مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
فصلنامه

تأثیر معماری شش‌ضلعی میان‌لایه‌های چاپ سه‌بعدی بر چقرمگی شکست بین‌لایه‌ای مود II کامپوزیت‌های لایه‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مظاهر سلامت طلب تجن گوکه 1
حسین کاظمی 2
زهرا بهرامی 3

1 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی اراک

2 گروه طراحی جامدات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران،

3 گروه جامدات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

https://doi.org/10.66224/masm.5.3.463
چکیده
باتوجه‌به ضعف ذاتی کامپوزیت‌های لایه‌ای در برابر آسیب تورق، در سال‌های اخیر راهکارهای متعددی برای افزایش مقاومت در برابر این آسیب معرفی شده‌اند. یکی از رویکردهای نوظهور، استفاده از میان‌لایه‌های چاپ سه‌بعدی شده است که باوجود نتایج مطلوب این روش در افزایش مقاومت در برابر تورق، تأثیر معماری سلولی میان‌لایه‌ها بر چقرمگی شکست مود II تاکنون بررسی نشده است. ازاین‌رو، در پژوهش حاضر، میان‌لایه‌ای از فیلامنت پلی‌وینیل الکل با ضخامت 4/0 میلی‌متر و معماری سلولی شش‌ضلعی، طراحی شد. همچنین، برای ارزیابی مقایسه‌ای اثربخشی معماری سلولی میان‌لایه، نتایج با مطالعه پیشین نویسندگان مقایسه شد و با ثابت نگه‌داشتن مواد و پارامترهای طراحی، تأثیر جایگزینی هندسه مربعی با شش‌ضلعی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان دادند که میان‌لایه با ساختار شش‌ضلعی، بیشینه ظرفیت تحمل بار را در مقایسه با نمونه شاهد و ساختار مربعی، به ترتیب ۲۵ و ۳۴ درصد افزایش داد. همچنین، چقرمگی شکست بین لایه‌ای، بر مبنای روش نرمی کالیبره شده، در مراحل شروع (G_IIC^(ini.)) و انتشار رشد ترک (G_IIC^(prop.)) به‌ترتیب ۱۶۴ و ۸۸ درصد افزایش یافتند. این درحالی است که مقادیر G_IIC^(ini.) و G_IIC^(prop.) در مقایسه با ساختار مربعی، به‌ترتیب ۱۶۰ و ۱۷ درصد بهبود یافتند که بیانگر برتری هندسه شش‌ضلعی در کنترل گسترش آسیب تورق است. همچنین تحلیل سطوح شکست نشان داد که انحراف و قفل‌شدگی ترک و نیز تغییر شکل و برش فیلامنت‌های PVA، موجب تغییر الگوی شکست و افزایش مقاومت در برابر تورق شدند. درمجموع، می‌توان بیان نمود که یافته‌ها بر نقش تعیین‌کننده معماری سلولی میان‌لایه‌های چاپ سه‌بعدی‌شده در عملکرد بین‌لایه‌ای کامپوزیت‌ها تأکید دارند.

کلیدواژه‌ها

تورق
کامپوزیت شیشه/اپوکسی
میان‌لایه گذاری
چقرمگی شکست بین لایه‌ای مود II
لایه‌ی میانی چاپ سه‌بعدی شده

عنوان مقاله English

Effect of the Hexagonal Architecture of 3D-Printed Interlayers on the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Layered Composites

نویسندگان English

Mazaher salamattalab 1
Hossein Kazeni 2
Zahra Bahrami 3
1 arak university of technology
2 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
3 Department of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak, Iran
چکیده English

Given the inherent susceptibility of laminated composites to delamination damage, numerous strategies have been introduced in recent years to enhance delamination resistance. One emerging approach is the use of 3D-printed interlayers; however, despite promising results in enhancing delamination resistance, the effect of interlayer cellular architecture on mode II interlaminar fracture toughness (ILFT) has not yet been investigated. Accordingly, this study designed an interlayer composed of PVA filament, with a thickness of 0.4 mm and a hexagonal cellular architecture. Also, to comparatively evaluate the effectiveness of the interlayer cellular architecture, the results were compared with those of the authors’ previous study, and the effect of replacing the square geometry with the hexagonal geometry was assessed while maintaining the materials and design parameters constant. The results demonstrated that the hexagonal interlayer increased the maximum load-bearing capacity by 25% and 34% compared with the control specimen and the square structure, respectively. Moreover, based on the compliance calibration method, the initiation and propagation values of ILFT (G_IIC^(ini.) and G_IIC^(prop.)) increased by 164% and 88%, respectively. Meanwhile, the G_IIC^(ini.) and G_IIC^(prop.) improved by 160% and 17%, respectively, compared with those of the square structure, indicating the superiority of the hexagonal geometry in controlling the propagation of delamination damage. Fractographic analysis further revealed that crack deflection and pinning, together with the deformation and breakage of the PVA filaments, altered the failure pattern and enhanced delamination resistance. Overall, the findings underscore the decisive role of the cellular architecture of 3D-printed interlayers in the interlaminar performance of composites.

کلیدواژه‌ها English

Delamination
Glass/epoxy composites
Interlayering method
Mode II interlaminar fracture toughness
3D printed interlayer
[1] Carlsson LA, Gillespie JW. Chapter 4 - Mode-II Interlaminar Fracture of Composites. In: Friedrich K, editor. Composite Materials Series: Elsevier; 1989:113-57.
[2] Boon YD, Joshi SC. A review of methods for improving interlaminar interfaces and fracture toughness of laminated composites. Materials Today Communications. 2020;22:100830. 
[3] Lu T, Xue L, Ning H, Wu X, Ding Z, Hu N, et al. Optimizing Thickness and Interlayer Placement of Electrospun TPU Nanofibrous Membranes for Enhanced Interlaminar Performance and Impact Resistance in CFRP Laminates. Polymer Composites. 2025;n/a. 
[4] Salamat-Talab M, Kazemi H, Safari M. Influence of Key Parameters on the Crack Growth Resistance Curve (R-Curve) Behavior of End-Notched Flexure (ENF) Specimens of Laminated Composites: A Review. Journal of Polymer Materials. 2026;43. 
[5] Huang T, Bobyr M. A Review of Delamination Damage of Composite Materials.  Journal of Composites Science2023. 
[6] Lai J, Yu Y, Zhang X, Qiang W, Zhang X. Interlaminar fracture toughness and impact resistance of carbon fiber reinforced composite with magnetic aligned CNTs. Composites Part B: Engineering. 2025;291:112008. 
[7] Jain LK, Dransfield KA, Mai Y-W. On the effects of stitching in CFRPs, Mode II delamination toughness. Composites Science and Technology. 1998;58. 
[8] Che Z, Li M, Wang S, Wang S, Gu Y, Zhang W. Mode II interlaminar fracture toughness enhancement of fine z-pin reinforced carbon fiber composite with low fraction of pins. Polymer Composites. 2022;43:2992-3002. 
[9] Gong Y, Tao J, Chen X, Zhao J, Hu N. A semi-analytical method for determining mode-II fracture toughness and bridging law of composite laminates. Engineering Fracture Mechanics. 2022;265:108371. 
[10] Ozdil F, Carlsson L, Li X. Characterization of mode II delamination growth in glass/epoxy composite cylinders. Journal of Composite Materials. 2000;34:274-98. 
[11] Salamat-Talab M, Kazemi H, Mahdavi M. Influence of yarn bundle orientation and areal density on the interlaminar fracture toughness of ENF composites. Engineering Fracture Mechanics. 2025;315:110806. 
[12] Zhao Y, Fang C, Jia L, Shi B, Chen Z, Zhang X, et al. Influence of Oxygen/Argon/Nitrogen multi-component plasma modification on interlayer toughening of UHMWPE fiber reinforced composites. Composite Structures. 2024;339:118142. 
[13] Ahangar M, Saeedifar M. The effect of plasma treatment on the mode II interlaminar fracture toughness of Glass/Epoxy laminates. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2023;127:104093. 
[14] Zhao H, Gao Z, Zhai D, Zhao G. Enhanced mechanical property of continuous carbon fiber/polyamide thermoplastic composites by combinational treatments of carbon fiber fabric. Composites Communications. 2023;38:101508. 
[15] Ogasawara T, Yoshimura A, Ishikawa T, Takahashi R, Sasakib N, Ogawa T. Interlaminar Fracture Toughness of 5 Harness Satin Woven Fabric Carbon Fiber/Epoxy Composites. Advanced Composite Materials. 2012;21:45-56.
[16] Mozafari H, Yeganehfar H. Experimental investigation of mechanical properties of modified tourmaline on epoxy/silica nanocomposite. Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2024;3:560-75. (in Persian)
[17] 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. 
[18] 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)
[19] Bahmani M, Nosraty H, Mirdehghan SA, Varkiani SMH. Investigating the Interlaminar Fracture Toughness of Glass Fiber/Epoxy Composites Modified by Polypropylene Spunbond Nonwoven Fabric Interlayers. Fibers and Polymers. 2024;25:1061-73. 
[20] Zhao G, Zhang X, Qiang W, Zhang X. Enhancing the interlaminar toughness and impact resistance of CFRP using MWCNTs and core-shell rubber synergistic strategy. Thin-Walled Structures. 2025;212:113146. 
[21] Yu M, Wu L, Xie W, Zhang O, Liu X, Ren M, et al. Improving interlaminar fracture toughness and compression after impact strength of carbon fiber reinforced epoxy composites by interleaving electrospinning polyethersulfone nanofiber. Polymer Composites. 2025;46:5805-14. 
[22] Shao K, Zhang X, Lin L, Shen S, Zheng T, Wang X, et al. Investigation of interlaminar toughening properties in carbon fiber composites using wet veil formation of short-cut aramid fibers. Polymer Composites. 2025;46:8015-24. 
[23] Kazemi H, Salamat-Talab M, Ghanbari D. On the Interlaminar Properties of ENF Specimens of Glass/Epoxy Composites Incorporated Novel Hybrid Electrospun Interlayers. Polymer Composites. 2025. 
[24] 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.
[25] Salamat-Talab M, Kazemi H. On the improving interlaminar fracture toughness of ENF composites based on additively manufactured interlayer: New approach. Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2025;138:104952. 
[26] Kazemi H, Salamat-Talab M. Enhancing Mode II Interlaminar Fracture Toughness in Glass/Epoxy Composites Using 3D-Printed Polyvinyl Alcohol Interlayer. Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2024;4:256-71. (in Persian)
[27] ASTM. ASTM D7905/D7905M-19e1, Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. 2019:18. 
[28] BONGSHIN LOADCELL CO. L. DBBP Series. In: BONGSHIN LOADCELL CO. L, editor. Osan-si, Korea 2018. 
[29] Zhang Y, Zhao H, Ou Y, Zhang H, Yao X, Mao D. Polyamide mesh as an effective toughening interlayer for GFRP composites: insights into fracture behavior and mechanisms. Advanced Composites and Hybrid Materials. 2025;8:283. 
[30] Salamat-Talab M, Kazemi H, Safari M, Joudaki J. Aluminum-Based Fiber Metal Laminates in the Aircraft Industry. In: Gürgen S, editor. Aluminum Technologies in Aerospace Applications. Cham: Springer Nature Switzerland; 2025:93-125.
[31] Kazemi H, Kashfi M, Soleymani L, Nourbakhsh SH. Effect of Internal Cellular Geometry on the Impact Performance of 3D-Printed Structures. Mechanic of Advanced and Smart Materials. 2025;4:623-44. (in Persian)
[32] Zhang Y, Fang K, Wang W, Niu H. A Water-Soluble Epoxy-Based Green Crosslinking System for Stabilizing PVA Nanofibers. Molecules 2022. 
[33] Liang X, Zhong H-J, Ding H, Yu B, Ma X, Liu X, et al. Polyvinyl Alcohol (PVA)-Based Hydrogels: Recent Progress in Fabrication, Properties, and Multifunctional Applications. Polymers 2024. 
مکانیک مواد پیشرفته و هوشمند
دوره 5، شماره 3
پاییز 1404
صفحه 463-481

  • تاریخ دریافت 07 مرداد 1405
  • تاریخ بازنگری 24 مرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 27 مرداد 1405

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

تماس با ما