كاهش تغيير شكل كامپوزيت‌هاي لايه‌يي متعامد نامتقارن با استفاده از نانوالياف كربني

Reduction in Deformation of Unsymmetrical Cross-Ply Laminated Composite using Carbon Nanofibers

در اين تحقيق، روش نويني براي كاهش تغيير شكل كامپوزيت‌هاي لايه‌يي متعامد نامتقارن با استفاده از نانوالياف كربني ارايه شده است. نخست با استفاده از آزمايش‌هاي ديلاتومتري و كشش، به‌ترتيب ضريب انبساط حرارتي و مدول كشساني نانوكامپوزيت نانوالياف‌كربني/اپوكسي در درصدهاي مختلف وزني اندازه‌گيري شد. نتايج مشخصه‌سازي نشان‌گر كاهش قابل ملاحظه‌ي ضريب انبساط حرارتي و افزايش اندك مدول كشساني زمينه است. در ادامه نانوكامپوزيت‌هاي لايه‌يي نانوالياف/كربن/اپوكسي با چيدمان متعامد نامتقارن [902/02]T در درصدهاي مختلف وزني با استفاده از روش اولتراسونيك و سپس روش لايه چيني دستي ساخته شده و تغيير شكل خارج از صفحه‌ي نمونه ها اندازه‌گيري شد. نتايج نشان مي‌‌دهد افزودن 1% وزني نانوالياف‌كربني به كامپوزيت‌هاي لايه‌يي نامتقارن سبب 48% كاهش در تغيير شكل خارج از صفحه‌ي اين كامپوزيت‌ها شده است. براي تاييد نتايج تجربي، انحناي لايه‌ي مياني نانوكامپوزيت‌ها با استفاده از روش اجزا محدود و نظريه‌ي كلاسيك لايه‌يي محاسبه شده و هم‌خواني مناسبي با مشاهدات تجربي به دست آمده است.

Due to the natural inconsistency of the mechanical and thermal properties of fiber and matrix, residual stresses are introduced during the curing process of fibrous polymer composites. Considering a high Young’s modulus and the negative coefficient of thermal expansion (CTE) of carbon nanofibers (CNFs), the addition of CNFs into the matrix makes its properties closer to reinforcement, and this reduces residual stress in laminated polymer composites. In this research, a novel method to decrease the deformed shape of cross ply un-symmetric laminated composites, by adding vapour grown carbon nanofiber, is proposed. To this end, first, using thermo mechanical analysis (TMA) and tensile test methods, the coefficient of thermal expansion and the Young’s modulus of vapour grown carbon nanofiber reinforced epoxy are measured. The characterizations showed a significant decrease in the coefficient of thermal expansion and a slight increase in the Young’s modulus of the matrix. Then, using the sonication technique, as well as the hand layup method, vapour grown carbon nanofiber/carbon fiber/epoxy cross ply laminated composites are fabricated in different vapour grown carbon nanofiber weight loadings, and the percentages of deformations are measured carefully. The results show that adding 1 wt of vapour grown carbon nanofiber to the composites can reduce the out of plane deformation of un-symmetric laminates up to 48%. Finally, the finite element method and the classical lamination theory (CLT) are used to validate the experimental observations. The results of this comparison show good agreement between the modeling and the experimental results. The results indicate that the addition of low contents of CNF causes the coefficient of thermal expansion of the matrix to decrease and the matrix Youngʹs modulus to increase, which, in turn, leads to a considerable reduction in micro and macro thermal residual stresses. This reduction will decrease the unwanted deformed shape of the cross ply un-symmetric laminated composites.