در این پژوهش، کامپوزیت­های زمینه پلیمری (رزین اپوکسی) تقویت شده توسط پارچه بافته شده از الیاف شیشه­ای E-glass به دو روش لایه­گذاری دستی و تزریق رزین به کمک خلأ (VIP) ساخته شدند و رفتار خستگی آن­ها مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج حاصل از آزمون کشش، استحکام کششی در نمونه­های تولید شده به روشVIP (MPa 362) بیشتر از نمونه‏های تولید شده به روش لایه­گذاری دستی (MPa 242) بود. بر اساس نتایج آزمون خستگی کشش-کشش (1/0=R)، عمر خستگی بیشتری برای نمونه­های VIP مشاهده شد در دامنه تنش MPa67، نمونه­های VIP، 106×11/2 سیکل را تا زمان واماندگی تحمل کردند در حالی که، در دامنه تنش پایین­تر MPa61، نمونه­های دستی 105×29/1 سیکل را تحمل نمودند. تعداد سیکل واماندگی نمونه­های VIP در تنش خستگی MPa200، برابر با 103×0/5 به دست آمد. اما، همین پارامتر برای نمونه‏های دستی در تنش خستگی پایین­تر MPa150 برابر با 103×2/1 حاصل شد. با توجه به نمودار S-N رسم شده، در تعداد سیکل ثابت 100،000 دامنه تنش قابل تحمل نمونه دستی حدود MPa60 تخمین زده شد؛ در صورتی دامنه تنش متناظر برای نمونه VIP حدود MPa90 بود. با توجه به تصاویر SEM سطح شکست نمونه­ها، مکانیزم­های واماندگی غالب برای نمونه­های ساخته شده به روش لایه‏گذاری دستی تحت بار خستگی به صورت جدایش لایه­ها و بیرون آمدن الیاف مشاهده شد. در حالی که، مکانیزم­های واماندگی برای نمونه­های ساخته شده به روش VIP، جدایش الیاف از زمینه و ترک خوردن زمینه بود. نتایج حاصل از آنالیز وزن­سنجی حرارتی (TGA)، تنها نشان دهنده وجود اتصال مکانیکی بین الیاف و زمینه بود، که جدایش الیاف از زمینه و بیرون آمدن الیاف مشاهده شده در تصاویر SEM را توجیه می­کرد. بر اساس نتایج حاصل از این آنالیز، درصد وزنی الیاف برابر با 69% و 52% برای نمونه­های ساخته شده به روش VIP و لایه­گذاری دستی محاسبه شد.

فهرست مطالب

عنوان                                        صفحه

فصل 1- مقدمه.. 1

1-1- کلیات… 2

1-2- اجرای پروژه. 6

1-3- هدف از انجام تحقیق… 7

فصل 2- مروری بر منابع.. 8

2-2- تعریف مواد کامپوزیتی… 10

2-3- سیستم‏های کامپوزیتی تقویت‏شده با الیاف (FRC). 12

2-4- کامپوزیت‏های زمینه پلیمری (PMC). 12

2-4-1- رزین‏های مورد استفاده در کامپوزیت زمینه پلیمری… 12

2-4-2- الیاف (تقویت‏کننده). 15

2-5- ساخت کامپوزیت‏ها. 17

2-5-1- لایه‏گذاری دستی… 17

2-5-2- فرایند قالب‏گیری کیسه‏ای… 18

2-5-3- رشته پیچی… 18

2-5-4- برون‏کشی… 18

2-6- کاربردهای کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 20

2-6-1- کاربرد در صنعت اتومبیل‏سازی… 20

2-6-2- کاربردهای دریایی… 21

2-6-3- کاربردهای هوا-فضا. 22

2-6-4- مواد کامپوزیتی در تکنولوژی انرژی بادی… 23

2-7- خستگی… 25

2-8- خستگی در مواد کامپوزیتی زمینه پلیمری… 27

2-8-1- آسیب خستگی… 28

2-8-2- مدهای مختلف واماندگی خستگی در مواد کامپوزیتی… 31

2-8-3- مقایسه‏ای بین شکست خستگی و استاتیکی… 32

2-8-3-1- واماندگی‏های بین لایه‏ای… 33

2-8-3-1-1- مورفولوژی‏های شکست در مد I بارگذاری سیکلی… 33

2-8-3-1-2- مورفولوژی‏های شکست در مد II بارگذاری سیکلی… 34

2-8-3-1-3- مورفولوژی‏های شکست در مد ترکیبی I/II بارگذاری سیکلی… 35

2-8-3-2- واماندگی داخل لایه‏ای… 37

2-9- فاکتورهای تأثیرگذار بر روی رفتار خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 38

2-9-1- نوع الیاف… 38

2-9-2- زمینه و محیط… 40

2-9-3- شرایط بارگذاری… 41

2-10- آزمون‏های مکانیکی متداول بر روی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 43

2-10-1- آزمون کشش…. 43

2-10-2- آزمون فشار. 44

2-10-3- آزمون خستگی… 45

2-11- آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 46

2-12- مروری بر تحقیقات انجام شده. 48

2-12-1- تحقیقات انجام شده در رابطه با روش‏های مختلف ساخت کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 48

2-12-2- تحقیقات انجام شده در رابطه با آزمون کشش کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 49

2-12-3- تحقیقات انجام شده در رابطه با خواص خستگی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 50

2-12-4- تحقیقات انجام شده در رابطه با مکانیزم واماندگی خستگی… 51

2-12-5- تحقیقات انجام شده در رابطه با آنالیز حرارتی کامپوزیت‏های زمینه پلیمری… 56

فصل 3- مواد آزمایش و روش تحقیق… 58

3-1- مشخصات رزین… 59

3-2- روش‏های ساخت نمونه.. 60

3-2-1- روش لایه‏گذاری دستی… 60

3-2-2- روش تزریق رزین به کمک خلأ (VIP). 61

3-3- آماده‌سازی نمونه.. 63

3-4- انجام آزمون کشش بر روی نمونه‏های آماده شده. 64

3-5- انجام آزمون خستگی… 65

3-5-1- مشخصات نمونه‏های تست خستگی… 66

3-5-2- آزمون خستگی کشش–کشش…. 67

3-6- آنالیز وزن سنجی حرارتی (TGA). 69

3-7- تصویربرداری SEM… 70

فصل 4- نتایج و بحث… 71

4-1- نتایج آنالیز وزن‏سنجی حرارتی (TGA). 72

4-2- نتایج تست کشش…. 76

4-3- نتایج آزمون خستگی… 78

4-3-1- ترسیم منحنی S-N با بهره گرفتن از روابط مختلف خستگی… 84

4-3-2- مقایسه منحنی‏های S-N کامپوزیت‏های تولید شده به وسیله فرایندهای دستی و VIP.. 90

4-3-3- مقایسه منحنی‏های S-N به دست آمده در فرایندهای ساخت VIP و دستی با استاندارد GL.. 92

4-4- نتایج تصویربرداری SEM… 97

 

4-4-1- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه‏های دستی… 97

4-4-2- نتایج تصویربرداری SEM از سطوح شکست خستگی نمونه‏های VIP.. 102

4-4-3- مقایسه مکانیزم‏های واماندگی خستگی برای نمونه‏های دستی و VIP.. 107

فصل 5- نتیجه‏گیری و پیشنهادات… 110

5-1- نتیجه‏گیری… 111

5-2- پیشنهادات… 113

6- مراجع.. 114

– مقدمه

1-1- کلیات

افزایش تأثیرات منفی انرژی فسیلی بر روی محیط زیست، مانند گرم شدن جهانی و بحران در دسترس بودن انرژی، بسیاری از کشورها را بر آن داشته است که از انرژی­های جایگزین دیگری مانند انرژی خورشید، باد و خورشید-هیدروژن استفاده کنند. این انرژی­ها تجدیدپذیر و دوست­دار محیط زیست هستند، به گونه‏ای که پاسخ­گوی تقاضای روزافزون بشر برای انرژی می­باشند. انرژی باد، سریع­ترین منبع انرژی رو به رشد در جهان، یک منبع انرژی تجدیدپذیر و تمیز است. اکنون کشورهای بسیاری، به خصوص در اروپا، ایالات متحده آمریکا، چین و ملل دیگر، توجه خاصی به این منبع انرژی دارند ]1[.

بر اساس اطلاعات سازمان انرژی­های نو ایران (سانا)،استفاده از انرژی باد در طول سالیان اخیر بیشترین رشد را در مقایسه با سایر انرژی­های نو تجربه کرده است و توربین­های بادی هر روز بهینه­تر و با ظرفیت توان بیشتر به بازار عرضه می­شوند. تاریخچه انرژی بادی یک سیر تکاملی را به استفاده از قطعات سبک و ساده برای به حرکت درآوردن پره­ها بوسیله نیروی بازدارنده[1] طی کرده است. آسیاب­های بادی که در قدیم مورد استفاده قرار می­گرفتند نخستین نوع توربین­های بادی بودند که به عقیده تمامی کارشناسان نخستین بار توسط ایرانیان به کار گرفته شد ]2[.

با وجود این پیشینه ارزشمند تاریخی و علی‌رغم پتانسیل­های موجود و مناطق مستعد بادخیز کشور، توسعه صنعت باد در ایران با پیشرفت مناسبی روبرو نشده است. در حال حاضر در وزارت نیرو، نصب MW5000 نیروگاه تجدیدپذیر در قانون برنامه پنجم توسعه هدف­گذاری شده است که از این میزان MW4500 آن برای توسعه باد در نظر گرفته شده است و می‌توان گفت در پنج سال آینده قریب به MW4000 بازار برای توسعه بخش خصوصی وجود خواهد داشت. هم اکنون سایت­های بادی بینالود و منجیل، بزرگ­ترین سایت­های بادی کشور محسوب شده که تقریبا MW100 از برق مورد نیاز کشور را تامین می­ کنند، این مقدار سهم ناچیزی از مقدار کل انرژی برق تولید شده در کشور را تشکیل می­دهد ]2[.

اما بر خلاف رویه موجود در داخل کشور، سایر کشورهای جهان به طور گسترده در راستای توسعه صنعت بادی خود گام برداشته اند و میزان انرژی الکتریکی تولید شده بوسیله باد روز به روز سهم بیشتری از کل انرژی تولیدی جهان را تشکیل می­دهد. به عنوان نمونه ­ای از سیاست­گذاری­های کلان در این زمینه می­توان به تصمیم اتحادیه اروپا برای تولید 20% از انرژی خود از منابع پاک تا سال 2020 اشاره کرد. شکل 1-1 ظرفیت کلی انرژی بادی تولیدی در جهان را تا سال 2011 را نشان می­دهد ]2[.

شکل 1-1- ظرفیت کلی انرژی بادی تولیدی در جهان تا سال 2011 ]2[.

جدول1-1 نیز میزان ظرفیت نیروگاه­های بادی نصب شده در کشورهای شاخص استفاده کننده از انرژی باد را نشان می­دهد ]2[.

جدول1-1- ظرفیت نیروگاه‌های بادی نصب شده در کشورهای پیشرو ]2[.

نام کشور
مجموع ظرفیت نیروگاه‏های بادی (گیگاوات)
چین
65
ایالات متحده
48
آلمان
30
اسپانیا
23
هند
16
فرانسه
8
اغلب پره­های توربین، چه کوچک و چه بزرگ، قسمت­های اصلی مشابهی دارند: پره­ها، شفت­ها، چرخ­دنده­ها، ژنراتور، و یک کابل (برخی از توربین­ها ممکن است دارای جعبه دنده نباشند). کلیه این قسمت­ها با هم کار می­ کنند تا انرژی باد را به الکتریسیته تبدیل نمایند. در این بین، پره یکی از مهمترین اجزای توربین­های بادی است که وظیفه آن تولید نیروی