افزایش چقرمگی شکست بین لایه‌ای مود II در کامپوزیت‌های شیشه/اپوکسی با میان‌لایه‌‌ی پرینت شده از پلی وینیل الکل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه جامدات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اراک

چکیده
کامپوزیت‌ها به دلیل خواص خارج از صفحه‌‌‌ای ضعیف و عدم چسبندگی مناسب در فصل مشترک لایه‌ها، همواره مستعد بروز آسیب‌هایی همچون تورق می‌باشند. با این‌حال استفاده از روش میان‌لایه گذاری یکی از راه‌کارهای بهینه در جهت بهبود مقاومت در برابر تورق در این مواد می‌باشد. اما تا کنون روش‌های سنتز لایه‌های میانی، روش‌هایی محدود و گا‌هاً بسیار پر هزینه بوده‌اند. لذا در مطالعه‌ی حاضر به بررسی تأثیر میان‌لایه‌هایی نو و پرینت سه بعدی شده از پلی وینیل الکل، بر روی چقرمگی شکست بین لایه‌ای مود II در کامپوزیت‌های شیشه/اپوکسی، پرداخته شده است. لازم به ذکر است که ساختار هندسی میان‌لایه‌ها از شکل‌های سلولی مربعی تشکیل شده است که امکان برابری کسر حجمی فیلامنت به رزین را در لایه‌ی میانی، فراهم می‌سازد. بدین منظور نمونه‌های خمشی با شیار انتهایی آماده شده و بررسی چقرمگی شکست مود II، مطابق با روش تیر مبتنی بر نرمی (CBBM) صورت گرفت. تحلیل نمودار مقاومت در برابر رشد ترک نمونه‌ها نشان داد که استفاده از لایه‌ی میانی مورد نظر موجب رشد 73 درصدی در چقرمگی شکست بین لایه‌ای مود II می‌گردد. همچنین رفتار مقاومت در برابر رشد ترک در کامپوزیت‌های تقویت شده با لایه‌ی میانی پرینت سه بعدی شده، همواره روندی افزایشی و صعودی را به دنبال داشت. تحلیل سطح شکست نمونه‌های تقویت شده، نشان از تاثیر مؤثر شکل‌های سلولی مربعی در ایجاد قله‌های برشی، افزایش اصطکاک سطحی در فصل مشترک لایه‌ها، قفل شدگی جبهه ترک، تغییر مسیر رشد ترک و در نتیجه افزایش مقاومت در برابر رشد ترک را دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Enhancing Mode II Interlaminar Fracture Toughness in Glass/Epoxy Composites Using 3D-Printed Polyvinyl Alcohol Interlayer

نویسندگان English

Hossein Kazemi 1
Mazaher Salamat-Talab 2
1 Department of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak, Iran
2 Arak university of technology
چکیده English

Laminated composite materials are susceptible to damage, such as delamination, due to poor out-of-plane properties and inadequate adhesion at the layer interface. Using the interlayering method is an effective way to enhance resistance against delamination in these materials. However, interlayer synthesis methods have been limited and sometimes very expensive. Therefore, this study investigates the impact of novel 3D-printed polyvinyl alcohol (PVA) interlayers on the mode II interlaminar fracture toughness in glass/epoxy laminated composites. Notably, the interlayers feature a geometrical structure consisting of square cell shapes, allowing the filament to have an equal volume percentage to the resin in the interlayer. To achieve this, end-notch flexure specimens (ENF) were prepared, and the mode II interlaminar fracture toughness was calculated using the compliance-based beam method (CBBM). The specimens' crack growth resistance curve (R-curve) analysis revealed that using the desired 3D-printed interlayer increases the mode II interlaminar fracture toughness by 73%. Furthermore, the behavior of crack growth resistance in laminated composites reinforced with 3D-printed interlayer shows an increasing trend. The mode II fracture surface analysis of reinforced specimens demonstrates the influence of square cell shapes in creating shear hackles, increasing surface friction at the interface of laminated composite layers, crack pinning mechanism, and changing the direction of crack growth, ultimately leading to increased resistance to crack growth.

کلیدواژه‌ها English

Delamination
Mode II interlaminar fracture toughness
Glass/epoxy composites
Interlayering method
3D printer
[1] Boon YD, Joshi SC. A review of methods for improving interlaminar interfaces and fracture toughness of laminated composites. Materials Today Communications. 2020;22:100830.
[2] Ekhtiyari A, Alderliesten R, Shokrieh MM. Loading rate dependency of strain energy release rate in mode I delamination of composite laminates. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2021;112:102894.
[3] Karami Khorramabadi M, Hadipour F, Dousti B. Investigating the effect of nanocellulose and nanoparticles of rosemary extract on elastic and antibacterial properties of epoxy-based biocomposite. Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2024;3:491-515. (in Persian)
[4] Morita H, Adachi T, Tateishi Y, Matsumot H. Characterization of Impact Damage Resistance of CF/PEEK and CF/Toughened Epoxy Laminates under Low and High Velocity Impact Tests. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 1997;16:131-43.
[5] Porras A, Tellez J, Casas-Rodriguez JP. Delamination toughness of ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) composites. EPJ Web of Conferences. 2012;26.
[6] Rezaei Ashtiani H, Jamshidi F, salamattalab M. Environmental conditions effect on mechanical properties and mode II fracture toughness of composite multilayers with woven fibers glass /vinyl ester. Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2023;3:380-97. (in Persian)
[7] Delamination Behaviour of Composites. 1st Edition ed: Woodhead Publishing, 2008.
[8] Kim J-K, Sham M-L. Impact and delamination failure of woven-fabric composites. Composites Science and Technology. 2000;60:745-61.
[9] Li Y, Peng Q, He X, Hu P, Wang C, Shang Y, et al. Synthesis and characterization of a new hierarchical reinforcement by chemically grafting graphene oxide onto carbon fibers. Journal of Materials Chemistry. 2012;22:18748-52.
[10] Salamat-Talab M, Shokrieh MM, Mohaghegh M. On the R-curve and cohesive law of glass/epoxy end-notch flexure specimens with 0//θ interface fiber angles. Polymer Testing. 2021;93:106992.
[11] Xu Z, Huang Y, Min C, Chen L, Chen L. Effect of γ-ray radiation on the polyacrylonitrile based carbon fibers. Radiation Physics and Chemistry. 2010;79:839-43.
[12] Kazemi H, Salamat-Talab M, Ghanbari D. Investigating the effect of Silica/Magnesium hydroxide composite nanoparticles on the flexural properties of polymer-based nanocomposites. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2024. (in Persian)
[13] Kostopoulos V, Sarantinos N, Tsantzalis S. Review of Through-the-Thickness Reinforced z-Pinned Composites. Journal of Composites Science.2020;4: 31-72.
[14] Taheri M, Ghane F. Investigating the effective parameters on the mechanical properties of composites reinforced by jute fiber in the compression molding process. Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2024;3:413-31. (in Persian)
[15] Qian X, Kravchenko OG, Pedrazzoli D, Manas-Zloczower I. Effect of polycarbonate film surface morphology and oxygen plasma treatment on mode I and II fracture toughness of interleaved composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2018;105:138-49.
[16] Van der Heijden S, Daelemans L, De Schoenmaker B, De Baere I, Rahier H, Van Paepegem W, et al. Interlaminar toughening of resin transfer moulded glass fibre epoxy laminates by polycaprolactone electrospun nanofibres. Composites Science and Technology. 2014;104:66–73.
[17] Jia J, Du X, Mai YW, Kim JK. 3D network graphene interlayer in fiber reinforced composites: Excellent interlaminar fracture toughness and strength. 20th International Conference on Composite Materials, ICCM 20152015.
[18] Liu B, Cao S, Gao N, Cheng L, Liu Y, Zhang Y, et al. Thermosetting CFRP interlaminar toughening with multi-layers graphene and MWCNTs under mode I fracture. Composites Science and Technology. 2019;183:107829.
[19] Liu Y, Wang G-d, Shen Y, Blackie E, He L. Mode-II Fracture Toughness of Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites Interleaved with Polyethersulfone (PES)/Carbon Nanotubes (CNTs). Composite Structures. 2023;320:117214.
[20] Kazemi H, Salamat-Talab M, Ghanbari D. Investigating the mode II critical strain energy release rate of glass/epoxy laminated composites reinforced with polyvinyl alcohol interlayer. Iranian Journal of Manufacturing Engineering. 2024. (in Persian)
[21] Narducci F, Lee K-Y, Pinho S. Interface micro-texturing for interlaminar toughness tailoring: a film-casting technique. Composites Science and Technology. 2018;156:203-14.
[22] Li N, dong Wang G, Melly SK, Peng T, Li YC, Di Zhao Q, et al. Interlaminar properties of GFRP laminates toughened by CNTs buckypaper interlayer. Composite Structures. 2019;208:13-22.
[23] Beylergil B, Duman V. Enhancing Mode-I and Mode-II fracture toughness of carbon fiber/epoxy laminated composites using 3D-printed polyamide interlayers. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials: Design and Applications. 2023;238:578-91.
[24] D7905/D7905M-19e1 A. Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM INTERNATIONAL; 2019. p. 18.
[25] de Moura MFSF, Silva MAL, de Morais AB, Morais JJL. Equivalent crack based mode II fracture characterization of wood. Engineering Fracture Mechanics. 2006;73:978-93.
[26] Xiaoqiang Y, Gao Y, Lin Y, Guo X, Zhang N, Zhao Q. Mode-II Fracture Toughness and Crack Propagation of Pultruded Carbon Fiber-Epoxy Composites. Engineering Fracture Mechanics. 2023;279:109042.
[27] Hosseini MR, Taheri-Behrooz F, Salamat-talab M. Mode I interlaminar fracture toughness of woven glass/epoxy composites with mat layers at delamination interface. Polymer Testing. 2019;78:105943.
[28] Prasad V, Sekar K, Varghese S, Joseph MA. Enhancing Mode I and Mode II interlaminar fracture toughness of flax fibre reinforced epoxy composites with nano TiO2. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2019;124:105505.
[29] Zeiler R, Kuttner C, Khalid U, Kothmann MH, Dijkstra DJ, Altstädt V. The role of multi-walled carbon nanotubes in epoxy nanocomposites and resin transfer molded glass fiber hybrid composites: Dispersion, local distribution, thermal, and fracture/mechanical properties. Polymer Composites. 2017;38:1849-63.
دوره 4، شماره 2
تابستان 1403
صفحه 256-271

  • تاریخ دریافت 15 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 31 مرداد 1403
  • تاریخ پذیرش 15 شهریور 1403