عنوان مالکیت فکری: كاهش تنش هاي پسماند كامپوزيت ها با استفاده از نانوذرات

خلاصه اختراع

تنش هاي پسماند حرارتي در كامپوزيت هاي لايه اي بلافاصله پس از فرآيند پخت و به دليل گراديان هاي شديد دمايي و اختلاف در خصوصيات مكانيكي و فيزيكي فاز زمينه و تقويت كننده ظاهر مي شوند. اين نوع از تنش پسماند در تمامي پليمرهاي تقويت شده با الياف به علت غير همگني ذاتي اين دو جزء اصلي وجود دارد و در دو سطح مايكرومكانيك و ماكرومكانيك مطالعه مي شود. اين تنش ها نقش مهمي در شكست سازه هاي كامپوزيتي ايفا مي كنند همينطور استحكام نهايي آنرا پايين مي آورند و سبب تغيير ابعاد ناخواسته حين فرايند ساخت مي شوند. در اين اختراع روش نويني در كاهش تنش هاي پسماند با استفاده از نانوذرات ارائه شده است. تنش هاي پسماند در اثر اختلاف ذاتي در خواص اجزاء اصلي كامپوزيت (زمينه و الياف) بوجود مي آيند. با استفاده از نانوذرات و اضافه كردن آن به زمينه خواص زمينه به الياف نزديك شده و در نتيجه تنش هاي پسماند در دو سطح ماكرومكانيك و مايكرومكانيك كاهش مي يابد. اختراع ارائه شده بصورت تئوري و تجربي مورد مطالعه قرار گرفته است. اختراع فوق به اختصار شامل مراحل زير است: مطالعه تئوري كاهش تنش پسماند در اثر اضافه كردن نانوذرات (نانولوله كربني-نانوالياف كربني- گرافن- نانوكِلِي)، شبيه سازي المان محدود فرآيندهاي سوراخ كاري مرحله اي و شيارزني (نرم افزار ANSYS) به منظور محاسبه ضرائب نرمي، ساخت نمونه هاي كامپوزيتي لايه اي با چيدمان متقارن و نامتقارن با درصدهاي مختلف وزني از نانوذرات مختلف ،مشخصه سازي نمونه هاي كامپوزيتي در درصدهاي مختلف وزني نانوذرات، انجام تست كشش جهت تعيين مدول الاستيسيته زمينه، انجام تست كشش جهت تعيين مدول الاستيسيسته زمينه تقويت شده با نانوذرات در درصدهاي مختلف وزني (0.1 درص، 0.5 درصد و 1 درصد وزني)، انجام تست ديلاتومتري جهت تعيين انبساط حرارتي زمينه خالص و تقويت شده با نانوذرات،فراهم نمودن تمهيدات آزمايش سوراخ كاري و شيارزني شامل دستگاه CNC ، نصب كرنش سنج، انجام تست و قرائت كرنش هاي رها شده، محاسبه تنش هاي پسماند در هر لايه با استفاده از ضرائب نرمي محاسبه شده از روش المان محدود و كرنش هاي قرائت شده

حوزه کاربرد (زمینه فنی)

روش ارائه شده در اختراع فوق در طراحی و ساخت و سرویس ­دهی تمامی کامپوزیت ­های الیافی و نیز اتصالات میان کامپوزیت و فلز کاربرد دارد. به ویژه صنایعی که در آنها سازه­ های کامپوزیتی در معرض تغییرات دمایی شدید قرار دارند و نیز نیازمند کنترل ابعادی بالاتر هستند.

مشکل فنی موجود و هدف از این اختراع:

نانوکامپوزیت ها بعنوان سازه های پیشرفته و به دلیل ویژگی های منحصر به فرد نظیر خواص فیزیکی و مکانیکی ویژه، نسبت استحکام به وزن بالا، قابلیت طراحی و روش های ساخت آسان، کاربردهای بسیاری در صنایع حساس بویژه سازه های هوافضایی دارند. سازه خودروها موشک ها، بالگردها، هواپیماها و نیز ماهواره ها تنها بخشی از کاربردهای سازه های کامپوزیتی به شمار می روند. با استفاده از خواص منحصر به فرد نانوذرات، خواص مکانیکی و حرارتی و همچنین قابلیت های طراحی کامپوزیت ها افزایش یافته است. تنش های پسماند حرارتی در کامپوزیت های پلیمری، بعد از مرحله پخت و پس از آن سرد شدن از دمای بالای پخت تا دمای اتاق، در اثر انقباض بالای زمینه در مقایسه با الیاف بوجود می آیند. این نوع از تنش پسماند در تمامی پلیمرهای تقویت شده با الیاف به علت غیرهمگنی ذاتی این دو جزء اصلی وجود دارد. این تنش ها سبب تغییرشکل هنگام ساخت و پایین آمدن کنترل ابعادی حین مونتاژ این قطعات می شوند و اغلب در طراحی و مدل های تحلیلی نادیده گرفته و یا ناچیز شمرده می شوند که این امر ممکن است سبب تفسیر نادرست خصوصیات مواد و رفتار مکانیکی کامپوزیت ها شود. در بسیاری از موارد، تنش های پسماند نقش عمده ای را در شکست سازه ایفا می کنند، بویژه زمانی که قطعه تحت بارهای خستگی و یا محیط خورنده قرار گیرد، همینطور بطور قابل ملاحظه ای بازده و کارایی کامپوزیت ها را تحت تاثیر قرار می دهند. ترک های عرضی، کاهش استحکام، شکست پیش از موعد، تورق و انبساط های ناهمسان بخشی از پیامدهای تنش پسماند در کامپوزیت های لایه ای به شمار می رود. با ظهور نانوکامپوزیت ها در دو دهه اخیر، مطالعات بیشماری پیرامون روش های استفاده از نانوذرات و خواص نانوکامپوزیت ها انجام شده است. یکی از زمینه های ناشناخته در نانوکامپوزیت ها استفاده از نانوذرات در کاهش تنش پسماند است. این نظریه هنوز بطور تحلیلی و تجربی بصورت یک روش جهت کاهش تنش پسماند مطالعه نشده است. در اختراع حاضر، برای اولین بار این روش بصورت تجربی مطالعه و بصورت روشی جدید ارائه شده است.

ارایه راه حل برای مشکل فنی موجود همراه با شرح دقیق و کافی و یکپارچه اختراع

برای حل مشکل فنی موجود نخست پارامتر های مهم در ایجاد تنش های پسماند را شناسایی می کنیم و سپس با استفاده از نانوذرات، این پارامترهای موثر بر تنش پسماند را هدف قرار می دهیم. در نتیجه با اضافه کردن نانوذرات به ماتریس، خواص مکانیکی و حرارتی ماتریس و الیاف و نیز خواص مکانیکی و حرارتی طولی و عرضی یک تک لایه کامپوزیت را به هم نزدیک می کنیم و در نتیجه تنش های پسماند در کامپوزیت های لایه ای را به میزان قابل ملاحظه ای مهار می کنیم. تنش های پسماند در کامپوزیت ها به دلیل ناهمسانی در خواص فیزیکی و مکانیکی زمینه و الیاف بوجود می آیند. تنش های پسماند در کامپوزیت ها تابعی از پارامترهای زیر هستند:
1-ضریب انبساط حرارتی 2-مدول الاستیسیته 3- ضریب پواسون
که از این میان اختلاف در ضرائب انبساط حرارتی زمینه و الیاف پارامتر حاکم است. نشان داده شده است که اثر ضریب پواسون زمینه و الیاف در ایجاد تنش پسماند ناچیز است. بنابراین در این اختراع نخست اثر نانوذرات را روی ضریب انبساط حرارتی و مدول الاستیسیته زمینه بررسی می شود و در ادامه اثر زمینه تقویت شده با نانوذرات را روی تنش پسماند مطالعه شده و نتایج آزمایشگاهی در کاهش تنش های پسماند را بصورت تجربی ارائه خواهد شد.