علوم و فناوری کامپوزیت

علوم و فناوری کامپوزیت

مقایسه خواص مکانیکی و رفتار ضربه سرعت پایین کامپوزیت‌های بازالت/اپوکسی و بازالت/وینیل استر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی ، دانشگاه بناب، بناب.
2 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک ، دانشگاه تهران، تهرا ن.
چکیده
امروزه سازه‌های کامپوزیتی به دلیل خواص منحصربه‌فردشان، به طور گسترده‌ای در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. باتوجه ‌به کاربرد کامپوزیت‌ها، خواص مکانیکی و رفتار ضربه این مواد بایستی مورد ارزیابی قرار گیرند. در پژوهش حاضر، رفتار کامپوزیت‌های بازالت/وینیل استر و بازالت/اپوکسی تحت آزمون‌های ضربه، کشش و خمش بررسی شد. نمونه‌ها با استفاده از روش لایه‌گذاری دستی به همراه تکنیک پرس گرم ساخته شدند و آزمون‌های استاندارد مکانیکی بر روی آن‌ها انجام گرفت. نتایج نشان داد که کامپوزیت زمینه اپوکسی به دلیل خواص مکانیکی برتر، در آزمون‌های کشش و خمش عملکرد بهتری نسبت به کامپوزیت زمینه وینیل استر داشت. در آزمون ضربه، نمونه بازالت/اپوکسی انرژی بیشتری جذب کرد اما تمامی انرژی جذب‌شده صرف گسترش آسیب‌های پیچیده داخلی مانند ترک‌خوردگی ماتریسی، لایه‌لایه‌شدن و شکست الیاف شد. در مقابل، نمونه بازالت/وینیل استر با جذب انرژی کمتر و مدت زمان ضربه طولانی‌تر در سطوح بالای انرژی، آسیب‌های متفاوتی را تجربه کرد. همچنین در سطح انرژی‌ پایین، در نمونه بازالت/وینیل استر بازگشت انرژی نسبی مشاهده شد که این موضوع نشان‌دهنده توانایی محدود این کامپوزیت در بازگشت به حالت اولیه است. این پژوهش اهمیت انتخاب ماتریس مناسب در بهبود عملکرد ضربه ای و مکانیکی کامپوزیت‌های تقویت شده با بازالت را برجسته می‌کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Comparison of mechanical properties and low velocity impact behavior of basalt/epoxy and basalt/vinyl ester composites

نویسندگان English

Hadi Rezghi Maleki 1
Pooya Parvandeh 2
1 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, University of Bonab, Bonab, Iran.
2 Faculty of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده English

Nowadays, composite structures are widely used in various industries due to their unique properties. Considering the applications of composites, it is essential to evaluate their mechanical properties and impact behavior. In this study, the behavior of basalt/vinyl ester and basalt/epoxy composites was tested under impact, tensile, and flexural tests. The samples were fabricated using the hand lay-up method with a hot press technique, and standard mechanical tests were conducted on them. The results showed that the epoxy matrix composite, due to its superior mechanical properties, performed better in tensile and flexural tests compared to the vinyl ester matrix composite. In the impact test, the basalt/epoxy sample absorbed more energy; however, all the absorbed energy was utilized in the propagation of complex internal damages such as matrix cracking, delamination, and fiber breakage. In contrast, the basalt/vinyl ester sample, with lower energy absorption and a longer impact time at higher energy levels, experienced different damages. Additionally, at lower energy levels, rebound energy was observed in the basalt/vinyl ester sample, indicating its limited ability to return to its original state. This study highlights the importance of selecting an appropriate matrix to enhance the impact and mechanical performance of basalt-reinforced composites.

کلیدواژه‌ها English

Mechanical properties
low velocity impact
basalt
epoxy
vinyl ester
[1]  Taheri-Behrooz, F.,  Torabia, M., “Low-Velocity Impact Performance of the Carbon/Epoxy Plates Exposed to the Cyclic Temperature“ Steel and Composite Structures, Vol. 48, No. 3, pp. 305-320, 2023.
[2]  Sadighi, M.,  Alderliesten, R., “Impact Fatigue, Multiple and Repeated Low-Velocity Impacts on Frp Composites: A Review“ Composite Structures, Vol. 297, pp. 115962, 2022.
[3]  Mani, M., Thiyagu, M.,  Krishnan, P. K., “Review of the Effects of Low-Velocity Impact Events on Advanced Fiber-Reinforced Polymer Composite Structures“ Materials Today: Proceedings, 2023.
[4]  Rojas-Sanchez, F.,  Waas, A. M., “Microscale Experimental Results and Their Implications for Mesoscale Modeling of Damage Initiation in Cross-Ply Fiber Reinforced Composites“ Composites Part B: Engineering, Vol. 257, pp. 110663, 2023.
[5]  Ma, B., Feng, Y., He, Y., Yang, F., Zhang, T.,  Fan, X., “Effects of Hygrothermal Environment on the Shear Behavior of Composite Stiffened Panels“ Composite Structures, Vol. 258, pp. 113341, 2021.
[6]  Banik, A., Zhang, C., Panyathong, D.,  Tan, K., “Effect of Equienergetic Low-Velocity Impact on Cfrp with Surface Ice in Low Temperature Arctic Conditions“ Composites Part B: Engineering, Vol. 236, pp. 109850, 2022.
[7]  Katunin, A., Pawlak, S., Wronkowicz-Katunin, A.,  Tutajewicz, D., “Damage Progression in Fibre Reinforced Polymer Composites Subjected to Low-Velocity Repeated Impact Loading“ Composite Structures, Vol. 252, pp. 112735, 2020.
[8]  Maharshi, K.,  Patel, S., “Experimental and Numerical Analysis of Lightweight Hybrid Composites under Low Velocity Impact“ Applied Composite Materials, pp. 1-20, 2024.
[9]  Azimpour-Shishevan, F., Mohtadi-Bonab, M., Akbulut, H.,  Rahmatinejad, B., “Low Velocity Impact Behavior of Twill Basalt/Epoxy Composites Modified by Graphene Nanoparticles“ Journal of Composite Materials, Vol. 57, No. 8, pp. 1379-1394, 2023.
[10] Ma, B., Cao, X., Feng, Y., Song, Y., Yang, F., Li, Y., Zhang, D., Wang, Y.,  He, Y., “A Comparative Study on the Low Velocity Impact Behavior of Ud, Woven, and Hybrid Ud/Woven Frp Composite Laminates“ Composites Part B: Engineering, Vol. 271, pp. 111133, 2024.
[11] Found, M.,  Howard, I., “Single and Multiple Impact Behaviour of a Cfrp Laminate“ Composite structures, Vol. 32, No. 1-4, pp. 159-163, 1995.
[12] Ezéckiel Amouzou, A. S., Sicot, O., Chettah, A.,  Aivazzadeh, S., “Experimental Characterization of Composite Laminates under Low-Velocity Multi-Impact Loading“ journal of composite materials, Vol. 53, No. 17, pp. 2391-2405, 2019.
[13] Lei, Z., Ma, J., Sun, W., Yin, B.,  Liew, K., “Low-Velocity Impact and Compression-after-Impact Behaviors of Twill Woven Carbon Fiber/Glass Fiber Hybrid Composite Laminates with Flame Retardant Epoxy Resin“ Composite Structures, Vol. 321, pp. 117253, 2023.
[14] Wu, Q., Chen, X., Fan, Z., Jiang, Y.,  Nie, D., “Experimental and Numerical Studies of Impact on Filament-Wound Composite Cylinder“ Acta mechanica solida sinica, Vol. 30, pp. 540-549, 2017.
[15] Shishevan, F. A., Akbulut, H.,  Mohtadi-Bonab, M., “Low Velocity Impact Behavior of Basalt Fiber-Reinforced Polymer Composites“ Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 26, pp. 2890-2900, 2017.
[16] Blanc-Vannet, P., “Burst Pressure Reduction of Various Thermoset Composite Pressure Vessels after Impact on the Cylindrical Part“ Composite Structures, Vol. 160, pp. 706-711, 2017.
[17] Taheri, F.,  Llanos, J. R., “Comparative Performance of Kevlar, Glass and Basalt Epoxy-and Elium-Based Composites under Static-, Low-and High-Velocity Loading Scenarios—Introduction to an Effective Recyclable and Eco-Friendly Composite“ Polymers, Vol. 16, No. 11, pp. 1494, 2024.
[18] Paknejada, R., Ashenai Ghasemi, F.,  Malekzadeh Fard, K., “Response of Fully-Clamped Composite Laminated Plate Subjected to Low-Velocity Impact by Using Galerkin Method“ Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 1, pp. 45-50, 2014.
[19] Ghajar, R.,  Rassaf, A., “Effect of Impactor Shape and Temperature on the Behavior of E-Glass/Epoxy Composite Laminates“ Modares Mechanical Engineering, Vol. 14, No. 10, 2015.
[20] Mirzaei, J.,  Taghipoor, H., “Experimental Investigation of Glass/Hemp Hybrid Composite Plates under Low-Velocity Impact Loading“ Journal of Aeronautical Engineering, Vol. 24, No. 2, pp. 125-136, 2022.
[21] Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials, Annual Book of Astm Standard, 06.04, D 3039m-08, 2017.
[22] Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials, Annual Book of Astm Standard, 06.04, D 790-17, 2017.
[23] Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event, Annual Book of Astm Standard, 06.04, D D7136m-20, 2020.