تحلیل رفتار مکانیکی، مودال و هارمونیک در کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف کنف و جوت
در این مطالعه، خواص ساختاری و مکانیکی دینامیکی در کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی از لحاظ تجربی و آماری مورد بررسی قرار گرفته است. اول از همه، سه نوع مختلف، یک تا سه کامپوزیت لمینیت و کامپوزیت لمینت جوت اپوکسی و کنف اپوکسی پنج لایه، با استفاده از روش دستی لی آپ ساخته شده اند. استحکام کششی، مقاومت خمشی و مقاومت برشی کامپوزیت ساخته شده به صورت تجربی با استفاده از دستگاه تست جهانی نیز بررسی شده اند. چگالی با استفاده از کیت اندازه گیری چگالی اندازه گیری با کمک اصل ارشمیدس ارزیابی می شود. علاوه براین، فرکانس و عامل میرایی نیز با تنظیم تست ارتعاش بررسی می‌شوند. مدل عددی در نرم افزار مبتنی بر المان محدود ANSYS توسعه داده شد. فرکانس طبیعی متفاوت مدها و عوامل میرایی نیز به صورت عددی بررسی شده اند. مشخصات مکانیکی و ساختاری به صورت تجربی و عددی به دست آمده و به تفصیل مورد تجزیه و تحلیل و بحث قرار می گیرند. با توجه به این بررسی ها، مشخص شد، صرف نظر از تعداد از لایه های الیاف استفاده شده، کامپوزیت کنف-اپوکسی استحکام و صلبی بیشتری نسبت به کامپوزیت جوت-اپوکسی دارد. همچنین مشخص شد با افزایش لایه های الیاف یا درصد الیاف در کامپوزیت، استحکام و صلبی کامپوزیت ساخته شده به طور قابل توجهی افزایش می یابد.
مواد کامپوزیتی مواد چند فازی هستند که حداقل از یک الیاف و یک ماتریس پلیمری تشکیل شده‌اند. به طور کلی، آنها از ترکیب ماتریس پلیمری با تقویت کننده تشکیل می شوند. خواص کامپوزیت تولید شده از مواد تشکیل دهنده آنها متفاوت خواهد بود. این مواد تشکیل دهنده عمدتا الیاف و مواد ماتریسی هستند. مواد الیافی ممکن است ساخته دست بشر باشند مانند شیشه، کولار، آرامید، گرافیت یا کربن و یا از منابع طبیعی (مانند منابع گیاهی، حیوانی، معدنی) همچون کتان، کنف، جوت، سیزال، بازالت و غیره. امروزه به دلیل نگرانی های زیست محیطی و پیشرفت علم، محققان به دنبال ساخت کامپوزیت کامل یا نیمه سبز هستند که بتواند الیاف مصنوعی را با الیاف طبیعی یا ماتریس غیرقابل تجزیه را با ماتریس زیست تخریب پذیر جایگزین کند. رفتار مکانیکی ضعیف کامپوزیت سبز آن را به انتخاب مناسبی در تولیداتی با مقاومت کم تبدیل کرده است. درمان سطحی الیاف خواص مکانیکی آنها را افزایش می دهد، به طوری که در زمینه های مختلف کاربرد دارند. مزیت اصلی استفاده از مواد کامپوزیت حاوی الیاف طبیعی بیش از کامپوزیت مصنوعی، خواص زیست تخریب پذیری آنها، سختی بالا، استحکام بالا، هزینه کم، دسترس فراوان و وزن سبک است که قابلیت استفاده در کاربردهای سازه ای با بار کم و متوسط را دارند. مواد کامپوزیت حاوی الیاف طبیعی به دلیل برخورداری از خواص مکانیکی، حرارتی و آکوستیک ذاتی کاربردهای فراوانی در خودروسازی، بسته بندی و دیگر صنایع دارند. همچنین با پیشرفت علم، مواد کامپوزیت در حوزه انرژی سبز به عنوان رووف تاپ در خودروهای هیبریدی استفاده می شود. برای بررسی مناسب بودن مواد کامپوزیت حاوی الیاف طبیعی در کاربردهای مختلف، تحقیقات زیادی انجام شده است. تأثیر نسبت‌های حجمی مختلف الیاف بر تحلیل ارتعاش دینامیکی، مکانیکی، ساختاری و آزاد در کامپوزیت حاوی الیاف کنف مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و مشاهده شد که کامپوزیت با 30 درصد کسر حجم حداکثر مثدار ضریب میرایی را نشان می دهد.
تأثیر تعداد لایه‌ها بر روی خواص مکانیکی و آنالیز ارتعاش آزاد کامپوزیت حاوی الیاف شیشه در اینجا بررسی شده و مشخص شد که افزایش تعداد لایه ها منجر به افزایش فرکانس طبیعی مواد کامپوزیت می شود. علاوه براین، تأثیر الگوهای بافت الیاف در کامپوزیت حاوی الیاف طبیعی بر رفتار ارتعاش آزاد در کامپوزیت حاوی الیاف موز و جوت بافته شده به صورت آزمایشی تجزیه و تحلیل می شود. همچنین ارتعاش آزاد و رفتار میرایی کامپوزیت حاوی الیاف موز و سیزال تیمار نشده برای یافتن کاربرد بالقوه آن در کاربردهای ساختاری مورد بررسی قرار گرفته است. خواص مواد مانند مدول الاستیک و مدول برشی در کامپوزیت پلیمری حاوی الیاف جوت با بررسی های ارتعاش آزاد ارزیابی می شوند. تأثیر جهت گیری الیاف بر پاسخ های ارتعاش آزاد در کامپوزیت اپوکسی کربن بافته شده نیز مورد بررسی قرار گرفته است. علاوه براین، تأثیر افزودن فیلر و تأثیر خود فیلر بر فرکانس طبیعی مواد کامپوزیتی چند لایه حاوی آلوئه ورا، کتان و کنف نیز گزارش شده است. برای جلوگیری از تشدید، تعیین پارامترهای مدال مانند نسبت میرایی مدال مرتبط و فرکانس طبیعی در اشکال حالت ضرورت دارد در حالی که اجزای مختلف ماشین مانند روتور، بلبرینگ، دوک ها و غیره طراحی می شوند. بررسی مقالات نشان می دهد که پتانسیل زیادی در کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی در زمینه های مختلف وجود دارد. این بررسی همچنین نشان می دهد که کامپوزیت حاوی الیاف طبیعی قبلا توسط بسیاری از محققان مورد بررسی قرار گرفته است. با این حال، در اینجا بیشتر بر خصوصیات مکانیکی و تحلیل رفتار دینامیکی تمرکز شده است. همچنین اکثر تحقیقات فقط از رویکردهای تجربی یا صرفاً آماری کمک گرفتند. مشاهدات تجربی و آماری دامنه محدودی دارند. با توجه به موارد ذکر شده، هدف از این مقاله بررسی خواص دینامیکی ساختاری و مکانیکی کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی با استفاده از روش های تجربی و عددی است. اول از همه، کامپوزیت جوت اپوکسی و کنف-اپوکسی با یک، سه و پنج لایه الیافی با استفاده از تجهیزات ساخت داخلی تهیه می شود. آزمون کشش، خمش، برش و چگالی برای به دست آوردن خواص مکانیکی آن نیز انجام خواهد شد.
در این مقاله به بررسی رفتار دینامیکی مکانیکی و ساختاری کامپوزیت جوت-اپوکسی و کنف-اپوکسی به صورت عددی و تجربی پرداخته می شود. ابتدا، این کامپوزیت ها (یک، سه و پنج لایه) با استفاده از تجهیزات ساخت داخلی ساخته می شوند. آزمایشات کششی، خمشی، برشی، چگالی و ارتعاش نیز به صورت تجربی انجام می شوند. همچنین فرکانس طبیعی و عامل میرایی به صورت عددی با استفاده از ANSYS آنالیز می شوند. با توجه به نتایج حاصل از این آزمایشات، یافته های زیر ترسیم و مورد بحث قرار گرفتند:
- خواص مکانیکی مانند استحکام کششی و مدول، مقاومت خمشی و مدول، و استحکام برشی در کامپوزیت کنف-اپوکسی در مقایسه با کامپوزیت جوت-اپوکسی، صرف نظر از مقدار لایه های الیاف استفاده شده، بیشتر است.
- فرکانس طبیعی کامپوزیت کنف-اپوکسی نیز، صرف نظر از تعداد لایه های الیاف، بالاتر از فرکانس کامپوزیت کنف-اپوکسی است.
- با افزایش تعداد لایه‌های الیاف طبیعی در کامپوزیت، خواص مکانیکی و دینامیکی کامپوزیت افزایش می یابد.
- چگالی هر دو کامپوزیت با افزایش کسر حجمی الیاف در کامپوزیت کاهش می یابد.
- ضریب میرایی کامپوزیت با حالت‌های فرکانس مختلف کاهش می‌یابد (کمترین به بالاترین).
- فرکانس آزمایشی و ضریب میرایی برای هر دو کامپوزیت نزدیک به فرکانس عددی و ضریب میرایی است. تفاوت نسبی ممکن است به دلیل خطاها و مفروضات تجربی باشد که در محاسبه خواص مواد که در محاسبات عددی استفاده شده است.
- با ارزیابی و تحلیل خواص مکانیکی و ساختاری، می‌توان نتیجه گرفت که کامپوزیت حاوی الیاف کنف ممکن است در صنایع خودروسازی و سازه ها استفاده شود در حالی که کامپوزیت حاوی الیاف جوت در دکوراسیون داخلی و غیره استفاده شود. و یا می توان از آنها در توسعه کامپوزیت هیبریدی با الیاف مصنوعی برای افزایش سفتی و استحکام کامپوزیت استفاده کرد.
