نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

2 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

چکیده

آلیاژهای حافظه‌دار به‌دلیل خواص منحصر به‌فرد مکانیکی و فیزیکی خود، در سال‌های اخیر برای تقویت کامپوزیت‌های پلیمری در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در این مقاله مدل میکرومکانیک مبتنی بر روش اشلبی و مدل هالپین-‌سای برای پیش‌بینی خواص کامپوزیت اپوکسی تقویت شده با سیم‌های کوتاه حافظه‌دار با جهت‌گیری تصادفی مورد استفاده قرار گرفت. تغییرات تدریجی مدول الاستیک در سیم‌های حافظه‌دار در اثر تبدیل فاز مارتنزیتی در مدل مایکرومکانیک نموی در نظر گرفته شده است. به‌منظور صحه‌سنجی نتایج سیم‌های کوتاه از جنس آلیاژ حافظه‌دار در داخل رزین اپوکسی جاسازی شده و کامپوزیت حاصل برای بررسی خواص الاستیک تحت آزمون کشش قرار گرفت. نتایج مایکرومکانیک با نتایج تجربی آزمایش کشش کامپوزیت و همچنین نتایج مقالات دیگر مقایسه شد. تاثیر کسر حجمی سیم‌های حافظه‌دار و همچنین ضریب لاغری و جهت‌گیری سیم‌ها بر روی مدول الاستیک کامپوزیت مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که در کسرهای حجمی کمتر از 5%، ضریب لاغری قابل قبول برای بهبود چشمگیر مدول الاستیک کامپوزیت در حدود 25 می‌یاشد، در حالی‌که در کسرهای حجمی بزرگتر از 15%، ضریب لاغری مناسب مقادیر بزرگتر از 40 می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Micromechanics modeling and experimental characterization of shape memory alloy short wires reinforced composites

نویسندگان [English]

  • Seyed Mohammadreza Khalili 1
  • Ali Saeedi 2

1 Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.

2 Department of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran.

چکیده [English]

Shape memory alloys (SMAs) due to their extraordinary physical and mechanical properties, recently are used to enhance the mechanical properties of composites. In the present paper micromechanics model based on Eshelby’s equivalent inclusion and Halpin-Tsai model was used in order to predict the elastic properties of randomly oriented shape memory alloy short wires reinforced epoxy. The presented incremental micromechanics model considers the gradual changes in the elastic modulus of the SMA wires due to martensite phase transformation.  Experimental tensile tests were applied to the shape memory alloy short wires/epoxy composites to investigate the accuracy of the model. The micromechanics results were in good agreement with the experimental results and also the previously reported results in the literature. The effect of shape memory alloy wires volume fraction as well as the aspect ratio of the wires was investigated on the elastic modulus of SMA/epoxy composites. Moreover the effect of orientation of SMA wires on the modulus of composites was studied. Micromechanics results showed that in SMA volume fractions lower than 5%, the minimum acceptable aspect ratio of wires is about 25, However for SMA volume fraction above 15%, aspects ratios above 40 are required in order to enhance the elastic modulus of the composites efficiently.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Micromechanics
  • Shape memory alloy
  • composites
  • short wire
  • elastic properties

[1]. Shimamoto, A. Ohkawara, H. andNogata, F.,“Enhancement of mechanical strength by shape memory effect in TiNi fiber-reinforced composites”, Engineering fracture mechanics, Vol. 71, No. 4, pp. 737-746, 2004.

[2] Ogisu, T. Shimanuki, M. Kiyoshima, S. and Takeda, N.,“A basic study of CFRP laminates with embedded prestrained SMA foils for aircraft structures”, Journal of intelligent material systems and structures, Vol.16, No. 2, pp. 175-185, 2005.

[3] Zhang, R. X. Ni, Q. Q. Masuda, A. Yamamura, T. and Iwamoto, M.,“Vibration characteristics of laminated composite plates with embedded shape memory alloys”, Composite structures, Vol. 74, No. 4, pp. 389-398, 2006.

[4] Khalili, S. M. R. Shokuhfar, A. Ghasemi, F. A. andMalekzadeh, K.,“Dynamic response of smart hybrid composite plate subjected to low-velocity impact”, Journal of Composite Materials, Vol.41, No. 19, pp. 2347-2370, 2007.

[5] Angioni, S. L. Meo, M. and Foreman, A., “Impact damage resistance and damage suppression properties of shape memory alloys in hybrid composites—a review”, Smart Materials and Structures, Vol. 20, No. 1, doi. 10.1088/0964-1726/20/1/013001, 2011.

[6] Rogers, C. A. Liang, C. andJia, J., “Behavior of shape memory alloy reinforced composite plates, Part 1: model formulation and control concepts. In Proceedings of the 30th Structures”, Structural Dynamics and Materials Conference, pp. 3-5, 1989.

[7] Masuda, A. Ni, Q. Q. Sone, A. Zhang, R. X. and Yamamura, T.,“Preliminary characterization and modeling of SMA-based textile composites”, In Smart Structures and Materials, July,pp. 94-102, 2004.

[8] Lau, K. T. Ling, H. Y. and Zhou, L. M.,“Low velocity impact on shape memory alloy stitched composite plates”, Smart materials and structures, Vol. 13, No. 2, pp. 364, 2004.

[9] Lei, H. Wang, Z. Zhou, B. Tong, L. and Wang, X., “Simulation and analysis of shape memory alloy fiber reinforced composite based on cohesive zone model”, Materials & Design, Vol. 40, pp. 138-147, 2012.

[10] Yamada, Y., Taya, M., & Watanabe, R. Strengthening of metal matrix composite by shape memory effect. JIM, Materials Transactions, 34(3), 1993, pp. 254-260.

[11] Murasawa, G. Tohgo, K. and Ishii, H., “The effect of fiber volume fraction and aspect ratio on the creation of internal stress in the matrix and deformation for short-fiber shape memory alloy composite”, Smart materials and structures, Vol. 15, Vol. 1, doi. doi:10.1088/0964-1726/15/1/032, 2006

[12] Zhang, R. X. Ni, Q. Q. Natsuki, T. and Iwamoto, M.,“Mechanical properties of composites filled with SMA particles and short fibers”, Composite Structures, Vol. 79, No. 1, pp.90-96, 2007.

[13] Ni, Q. Q. Zhang, R. X. Natsuki, T. and Iwamoto, M.,“Stiffness and vibration characteristics of SMA/ER3 composites with shape memory alloy short fibers”, Composite structures, Vol. 79, No. 4, pp. 501-507, 2007.

[14] Boyd, J. G. andLagoudas, D. C.,“Thermomechanical response of shape memory composites”, Journal of intelligent material systems and structures, Vol. 5, No. 3, pp. 333-346, 1994.

[15] Wang, J. andShen, Y. P.,“Micromechanics of composites reinforced in the aligned SMA short fibers in uniform thermal fields”, Smart materials and structures, Vol. 9, No, 1, doi. 10.1088/0964-1726/9/1/307, 2000.

[16] Zhu, Y. and Dui, G.,“Effect of fiber shape on mechanical behavior of composite with elastoplastic matrix and SMA reinforcement”, Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, VOl.2, No. 5, pp. 454-459, 2009.

[17] Leo, D. J.,“engineering analysis of smart materials systems”, John Wiley & Sons, Inc. 2007

[18] Tucker III, C. L. and Liang, E.,“Stiffness predictions for unidirectional short-fiber composites: review and evaluation”,Composites science and technology,Vol. 59, No. 5, pp. 655-671, 1999.

[19] G&H Orthodontics Company, http://www.ghwire.com

[20] Hamada, K. Lee, J. H. Mizuuchi, K. Taya, M. and Inoue, K.,“Thermomechanical behavior of TiNi shape memory alloy fiber reinforced 6061 aluminum matrix composite”, Metallurgical and Materials Transactions A, VOl.29, No. 13, pp. 1127-1135, 1998.