Вплив вбудовування вуглецевих нанотрубок на механічні властивості деламінованих композитних пластин із полімеру з вуглецевим волокном

Анотація

Композити на основі полімеру, армованого вуглецевим волокном (CFRP), широко застосовуються в авіакосмічній, автомобільній та цивільній інфраструктурі завдяки їхній винятковій питомій жорсткості та міцності. Розшарування є одним із критичних параметрів у композитних матеріалах. Проте міжшарове розшарування залишається основним механізмом руйнування, що суттєво підриває структурну цілісність. У даному дослідженні розглянуто вплив армування багатошаровими вуглецевими нанотрубками, введеними шляхом диспергування на рівні матриці, на механічну поведінку CFRP‑ламінатів із попередньо створеними круговими зонами розшарування різних діаметрів (10, 20 та 30 мм) у середній площині. Квазі-ізотропні ламінати [0/45/−90/−45]ₛ (номінальна товщина 4 мм) були виготовлені методом вакуумної інфузії смоли. Було досліджено три масові частки багатошарових вуглецевих нанотрубок (0, 0,3 та 0,5%). Зразки охарактеризовано за допомогою випробувань на розтяг, стиск, короткобалковий зсув, руйнування за модою I методом подвійної консольної балки та стиск після удару. Для картування повноформатних розподілів деформацій застосовано цифрову кореляцію зображень. Введення 0,3% багатошарових вуглецевих нанотрубок підвищило міжшарову міцність на зсув на 18,3%, Gᴵc за модою I на 34,4% та міцність на стиск після удару на 22,0% порівняно з чистим CFRP із еквівалентним розшаруванням. При 0,5 мас.% ефекти агломерації частково нівелювали ці покращення. Фрактографічна сканувальна електронна мікроскопія виявила механізми підвищення тріщиностійкості: витягування нанотрубок, місткове з’єднання тріщин та відхилення мікротріщин у матриці. Отримані результати демонструють, що легування багатошаровими вуглецевими нанотрубками з низькою концентрацією є ефективною стратегією для зменшення деградації, спричиненої розшаруванням, у конструкційних панелях CFRP.Композити на основі полімеру, армованого вуглецевим волокном (CFRP), широко застосовуються в авіакосмічній, автомобільній та цивільній інфраструктурі завдяки їхній винятковій питомій жорсткості та міцності. Розшарування є одним із критичних параметрів у композитних матеріалах. Проте міжшарове розшарування залишається основним механізмом руйнування, що суттєво підриває структурну цілісність. У даному дослідженні розглянуто вплив армування багатошаровими вуглецевими нанотрубками, введеними шляхом диспергування на рівні матриці, на механічну поведінку CFRP‑ламінатів із попередньо створеними круговими зонами розшарування різних діаметрів (10, 20 та 30 мм) у середній площині. Квазі-ізотропні ламінати [0/45/−90/−45]ₛ (номінальна товщина 4 мм) були виготовлені методом вакуумної інфузії смоли. Було досліджено три масові частки багатошарових вуглецевих нанотрубок (0, 0,3 та 0,5%). Зразки охарактеризовано за допомогою випробувань на розтяг, стиск, короткобалковий зсув, руйнування за модою I методом подвійної консольної балки та стиск після удару. Для картування повноформатних розподілів деформацій застосовано цифрову кореляцію зображень. Введення 0,3% багатошарових вуглецевих нанотрубок підвищило міжшарову міцність на зсув на 18,3%, Gᴵc за модою I на 34,4% та міцність на стиск після удару на 22,0% порівняно з чистим CFRP із еквівалентним розшаруванням. При 0,5 мас.% ефекти агломерації частково нівелювали ці покращення. Фрактографічна сканувальна електронна мікроскопія виявила механізми підвищення тріщиностійкості: витягування нанотрубок, місткове з’єднання тріщин та відхилення мікротріщин у матриці. Отримані результати демонструють, що легування багатошаровими вуглецевими нанотрубками з низькою концентрацією є ефективною стратегією для зменшення деградації, спричиненої розшаруванням, у конструкційних панелях CFRP.