Elektroeğirme Nanofiber Takviyeli Cam/epoksi Kompozitlerin Düşük Hızlı Darbe Hasar Davranışları ve Sonlu Elemanlar Simülasyonu

Abstract

Bu çalışmada elektroeğirme yöntemiyle üretilen saf Polisülfon (PSF), ağırlıkça %1 ve %2 SiC-Fe3O4 nanopartikül katkılı hibrit PSF nanofiberlerin cam/epoksi kompozitlerde düşük hızlı darbe davranışına etkileri incelenmiştir. Elektroeğrilmiş nanofiber keçeler her bir cam kumaş tabakaları arasına yerleştirilerek vakum destekli el yatırma yöntemiyle nanofiber takviyeli cam/epoksi kompozitler üretilmiştir. Referans cam/epoksi ve nanofiber takviyeli cam/epoksi kompozitler, malzeme özelliklerinin belirlenmesi için düzlem içi quasi-statik mekanik testlere tabi tutulmuştur. Düzlem dışı düşük hızlı darbe testleri 10 J, 20 J ve 30 J enerji seviyelerinde gerçekleştirilmiştir. Hasarlı numunelerin ön ve arka yüzeyleri fotoğraflanarak darbe hasar alanları ölçülmüştür. Ayrıca 30 J enerji seviyesindeki düşük hızlı darbe testleri sonrası hasarlı numunelerin kesitsel kırılma yüzeyleri optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Referans ve nanofiber takviyeli cam/epoksi kompozitlerin düşük hızlı darbe simülasyonları LS-DYNA sonlu elemanlar yazılımıyla gerçekleştirilmiştir. Tabakalar arasına yerleştirilen saf ve hibrit PSF nanofiber keçeler cam/epoksi kompozitlerin çekme ve basma mukavemetlerini arttırarak düzlem içi mekanik özelliklerini iyileştirmişlerdir. Nanofiber takviyeli kompozitler artan darbe enerjisiyle birlikte referans kompozite kıyasla darbe hasarı eşik kuvveti değerini artırarak, absorbe edilen enerjiyi ve fiber kırılma alanlarını önemli oranda azaltarak darbe direncinde iyileşme sağlamışlardır. En iyi darbe direnci artışı ağırlıkça %1 SiC-Fe3O4 nanopartikül katkılı hibrit PSF nanofiber takviyeli cam/epoksi kompozitlerde gözlenmiştir. Düşük hızlı darbe testlerinin deneysel ve simülasyon sonuçları kuvvet-zaman, kuvvet-yer değiştirme ve enerji-zaman eğrileri üzerinde karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Simülasyon sonuçları ve deneysel sonuçlar arasında iyi bir uyum elde edilmiştir.

In this study, the effects of pure Polysulfone (PSF), 1 wt% and 2 wt% SiC-Fe3O4 nanoparticle-doped hybrid PSF nanofibers produced by the electrospinning method on low-velocity impact behavior in glass/epoxy composites were investigated. Nanofiber reinforced glass/epoxy composites were manufactured using a vacuum-assisted hand lay-up method by incorporating the nanofibers between each successive ply. Reference glass/epoxy and nanofiber reinforced glass/epoxy composites were subjected to in-plane quasi-static mechanical tests to determine the material properties. Low-velocity impact tests were performed at 10 J, 20 J, and 30 J energy levels. The front and back surfaces of the damaged specimens were photographed, and the impact damage areas were measured. In addition, after the impact tests at 30 J energy level, the cross-sectional fracture surfaces of the damaged samples were examined by optical microscope and scanning electron microscope (SEM). Low-velocity impact simulations of reference and nanofiber reinforced glass/epoxy composites were carried out using LS-DYNA finite element software. PSF nanofiber interleaving enhanced in-plane mechanical properties by increasing the tensile and compression strengths of glass/epoxy composites. Compared to the reference composite, nanofiber reinforced composites significantly improved the impact resistance by increasing impact damage threshold load, reducing the energy absorbed and the fiber breakage areas with increased impact energy. The best improvement in impact resistance was observed in 1 wt% SiC-Fe3O4 doped hybrid PSF nanofiber reinforced glass/epoxy composites. Experimental and simulation results of low-velocity impact tests were presented comparatively on force-time, force-displacement, and energy-time curves. A good agreement was achieved between the simulation and experimental results.