P. Vassilopoulos, B. D. Manshadi, T. Keller, “Influence of the constant life diagram formulation on the fatigue life prediction of composite materials”, International Journal of Fatigue, 32(4), 659-669, 2010.
[27] P. T. Curtis, B. B. Moore, “A comparison of the fatigue performance of woven and non-woven CFRP laminates”, Proceedings of the Fifth International Conference on Composite Materials (ICCM5, San Diego (editors WC Harrigan, J Strife and AK Dhingra) (Metallurgical Society of AIME, Warrendale, PA, USA), 293–314, 1985.
[28] N. K. Naik, “The fatigue of woven-fiber thermoset composites”, in fatigue in composites edited by Bryan Harris, pp 296–313, 2003.
[29] M. J. Owen, Fatigue, in Glass Reinforced Plastics (Editor B. Parkyn), 1st edition, Iliffe, London, 251–267, 1970.
[30] M. Kawai, M. Morishita, K. Fuzi, T. Sakurai, K. Kemmochi, “Effects of matrix ductility and progressive damage on the fatigue strengths of un-notched and notched carbon-fiber plain-weave roving fabric laminates”, Composites, 30(A), 493–502, 1996.
[31] O. Konur, F. L. Matthews, “Effect of the properties of the constituents on the fatigue performance of composites: a review”, Composites, 20, 317–328, 1989.
[32] S. V. Ramani, D. P. Williams, in Failure Modes in Composite (Metallurgical Society of AIME, New York), 115–140, 1976.
[33] S. C. Kunz, P. W. R. Beaumont, in Fatigue of Composite Materials STP 569 (American Society for Testing and Materials, Philadelphia, USA), 71–91, 1975.
[34] C. A. Berg, N. Salama, “Compressive fatigue in fibre-reinforced materials”, Journal of Materials, 7, 216–230, 1972.
[35] J. M. Hodgkinson, Mechanical testing of advanced fiber composites, 1st edition, UK: Woodhead publishing, 2000.
[36] C. J. G. Plummer, “Testing of polymeric materials”, Comprehensive Materials Processing, 1, 35-70, 2014.
[37] J. M. Hodgkinson, “Testing the strength and stiffness of polymer matrix composites”, Failure Mechanisms in Polymer Matrix Composites, A volume in Woodhead Publishing Series in Composites Science and Engineering, 129-182, 2012.
[38] E. Pach, I. Korin, J.P. Ipiña, “Simple Fatigue Testing Machine for Fiber-Reinforced Polymer Composite”, Experimental Techniques, 36, 76-82, 2012.
[39] G. Klančnik, J. Medved, P. Mrvar, “Differential thermal analysis (DTA) and differential scanning calorimetry (DSC) as a method of material investigation”, Materials and Geoenvironment, 57, 127-142, 2010.
[40] D. F. Adams, T. R. King, D. M. Blackketter, “Evaluation of the Transverse Flexure Test Method for Composite Materials”, Composite Science and Technology, 39, 341-353, 1990.
[41] S. Z. D. Cheng (Editor), Handbook of thermal analysis and calorimetry, Volume 3: applications to polymers and plastics, 1st edition, Amsterdam, The Netherlands: Elsevier Science, 2002.
[42] R. Y. Yee, T. S. Stephens, “A technique for determination graphite fiber content in epoxy composite”, Thermochimica acta, 272, 191-199, 1996.
]43[ محمد رضا فیروز منش، سیمین یزدان پناه، مواد کامپوزیت با نگرشی بر روش های نوین آنالیز حرارتی، تهران: نگاه دانش، 1379.
[44] M. Yuhazri, Y. Phongsakorn, P. T. Haeryip Sihombing, “A comparison process between vacuum infusion and hand lay-up method toward Kenaf/polyster composites”, International Journal of Basic & Applied Sciences, 10, 63-66, 2010.
[45] M. Najafi, R. Eslami-Farsani, S. M. R. Khalili, “Comparison of Compressive Properties between Vacuum Infusion and Hand Lay-Up Method Toward Balsa Core Sandwich Composites”, Journal of Mechanical Research and Application, 4, 33-40, 2012.
[46] S. Singh, P. Kumar, S. K. Jain, “An experimental and numerical investigation of mechanical properties of glass fiber reinforced epoxy composites”, Advanced Materials Letters, 4(7), 567-572, 2013.
[47] E. S. Al-Hasani, “Study of Tensile Strength and Hardness Property for Epoxy Reinforced With Glass Fiber Layers”, Engineering & Technology, 25, 988-997, 2007.
[48] M. Guy Callens, L. Gorbatikh, E. Bertels, B. Goderis, M. Smet, I. Verpoest, “Tensile behaviour of stainless steel fibre/epoxy composites with modified adhesion”, Composites: Part A, 69, 208-218, 2015.
[49] M. H. Abd Allah, E. M. Abdin, A. I. Selmy, “Effect of mean stress on fatigue behavior of GFRP pultruded rod composites”, Composites: Part A, 28(A), 87-91, 1997.
[50] M. Kawai, “A phenomenological model for off-axis fatigue behavior of unidirectional polymer matrix composites under different stress ratios”, Composites: Part A, 35, 955-963, 2004.
[51] K. L. Reifsnider, “Fatigue behavior of composite materials”, International Journal of Fracture, 16(6), 563-583, 1980.
[52] D. A. Dillard, M. R. Straight, “The nonlinear viscoelastic characterization of graphite/epoxy composites”, Polymer Engineering & Science, 27, 116-123, 1987.
[53] J. Petermann, K. Schulte, “The effects of creep and fatigue stress ratio on the longterm behavior of angle-ply CFRP”, Composite Structures, 57, 205-210, 2002.
[54] M. Kawai, K. Kato, “Effects of R-ratio on the off-axis fatigue behavior of unidirectional hybrid GFRP/A1 laminates at room temperature”, International Journal of Fatigue, 28, 1226-1238, 2006.
[55] S. Raif, A. Irfan, Y. Ramazan, “An investigation of bending fatigue behavior for glass-fiber reinforced polyester composite materials”, Materials Design, 29, 212–217, 2008.
[56] H. El-Kadi, F. Ellyin, “Effect of stress ratio on the fatigue of unidirectional glass fiber/epoxy composite laminates”, Composites: Part A, 25, 917-924, 1994.
[57] U. Meier, J.F. Mandell, “Effect of stress ratio, frequency and loading time on the tensile fatigue of glass-reinforced epoxy. Long term behavior of composites: a symposium. Philadelphia: ASTM STP, 55-77, 1983.
[58] M. S. Rosenfeld, S. L. Huang, “Fatigue characteristics of graphite/epoxy laminates under compressive loading”, Aircraft Engineering and Aerospace Technology, 15, 264-268, 1978.
[59] A. Rotem, H. G. Nelson, “Failure of a laminated composite under tension-compression fatigue loading”, Composite Science and Technology, 36, 45-62, 1989.
[60] C. R. Saff, “Effect of load frequency and lay-up on fatigue life of composites”, Long term behavior of composites: a symposium. Philadelphia: ASTM STP, 78-91, 1983.
[61] C. T. Sun, W.S. Chan, “Frequency effect on the fatigue life of a laminated composite”, Composite Materials: Testing and Design (fifth Conference), ASTM STP, 1979.
[62] J. Degrieck, W. Van Paepegem, “Fatigue damage modeling of fiber-reinforced composite materials: review”, Applied Mechanics Reviews, 54, 279-300, 2001.
[63] W. Zhang, Z. Zhou, B. Zhang, S. Zhao, “A phenomenological fatigue life prediction model of glass fiber reinforced polymer composites”, Materials and Design, 66, 77-81, 2015.
[64] Y. Nikishkov, A. Makeev, G. Seon, “Progressive fatigue damage simulation method for composites”, International Journal of Fatigue, 48, 266-279, 2013.
[65] S. Carbillet, F. Richard, E. Boubakar, “Reliability indicator for layered composites with strongly non-linear behaviour”, Composite Science and Technology, 69, 81-87, 2009.
[66] W. Hwang, K.S. Han, “Fatigue of composites-Fatigue modulus concept and life prediction”, Journal of Composite Materials, 20, 154-165, 1986.
[67] S. Abrate, “Matrix cracking in laminated composites: a review”, Composite Engineering, 1, 337-353, 1991.
[68] A. S. D. Wang, “Strength, failure, and fatigue analysis of laminates”, Engineering materials handbook, vol. 1. ASM International, 236-251, 1997.
[69] M. Chiachío, J. Chiachío, G. Rus, J. L. Beck, “Predicting fatigue damage in composites: A Bayesian framework”, Structural Safety, 51, 57-68, 2014.
[70] M. Van den oever, T. Peijs, “Continuous-glass-fibre-reinforced polypropylene composites II. Influence of maleic-anhydride modified polypropylene on fatigue behaviour”, Composites, 29, 227-239, 1998.
[71] E. K. Gamstedt, L. A. Berglund, T. Peijs, “Fatigue mechanisms in unidirectional glass-fibre-reinforced polypropylene”, Composite Science and Technology, 59, 759-768, 1999.
[72] M. N. Bureau, F. Perrin, T. J. Denaul, J. I. Dickson, “Interlaminar fatigue crack propagation in continuous glass fiber/polypropylene composites”, International Journal of Fatigue, 24, 99-108, 2002.
[73] K. Liao, C. R. Schultheisz, D. L. Hunston, “Long-term environmental fatigue of pultruded glass-fiber-reinforced composites under flexural loading”, International Journal of Fatigue, 21, 485-495, 1999.
[74] K. Komai, K. Minoshima, K. Tanaka, T. Tokura, “Effects of stress waveform and water absorption on the fatigue strength of angle-ply aramid fiber/epoxy composites”, International Journal of Fatigue, 24, 339-348, 2002.
[75] A. Fotouh, J. D. Wolodko, M. G. Lipsett, “Fatigue of natural fiber thermoplastic composites”, Composites: Part B, 62, 175-182, 2014.
]76[ سیدمرتضی حسینی، علی غلامی، محمد دانش، علی نظیف، “مقایسه خواص کامپوزیت های ساخته شده به روشهای قالبگیری کیسه ای و فرآیند تزریق به کمک خلأ”، کنفرانس بین المللی مهندسی مکانیک و فناوری های پیشرفته، ایران، اصفهان، 1391.
[77] ASTM D5687/D5687M-95, “Standard Guide for Preparation of Flat Composite Panels with Processing Guidelines for Specimen Preparation”, American Society for Testing and Materials, 2007.
[78] ASTM D3039/D3039M-14, “Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials”, American Society for Testing and Materials, 2014.
[79] ASTM D3479/D3479M-12, “Standard test method for tension-tension fatigue of polymer matrix composite materials”, American Society for Testing and Materials, 2012.
[80] D. Baere, W. Van Paepegem, M. Quaresimin, J. Degrieck, “On the tension-tension fatigue behaviour of a carbon reinforced thermoplastic part II: evaluation of a dumbbell-shaped specimen”. Polymer Testing, 30, 663–672, 2011.
[81] ASTM D1131-97, “Standard test methods for testing Rosin oils (Withdrwan 2003)”, American Society for Testing and Materials, 2003.
[82] P. Gabbott (Editor), Principles and Applications of Thermal Analysis, 1st edition, UK: Blackwell publishing, 2008.
[83] T. Niranjana Prabhu, T. Demappa, V. Harish, “Thermal Degradation of HDPE Short Fibers Reinforced Epoxy Composites”, IOSR Journal of Applied Chemistry, 2, 39-44, 2012.
Abstract
In this study, the fatigue behavior of fiber reinforced polymer (FRP) composites made by hand lay-up and vacuum infusion process (VIP) has been compared. According to the results of tension test, tensile strength was higher in VIP specimens (362 MPa) than that of hand lay-up ones (242 MPa). With respect to the results of tension-tension fatigue test (R=0.1), higher fatigue life was observed for VIP specimens. In stress amplitude of 67 MPa, VIP specimens have endured 2.11×106 cycles while at lower stress amplitude (61 MPa), the endured cycles of hand lay-up specimens were 1.29×105. The number of cycles to failure for VIP specimens in fatigue stress of 200 MPa, were 5.0×103 whereas the life of hand lay-up specimens in lower fatigue stress of 150 MPa was equal to 1.2×103. According to the S-N curve, in 100000 cycles, the endurable stress amplitude of hand lay-up specimens was estimated to be 60 MPa, but for VIP specimens this value was about 90 MPa. SEM investigation of the fracture surfaces revealed different fatigue failure mechanisms. Dominant failure mechanisms for the hand lay-up specimens were delamination and fiber pull-out while the failure mechanisms for VIP specimens were observed to be debonding and matrix cracking. Results of thermal gravimetry analysis (TGA) showed the presence of mechanical bonding between fiber and matrix, which could be assumed the cause of failure mechanisms observed in SEM images, such as fiber pull-out and debonding. Using TGA data the weight percent of the fibers in composite specimens were calculated to be 69% and 52% for VIP and hand lay-up specimens respectively.

Ferdowsi University of Mashhad
Faculty of engineering

M. S. thesis
Materials science and engineering group

Investigation of the fatigue behavior of glass fiber reinforced polymer matrix composies made by hand lay-up and vacuum infusion process (VIP)

By
Mehran Toghraee

Supervised by
Dr. Ahad Zabett
Dr. Sirus Javadpour

January 2015

دیدگاهها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین نفری باشید که دیدگاهی را ارسال می کنید برای “بررسی رفتار خستگی کامپوزیت‏ زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه ساخته شده به دو روش لایه‏گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP)”

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

4 + 5 =