تأثير إضافة صفائح الجرافين النانوية على الخواص الميكانيكية للدروع المصنعة من مواد مركبة مسبقة الإجهاد

الباحث

لمياء عبد الحسن مهدي

المشرف

أ.د. علي صادق العذاري

الجامعة

جامعة الكوفة

الكلية / القسم

الهندسة / الهندسة الميكانيكية (ميكانيك تطبيقي)

الشهادة

ماجستير

السنة

2022

لغة الرسالة

انكليزي

الكلمات المفتاحية

Nano Graphene Platelets;Prestressed Composite;Armor;Mechanical Properties

تستخدم المواد المركبة في هذه الأيام في مختلف التطبيقات التي تحتاج كثافة واطئة مع خواص ميكانيكية جيدة. بسبب الحاجة المتزايدة لاستخدام المواد المركبة فقد اصبح من المهم جدا تحسين خواصها من خلال زيادة عناصر التقوية فيها لكن ذلك قد يحتاج إلى كلفة إضافية وزمن إضافي. هذا البحث J gla استخدام تقنية تسليط شد أولي على الألياف وإضافة مواد نانوية من صفائح الكرافين لغرض تحسين الخواص الميكانيكية للمواد المركبة التي من الممكن أن تستخدم في صناعة الدروع التي تستخدم في حماية البشر من أخطار الإطلاقات والمقذوفات النارية. تم تسليط إجهاد مسبق على الياف الكفلر بقيم (134728 و (2MPa خلال عملية التصلب للأيبوكسي المضاف أليه صفائح الكرافين النانوية بنسب وزنية مختلفة (0.5, 1 , و %2( , وبسبب التأثير الإيجابي لعملية تسليط الإجهاد الأولي على الألياف والذي يزيد من متانة وقوة المادة المركبة بدون إضافة الياف تقوية إضافية ووجود الكرافين النانوي الذي يمتلك خواص ميكانيكية عالية جدا مما يسبب ارتفاعا في الخواص الميكانيكية للمادة المركبة عند أضافته اليها وبنسب قليلة. استخدمت في تصنيع نماذج المادة المركبة طريقة التصنيع اليدوية البسيطة حيث تم تصنيع نماذج بسمك 3 ملم وتم تسليط حمل ميت على الألياف ذات السمك 1ملم لتعريضها إلى شد أولي أثناء عملية التصلب. تم أجراء الاختبارات والفحوصات المعيارية على النماذج المصنعة مثل (اختبار الشد , اختبار الانحناء, اختبار الصدمة , واختبار الإطلاقة) لعينات خالية من الإجهاد المسبق والمادة النانوية وأخرى معرضة إلى إجهاد مسبق وحاوية على مواد نانوي بنسب مختلفة لمقارنة النتائج. تم استخدام نموذج عددي وبأستخدام برنامج ANSYS لمحاكاة اختباري الشد والانحناء ومقارنة النتائج مع النتائج العملية. أظهرت النتائج تحسنا في الخواص الميكانيكية لنماذج المادة المركبة المعرضة إلى إجهاد شد مسبق على الألياف بقيمة 2MPa اكثر من النماذج المعرضة إلى algal مسبق بقيمة 11/1728 وأضيف اليها تحسن أخر في الخواص ناتج عن إضافة الكرافين النانوي وخصوصا للنماذج التي كانت نسبة الإضافة اليها %2 من الوزن. افضل سلوك ميكانيكي للمادة المركبة كان للنماذج المعرضة إلى إجهاد مسبق 2MPa وحاوية على كرافين نانوي بنسبة 9/02 كما ازدادت قيم مقاومة الشد ,معامل المرونة والمتانة اكثر من النماذج الحاوية على نسبة مواد نانوية اقل. خواص الانحناء مثل مقاومة الانحناء, مقاومة القص الناتج عن الانحناء, معامل الانحناء ومتانة الانحناء سوف يكون افضل تحسن لها للنماذج المعرضة إلى إجهاد مسبق 2MPa وحاوية على كرافين نانوي بنسبة 902. كذلك الحال فأن مقاومة الصدمة لعينات المادة المركبة سوف تزداد للنماذج المعرضة إلى إجهاد مسبق 2MPa و حاوية على كرافين نانوي بنسبة 92 وذلك يعود إلى مقاومة الصدمة العالية التي يمتلكها الكرافين النانوي إضافة إلى التقوية المستحصلة من وجود الإجهاد المسبق على الألياف. اظهر اختبار فحص الإطلاقة أن نماذج الدروع المتكونة من اربع طبقات من المادة المركبة (المعرضة إلى إجهاد مسبق ه2812 وكرافين كرافين نانوي %2( ذات السمك 3 ملم للطبقة الواحدة مع وجود طبقات من الكفلر بسمك 1 ملم بين كل طبقتين قد نجحت في اجتياز هذا الفحص وكانت لها القابلية على التصدي للرصاصة ومنعها من العبور عبر طبقاتها حيث توقفت الإطلاقة عند سمك 12 ملم من سمك الدرع الكلي البالغ 15 ملم . وجد ان افضل نسبة إضافة من المادة النانوية إلى الايبوكسي كانت 9/02 حيث ان الإضافة بأكثر من هذه النسبة ممكن ان تتسبب بحصول عملية تكتل لجسيمات الكرافين الناني داخل الايبوكسي مما يقلل من تأثيرها الإيجابي في تحسين خواص المادة المركبة وكما ذكر في اغلب أدبيات الموضوع. أظهرت مقارنة النتائج العددية مع النتائج العملية لفحصي الشد والانحناء ان قيمة التباعد بين القراءات لا تتجاوز 905 . لإظهار تركيز وتوزيع مادة النانو في المادة المركبة فقد تم استخدام وتحليل صور SEM & EDX فحص Gun أظهرت هذه الصور توزيعا متجانسا للمادة النانوية عندما تكون نسبتها 2 على العكس من النسب الاقل التي لوحظ فيها عدم تجانس طبقة المادة النانوية.

Now days, Composite materials are used in different applications that may need low density with good mechanical properties. Due to the growing demand for using composite material, the need for improvement of properties has been very important by increasing the reinforcing part in composite, but that may need extra cost and time. This work investigated by using the fiber pre-tension technique and adding Nano graphene platelets to enhance the mechanical properties of composite materials that are used in manufacturing of armor that protect humans from the harmful effect of bullets. Fiber pre-stressing for Kevlar fibers was used with two values of (1MPa and 2MPa) during the curing process and adding the Nano graphene platelets to the epoxy resin with different weight ratios of (0.5, 1, and 2%) that is due to the positive effect of using fiber pre-stressing in increasing the stiffness of composite without adding extra fibers and high properties of Nano graphene platelets and its ability to increase the mechanical properties when added with small ratio. The hand layout process is used to prepare the composite plate with thickness of 3mm using dead load to the Kevlar fibers of 1mm a thickness during the curing process. The standard tests were done such as: (tensile, flexure, impact, and bullet tests) to the composite samples without and with Nano graphene. The numerical models with the code of ANSYS were built to simulate the tensile and flexure tests and compare those results with experimental results. According to the results, all mechanical properties was improved by using fiber tensile pre-stressing value of 2MPa more than 1MPa, and these properties had extra improvement when adding Nano graphene, especially for a ratio of 2%. The better behavior of the composite was for a sample of 2 MPa pre-stress and 2% of Nano graphene. Also the tensile strength, Young modulus, and stiffness for these samples have better improvement than samples other values of Nano graphene ratios. The flexure properties like flexure strength, strength of shear due to bending, flexure modulus, and flexure stiffness was improved for sample with 2 MPa pre-stress and Nano graphene of 2%. Also, the impact strength is improved for the sample of 2MPa fiber pre- stressing and 2% Nano graphene due to the high impact strength provided by Nano graphene and the extra stiffness that came from pre-stressed fibers. The bullets test shows that the armor prepared from 4-layers of a composite plate (2MPa fiber pre-stress and 2% Nano graphene) with the thickness of 3mm per layer and 3-layers of Kevlar fiber with 1mm thickness per layer, success in passing this test and prevents the bullet from penetrating through the armor, but it stops at a depth of 12 mm. The optimum value of adding Nano graphene was 2% wt. while a larger than this ratio may cause agglomeration of graphene in the epoxy, decreasing the properties of the composite as set in the literatures. The difference between the experimental and numerical results of tensile and flexure tests did not exceed 5%.

طلب نسخة من الملف

الملفات غير منشورة على الموقع. اترك بياناتك وسيتواصل معك موظفو قسم الشؤون الثقافية والفنون لإرسال النسخة مجاناً.

الاسم

رقم الهاتف

البريد الإلكتروني

الغرض من الطلب (اختياري)

إرسال الطلب