بهبود چقرمگي شكست نانوكامپوزيت اپوكسي با استفاده هم‌زمان از نانوذرات سيليكا با اندازه‌هاي مختلف

Improving Fracture Toughness of Epoxy Nanocomposites by Silica Nanoparticles

براي افزايش چقرمگي شكست كامپوزيت اپوكسي، رزين اپوكسي و سخت‌كننده انيدريدي با نانوذرات سيليكا تقويت شد. ذرات سيليكا با اندازه‌هاي 12، 20 و 40 نانومتر به شكل تنها يا تركيب دوتايي به رزين اضافه شده و با دستگاه فراصوتي در ماتريس اپوكسي پخش شدند. تصاوير ميكروسكوپ الكتروني نشان داد، پخش ذرات به‌خوبي انجام شده است. نتايج آزمون كشش، افزايش مدول يانگ و استحكام كششي كامپوزيت‌ها را با افزايش كسر وزني ذرات تقويت‌كننده يا كاهش اندازه آن‌ها نشان داد. استفاده هم‌زمان از دو نوع ذره سيليكا با اندازه‌هاي مختلف 20 و 40 نانومتر موجب ارتقاي بهتر مدول يانگ و استحكام شد. اما، استفاده از تركيب هر يك از آن‌ها با اندازه ذرات 12 نانومتر افزايش چشمگيري را در خواص كششي موجب نشد. در حالي كه نتايج آزمون خمش سه‌نقطه‌اي نمونه برش‌دار، كه براي اندازه‌گيري انرژي شكست انجام شد، اثر هم‌افزايي قابل توجهي را در استفاده هم‌زمان از دو نوع نانوذره سيليكا نشان داد. انرژي شكست اپوكسي بدون نانوذرات از 280J/m2، براي كامپوزيت داراي نانوذرات 12 نانومتر تا 740J/m2 افزايش داشت. اگر اين ذرات به همراه ذرات 20 نانومتر استفاده شوند، با كسر وزني كل برابر، انرژي شكست تا 770J/m2 زياد مي‌شود. در نهايت محاسبات نشان داد، اندازه دهانه ترك حدود چند ميكرومتر بوده كه خيلي بزرگ‌تر از ابعاد ذرات سيليكاست. بنابراين، نقش سازوكار‌هاي اتصال ترك و انحراف ترك در افزايش چقرمگي ناچيز است و تغييرشكل پلاستيك و گسترش حباب سازوكار‌‌هاي غالب هستند.

An epoxy resin was modified by silica nanoparticles and cured with an anhydride. The particles with different batches of 12, 20, and 40 nm sizes were each distributed into the epoxy resin ultrasonically. Electron microscopy images showed that the silica particles were well dispersed throughout the resin. Tensile test results showed that Young’s modulus and tensile strength increased with the volume fraction and surface area of the silica particles. The simultaneous use of two average sizes of 20 and 40 nm diameter silica particles still increased these mechanical properties but other combinations of silica particles were unsuccessful. A three-point bending test on each pre-cracked specimen was performed to measure the mode I fracture toughness energy. The fracture energy increased from 283 J/m2 for the unmodified epoxy to about 740 J/m2 for the epoxy with 4.5 wt% of 12 nm diameter silica nanoparticles. The fracture energy of smaller particles was greater because of their higher surface to volume ratio. The fracture energy results showed also that the combined nanoparticles has a synergic effect on the fracture toughness of nanocomposites. Simultaneous use of 10 and 20 nm particles increased the fracture energy to about 770 J/m2. Finally, crack-opening displacement was calculated and found to be in the range of several micrometers which was much larger than the sizes of particles studied. Thus, the toughening mechanisms of crack pinning and crack deflection have a negligible effect on improvement of toughness, nevertheless, the plastic deformation and plastic void growth are dominant mechanisms in epoxy toughening by nanoparticles.