Akadēmiskais centrshttps://doi.org/10.22364/mkm.58.4.10
Н. Гупта1, 2, С. Р. Хиремат1, Д. Р. Махапатра1, 2
1 Department of Aerospace Engineering, Indian Institute of Science, Bangalore 560012, India
2 Department of Metallurgical and Materials Engineering, National Institute of Technology Raipur 492010, India
Влияние перекрытия микротрещин на свойства эпоксидных композитов с углеродными нанотрубками при растяжении и сжатии
Перевод с англ.
Полный текст: PDF (RUS)
Рассмотрены перекрытие микротрещин и оптимальный режим диспергирования углеродных нанотрубок (CNT) в эпоксидной матрице волокнисто-армированного стеклопластика (GFRP). Цель диспергирования CNT — достижение улучшенных механических и регулируемых тепловых/диэлектрических свойств композита. Потребность в таких электропроводящих композитах по сравнению с дорогостоящей углеродной тканью общепризнана. Результаты подтверждены с помощью теоретической модели. Модель связывает ухудшение жесткости композитов с наличием трещин в матрице композита. Моделирование представительного объемного элемента слоистого композита методом конечных элементов демонстрирует влияние CNT на микротрещины и эффективную жесткость. Результаты, полученные путем теоретического и конечно-элементного моделирования, коррелируют с экспериментальными данными и объясняют повышенную прочность благодаря добавлению CNT. Исследование показало, что определенные условия обработки в сочетании с действием диспергирующих агентов снижают пористость, остаточное напряжение и обеспечивают постоянный эффект дисперсионного упрочнения при добавлении всего лишь 0,1% по массе CNT, улучшающего свойства при растяжении и сжатии. Обработка CNT этанолом уменьшает силы Ван-дер-Ваальса между CNT и вязкость эпоксидной матрицы. Повышение жесткости и прочности стеклопластика при введении CNT происходит прежде всего за счет эффективного перекрытия микротрещин и изменения пути передачи нагрузки.
Ключевые слова: стеклоткань, композит, микротрещина, микромеханика, моделирование конечно-элементное
Поступила в редакцию 07.05.2021
Окончательный вариант поступил 12.01.2022
Статья на английском языке: Springer
N. Gupta, S. R. Hiremath, and D. R. Mahapatra
Micro-crack bridging effects on the tensile and compressive strengths of CNT-epoxy composites
Micro-crack bridging and an optimal regime for dispersion of carbon nanotubes (CNTs) in the E-glass fabric reinforced polymer (GFRP) matrix are considered. The purpose of CNT dispersion in the glass fabric is to achieve the enhanced mechanical and tunable thermal/dielectric properties. The requirement for such conducting composites compared to high-cost carbon fabric is well recognized. The results are validated with the help of a theoretical model. The model relates to the stiffness degradation of the composites and the matrix cracks present in the composites. Finite element simulation of a representative volume element of the laminate shows the effect of CNTs on the microcracks and effective stiffness. The results obtained from the theoretical and finite element simulations are correlated to the experimental data and explain the increased strength due to the addition of CNT. This study shows that certain specific processing conditions in combination with the effect of dispersant agents reduce the porosity, residual stress and present a consistent dispersion strengthening effect with as low as 0.1 wt% CNT addition, resulting in improved tensile and compressive properties. The treatment of CNTs with ethanol reduces the Van der Waals forces among CNTs and decreases the epoxy matrix viscosity. Enhancement in the CNT-GFRP stiffness and strength appears primarily due to effective micro-crack bridging and changes in the load transfer path.
Keywords: glass fabric, composite, micro-crack, micromechanics, finite element simulation
Received May 7, 2021 (Jan. 12, 2022)