چکیده

مواد خودترمیم موادی هستند که در صورت ایجاد ترک در آن‌ها قابلیت ترمیم ترک را دارند هنگامی‌که یک ماده دچار خستگی می‌شود ممکن است ترک‌های ریزی در آن ایجاد شود این ترک‌های ریز باعث‌ می‌شوند میکروکپسول‌های جاسازی‌شده در ماده شکسته‌شده و عامل ترمیمی موجود در میکروکپسول‌ها رها شده و ترک را پرکنند مشکل این است که میکروکپسول‌ها یک-بارمصرف بوده و برای ترمیم ترک بعدی ناتوان می‌باشند مواد خودترمیم نیازمند ساختاری مانند رگ‌های بدن می‌باشند که زخم‌ها را به‌طور مداوم‌ ترمیم کند راه‌حل برای رفع مشکل یک‌بارمصرف بودن میکروکپسول‌ها استفاده از شبکه‌های آوندی حاوی سیال ترمیمی در ماده می‌باشد در این پژوهش به مطالعه شبکه‌های آوندی جاسازی‌شده در مواد خودترمیم پرداخته‌شد این آوندها وظیفه رساندن عامل ترمیمی را به محل‌های موردنظر به‌وسیله سیال درون خود دارند بنابراین طراحی ساختار آوندها اهمیت بسیار بالایی دارد وقتی یک ترک در ماده شکل می‌گیرد فشار در محل ترک کاهش می‌یابد و این اختلاف فشار باعث حرکت سیال (عامل ترمیمی) به محل ترک می‌شود هدف از این پژوهش کاهش مقاومت کلی جریان می‌باشد به‌طوری‌که عوامل ترمیم در کمترین زمان ممکن به محل ترک رسیده و آن محل را پر کنند پارامترهای مختلفی برای بهبود این شبکه‌های آوندی وجود دارد از جمله پارامترهای موثر در طراحی شبکه‌های آوندی قطر کانال‌ها، نحوه‌ی چیدمان شبکه‌های آوندی و تعداد منابع ورودی جریان در ماده می‌باشند که در این پژوهش این طراحی بر مبنای تئوری ساختاری انجام شد ساختار درنظرگرفته شده برای این پژوهش شامل یک ترک می‌باشد که در مرکز ساختار و به‌صورت سکه فرض شده است بخش اول پژوهش تشریح آنالیز تحلیلی ساختار به منظور اطمینان از صحت انجام پژوهش و اعتبارسنجی نتایج مورد بررسی قرار گرفت در ساختار بررسی شده در آنالیز تحلیلی با توجه به ثابت بودن فشار سیال ترمیمی در شبکه، به‌محض ایجاد ترک به اندازه حجم ترک، سیال ترمیمی از منابع جریان با دبی ثابت به داخل محل ترک تزریق می‌شود با نوشتن معادلات بقای جرم در هر گره و معادله اختلاف فشار بین هر دو گره و حل در نرم‌افزار Matlab مقادیر فشار در گره‌ها بدست آمد در بخش دوم پژوهش ساختار بررسی‌شده در آنالیز تحلیلی و ساختارهای دیگری برای بهبود عملکرد ساختار اولیه به‌منظور کاهش مقاومت جریان به‌صورت عددی توسط نرم‌افزار Ansys Fluent مورد بررسی قرار گرفت نتایج حاکی از این است که استفاده از دو اندازه قطر کانال به جای یک اندازه قطر کانال و همچنین استفاده سه اندازه قطر کانال به جای یک و دو اندازه قطر کانال با چیدمان‌های خاص سبب کاهش مقاومت جریان سیال ترمیمی می‌باشد همچنین کاهش منابع جریان ورودی علاوه بر کاربردی‌تر کردن مسئله باعث کاهش مقاومت جریان می‌شود مقاومت جریان بی‌بعد برای اولین ساختار بررسی شده در حل عددی 7/123 می‌باشد که با کاهش منابع جریان ورودی و استفاده از دو و سه اندازه‌ قطر کانال به جای یک اندازه قطر این مقاومت جریان بی بعد کاهش یافت بهترین عملکرد مربوط به ساختاری با دو اندازه قطر کانال و 4 منبع ورودی جریان با مقاومت جریان بی بعد 09/75 می باشد


فصل اول: مقدمه 2
1-1 پیشگفتار 2
1-2 تعریف خاصیت خودترمیم شوندگی 3
1-3 موادی که‌ترمیم در آن‌ها موردنیاز است 3
1-3-1 پلاستیک‌ها و پلیمرها 3
1-3-2 رنگ‌ها 4
1-3-3 فلزات 4
1-3-4 سرامیک‌ها و بتن‌ها 4
1-4 مقدمات لازم برای ایجاد خودترمیم شوندگی 5
1-5 انواع آسیب‌ها در کامپوزیت‌های پلیمری و انواع مواد پلیمری 6
1-6 خودترمیم شوندگی ذاتی 8
1-7 خودترمیم شوندگی غیر ذاتی و روش‌های مختلف آن 8
1-7-1 کپسوله‌کردن عامل ترمیمی 9
1-7-2 خودترمیم شوندگی بر اساس الیاف توخالی 10
1-7-3 خودترمیم شوندگی با شبکه‌های آوندی 11
1-8 مدل‌سازی و طراحی شبکه‌های ریزآوندی دو و سه‌بعدی 12
1-9 مزایا و محدودیت‌های خودترمیم شوندگی ریزآوندی 13
1-10 قراردهی ترکیبات خودترمیم شونده‌ی دوجزئی درون شبکه‌های ریزآوندی 14
1-11 روش‌های ایجاد شبکه‌های ریزآوندی 14
1-12 ارزیابی خودترمیم شوندگی در کامپوزیت‌های ریزآوندی 15
1-13 اصول و نکات لازم در انتخاب و استفاده از عوامل ترمیمی و کاتالیست 16
1-14 دی‌سایکلوپنتادین شناخته‌شده‌ترین عامل ترمیمی 17
1-15 بررسی امکان کاربردیسازی سیستم خودترمیمی DCPD-Grubbs در صنعت 17
1-16 کاربرد مواد خودترمیم‌شونده 17
1-16-1 کاربردهای بدون رویکرد کاهش هزینه 18
1-16-2 کاربردهایی با رویکرد کاهش هزینه‌ها 19
1-17 معرفی پروژه حاضر و اهداف آن 19
1-18 مراحل انجام تحقیق

فصل دوم: مروری بر کارهای انجام‌شده 21
2-1 مقدمه 21
2-2 مواد خودترمیم 22
2-3 تئوری ساختاری 28
2-4 چرا قانون ساختارها یک قانون فیزیکی می‌باشد؟ 28
2-5 قانون ساختارها 29
2-6 تئوری ساختاری در یک نگاه کامل و کاربردی 29
2-7 ساختارهای جریانی خودترمیم 31

فصل سوم: آنالیز تحلیلی ساختار آوندی 36
3-1 مقدمه 36
3-2 آنالیز تحلیلی 37
3-3 فرضیات استفاده‌شده در آنالیز تحلیلی 40
3-4 روش حل 41

فصل چهارم: ارائه و تحلیل نتایج آنالیز عددی 44
4-1 هندسه حاکم بر مسئله 44
4-2 معادلات حاکم 47
4-3 بررسی استقلال از مش روی نتایج عددی 47
4-4 شرایط مرزی و اولیه 46
4-5 صحت سنجی نتایج 50
4-6 نتایج ساختار اول با 24 منبع جریان ورودی و یک اندازه قطر کانال 52
4-7 ساختار با توزیع 24 منبع جریان ورودی و کانال‌هایی با دو اندازه قطر 59
4-8 ساختار با توزیع 16 منبع جریان روی محیط ساختار و کانالهایی با یک اندازه قطر 71
4-9 ساختار با توزیع 16 منبع جریان روی محیط و کانال‌‌‌هایی با دو اندازه قطر 75
4-10 ساختار با توزیع 16 منبع جریان روی محیط و کانال‌هایی با سه اندازه قطر 80
4-11 ساختار با توزیع 4 منبع جریان روی محیط و کانال‌‌‌هایی با یک اندازه قطر 81
4-12 ساختار با توزیع 4 منبع جریان روی محیط و کانال‌هایی با دو اندازه قطر 84
4-13 ساختار با توزیع 4 منبع جریان روی محیط و کانال‌هایی با سه اندازه قطر 89
فصل پنجم: نتیجه‌گیری و پیشنهاد 91
5-1 نتیجه‌گیری 91
5-2 پیشنهاد‌ها 92
مراجع 94


مقدمه

3-3 پیشگفتار

پلیمرها و کامپوزيتهای پلیمری به دلیل برخورداری از ويژگیهای مختلف از قبیل پايداری شیمیايی در شرايط اتمسفری مختلف بهطور گسترده در بسیاری از زمینههای مهندسی و صنايع مختلف از قبیل نظامی فضايی ساختمانی و غیره کاربرد دارند. از مشکلاتی که بشر طی استفاده از اين مواد با آن روبروست تخريب آسان آنها به هنگام قرار گرفتن در شرايط ناملايم است. اين موضوع سبب افت خواص مکانیکی و کاهش طول عمر مواد پلیمری میشود .

ترمیم درجای مواد پلیمری ابتدا نیاز به تشخی محل تخريب توسط بازديد يا دستگاههايی مانند فراصوت و تابش ايکس و سپس فرايند زمانبر ترمیم دارد. در بسیاری از مواد پلیمری که محل آسیبديده برای تشخی و اعمال ترمیم دسترسناپذير است خودترمیمی حايز اهمیت است. به دنبال پژوهش و تلاشهای زيادی که در اين زمینه انجام شده است دسته جديدی از مواد هوشمند با عنوان مواد خودترمیمی تهیهشدهاند که قابلیت ترمیم خود را به هنگام ايجاد صدمه و آسیب دارند. خاصیت خودترمیمی در اين مواد منجر به افزايش طول عمر آنها کاهش هزينه-های جايگزينی قطعات جديد و افزايش ايمنی میشود. طراحی مواد هوشمندی که در برابر تنشهای محیطی شامل اکسايش تابش سايش ضربه و گرما مقاوم باشند همواره موردتوجه بوده است. اگر مادهای قابلیت خودترمیمی مانند آنچه در موجودات زنده هنگام مواجهه با آسیبها اتفاق میافتد داشته باشد افزون بر عمر مفید بیشتر هزينههای تعمیر و نگهداری را حین کاربری کاهش میدهد. گرچه تعداد محدودی از پلیمرها بهطور ذاتی قابلیت ترمیم خودبه-خودی را دارند اما عمده مواد پلیمری اين قابلیت را ندارند .پس دخالت بشر برای ترمیم آسیب واردشده ضروری است. مرسومترين روشهای ترمیم شامل تزريق رزين به محل آسیبديده وصلهکاری و جوشکاری است. اما در اکثر موارد محل ترمیمشده به ضعیفترين نقطه در ماده تبديل میشود .ازآنجاکه در بسیاری از کاربردها دسترسیبه منطقه آسیبديده برای تشخی آسیب و سپس ترمیم آن غیرممکن است ايجاد قابلیت خودترمیمی در مقیاسمیکروسکوپی و نانوسکوپی اهمیت میيابد. اين مسئله در صنايع هوايی و فضايی بسیار موردتوجه است[2].

3-2 تعریف خاصیت خودترمیم شوندگی

واژه خودترمیم شوندگی يعنی بازيابی خودبهخود خواص اولیه ماده پس از تخريب ماده توسط عامل خارجی .اين اصطلاح بهصورت نظری چنین تعريفشده است: سیستم موادی که بتواند تنها در معرض حملهی عامل تخريبی عوامل ترمیمکننده آزاد کند بهصورتی که انسجام فیزيکی و استحکام مکانیکی خود را پس از تخريب بازيابد. به اين مواد هوشمند در اصطلاح مواد خودترمیم اطلاق میشود[4].

3-1 موادي کهترمیم در آنها موردنیاز است

اغلب مواد با پیشرفت ترکهای ساختاری دچار انهدام میشوند. نوک هر ترک مانند چاقو مواد را برش میدهد و در قطعه پیش میرود که باگذشت زمان باعث رشد ترک و تخريب مکانیکی قطعه میشود. برای مقابله با اين نوع آسیب و يا ترمیم آن لازم است مانع از رشد آن شويم. بهطورکلی مواد خودترمیم شونده را میتوان به چهار دسته تقسیم کرد:2- پلاستیکها و پلیمرها 4- رنگ و پوششها 9- فلزات 2- سرامیکها و بتنها. در ادامه به توضیح هرکدام از اين موارد میپردازيم[9].

3-1-3 پلاستیکها و پلیمرها

پلیمرها ازنقطهنظر تنوع ترکیبی و نیز خواص مکانیکی مدنظر قرار دارند. بااينوجود پلاستیکها حتی تحت شرايط سايش معمولی مستعد به ايجاد ترک و رشد آن هستند و نیاز به ترمیم آسیب در آنها وجود دارد. معمولترين روش برای خودترمیمشونده کردن پلیمرها ذخیرهی عامل ترمیمی در میکروکپسولهايی است که در معرض ترک میشکنند و پس از رهايش باعث چسباندن لايههای ترک میشود و رشد ترک متوقف میگردد. روش ديگر استفاده از الیاف توخالی و شبکههای آوندی میباشند که با عامل ترمیمی پر میشود تا در معرض آسیب الیاف يا آوندها محتوی خود را آزاد نمايند. چنین روشی ابتدا در مرکز تحقیق تکنولوژیهای فضايی اروپا) ESTEC(2 در هلند و توسط گروه تحقیقاتی بانر در دانشگاه بريستول انگلستان مطالعه شده است[9].

3-1-2 رنگها

رنگها صرفنظر از زيبايی ظاهری بهعنوان محافظی برای سطح استفاده میشوند. سازوکار ترمیم رنگها نیزمشابه با روش قبلی است با اين تفاوت که در رنگها سايش عموماً در اثر خراش سايیدگی و يا ضربه اتفاق میافتد .

در اين مورد بازيابی خواص مکانیکی چندان مطرح نیست بلکه هدف از ترمیمپذير ساختن رنگها بازيابی نقش حفاظتی آن است. بهاينعلت بعضاً در رنگها بهجای استفاده از عامل ترمیمی از بازدارندهی خوردگی استفاده میشود تا خوردگی زير لايه متوقف شود. هرچند ترمیم سطح کامل اتفاق نیفتاده باشد[9].

3-1-1 فلزات

خودترمیم شونده نمودن فلزات عمدتاً بهصورت مدلسازی و شبیهسازی مطرح بوده و در مقايسه با پلیمرها و رنگها کمتر موردتوجه قرارگرفته است. هدايت الکترونی فلزات موضوعی است که در خودترمیم شونده ساختن فلزات و سرامیکها مطرح است .روشهای جديد بر اساس آرايش کلوئیدی القاشده تحت میدان الکتريکی طرحريزی شدهاند. در اين روش جز خودترمیمشونده يکلايه عايق بین اجزای هادی است و الکترودها درون محلول هادی خاص قرار دادهشدهاند. هنگامیکه ترکی در لايه عايق ايجاد میشود محل ترک در اثر آرايش نانو ذرات غیرهادی که در محلول قرار داشتهاند پر میشود. محلول مورداستفاده حاوی کلوئیدهای پلیاستری يا سیلیکاتی است که در بین دو سیلندر قرارگرفته است. ضمن آنکه سیلندرها توسط پوشش سرامیکی عايقی از هم جداشدهاند .

حال اگر اين لايه سرامیکی بهطور موضعی آسیب ببیند سیلندرهای فلزی در تماس باهم قرار میگیرند و در محل ترک دانسیتهی جريان بالايی ايجاد میشود که موجب حرکت محلول به سمت ترک میگردد که ذرات کلوئیدی در محل بهصورت ژلهای درمیآيند و باگذشت زمان محل آسیب را پر میکنند[9].

3-1-4 سرامیکها و بتنها

برای حفاظت قاب فلزی قرارگرفته در بتنهای مسلح میکروکپسولهای حاوی عامل ترمیمی در بتن تعبیه میشوند و عامل بازدارندهی خوردگی نیز در آن قرار دادهمیشود تا هم باعث کاهش نر خوردگی قاب شود و هم ترمیم منطقهی ترک را باعث شود. روش ديگر ارائهشده برای خودترمیمشونده ساختن بتنها استفاده از گچ درون بتن است. وقتی بتن دچار تخريب موضعی میگردد آب از طريق ترک در بتن نفوذ میکند و به گچ میرسد .

اين آب گچ را در خود حل میکند و دوغاب گچی بهدستآمده در محل آسیب پیش روی میکند و باگذشت زمان و کلسینه شدن در محل ترک باعث ترمیم آن میگردد. مزيت اين روش سادگی و کمهزينه بودن آن است. همچنین خودترمیم شونده نمودن سرامیکها به روش بسط فازی از عوامل خارجی استفاده میشود که حضور آنها در سیستم باعث افزايش حجم شده و میتواند فضای خالی ايجادشده در اثر ترک را پر نمايد. خودترمیم شونده نمودن سرامیکها با روشهای متفاوتی صورت میگیرد که يکی از اين روشها بسط فازی میباشد که در اين روش از عوامل خارجی که در فاز گازی هستند استفاده میشود و علت نامگذاری روش هم استفاده از عوامل خارجی با حالت گاز میباشد. مهمترين عوامل خارجی مورد استفاده اکسیژن و بخار آب هستند. در اين روش عوامل ترمیمیدر تماس با اکسیژن در محل ترک ضمن تشکیل لايه اکسیدی محافظ محل ترک را ترمیم میکنند[2]. در اينپژوهش مواد خودترمیم مورد بررسی از نوع پلیمری میباشد.

3-4 مقدمات لازم براي ایجاد خودترمیم شوندگی

هرچند ايدهی اولیه پلیمرهای خودترمیمی از پديدههای زيستی بودهاست ولی همچنان تا مشخ شدن دقیق سازوکار ترمیم سیستمهای بیولوژيکی و پیادهسازی آن در پلیمرهای سنتزی فاصلهی زيادی وجود دارد. يکی از تفاوتهای عمده بین سازوکارهای ترمیمی بیولوژيکی و پلیمرهای ترمیمی آن است که در پلیمرهای خودترمیم شونده همواره سعی بر آن است کهترمیم بهصورت کامل و در يک مرحله انجام شود ولی در سیستمهای خودترمیمی بیولوژيکی عموماً چندمرحلهایاند. تفاوت دوم آن است که در سیستمهای بیولوژيکی همواره چند سازوکار ترمیمی بهطور همزمان استفاده میشود. بهطورکلی عوامل مختلفی بر ايجادترمیم مؤثر منطقهی آسیب تأثیرگذارند[1]:

  • تمهیدات اولیه در طراحی و تعیین خواصی از ماده کهترمیم آن بايد صورت پذيرد.
  • انواع اجزای تشکیلدهندهی کامپوزيت )مخصوصاً فاز زمینه(
  • برآورد اندازه و نوع آسیب
  • سازوکار ترمیم و تأثیر آن بر ساير خواص ماده

با توجه به موارد مذکور میتوان شرايط لازم برای ايجاد خودترمیم شوندگی را دربندهای زير خلاصه کرد:

1- نیاز به تعبیه يا ذخیرهی يکفاز متحرک )اصطلاحاً عامل ترمیمی( که بتواند فرايند ترمیم را ممکن کند البته اين عامل ترمیمی بايست تنها در حضور و در محل ترک وارد عمل شود.

2- بعضاً نیاز هست تا يک منبع خارجی کافی از عامل ترمیمی يا عامل تحريکی در محل ترک وجود داشته باشد

)مانند اکسیژن يا رطوبت( بهنحویکه اين عامل به ترمیم منطقهی ترک کمک کند.

3- در مواردی نیاز هست تا عامل ترمیمی با نر مشخ در محل ترک بارگذاری شود تا متناسب با نر رشد ترک يا نر ترمیم آن فرايند رهايش عامل ترمیمی انجام پذيرد.

4- ممکن است به عوامل محیطی خارجی )مانند دما يا اشعه فرابنفش( نیاز باشد تا در مواردی که سرعت پیشروی آسیب بالاست با تسريع روندترمیم زمان لازم برای بازيابی خواص را کاهش دهد. شايد به سیستمی نیاز باشد تا بهمحض ايجاد ترک آن را شناسايی کند و فرايند ترمیم را آغاز نمايد.

در طراحی سیستمهای خودترمیم شونده همواره محدوديتهايی نیز وجود دارد که بايد مدنظر قرار گیرند[1]. به برخی از آنها اشاره میکنیم:

  • نر ترمیم: در سیستمهای خودترمیمشوندهی معمول تقريبا ده ساعت طول میکشد تا يکپارچگی مکانیکی آسیب ترمیم شود. ولی برای جلوگیری از پیشروی بیشتر ترک و نیز سرعت بخشیدن به روند ترمیم لازم است تا نر ترمیم را بهبود دهیم.
  • هزينه: هزينهی طراحی اين مواد و استفاده از آنها معمولاً مقرونبهصرفه نیست برای مثال در يک سیستمخودترمیم شوندهی معمولی دو نیم درصد وزنی کاتالیست گرابس2 موردنیاز است که قیمت اين ماده بالابوده و قاعدتاً مقرونبهصرفه نیست.
  • مقدار پیشروی ابتدائی آسیب: برای شروع فرايند ترمیم و شکستن میکروکپسول لازم است تا ترک به حدی درزمینه پیشروی کند که ابعاد آن بهاندازه لازم برای تخريب میکرو کپسول برسد. لذا عموماً تا رشد ترک در ابعاد کوچک امکان ترمیم وجود ندارد. پس بايد شرايطی را ايجاد نمود که به ازای ترکهای ريزتر نیز خود ترمیمی انجام شود.

3-5 انواع آسیبها در کامپوزیتهاي پلیمري و انواع مواد پلیمري

انواع آسیبهای احتمالی در مواد مهندسی را میتوان بر اساس ابعاد آنها بهصورت زير دستهبندی نمود:

  • آسیبهای در مقیاس ماکرو: تخريب کل فیلم و يا ورقه شدن آن
  • آسیبهای در مقیاس میکرو: ايجاد میکرو ترکها و پیشروی آن بهصورت ترک سطحی4
  • آسیبهای در مقیاس نانو: که شکستن پیوند ها را شامل میشود.

اين دستهبندی ازآنجهت حايز اهمیت است که سازوکار موردنیاز برای ترمیم آسیبهای مختلف متفاوت بوده و بسته به محدوده و اندازهی آسیب نوع خاصی از ترمیم شوندگی مؤثر خواهد بود. البته اين دستهها به هم مرتبطاند و میتوانند به يکديگر منتج شده و يا باعث تشديد ديگری شوند. برخی محققین ديگر انواع آسیب را بسته به نر ايجاد و رشد آنها در دو شاخه کلی طبقهبندی میکنند:

  • آسیبهای ناگهانی )دفعی( که ماده بهطور ناگهانی خواص خود را از دست میدهد و ايجاد آسیب از قبل و بهصورت يک فرآيند زمانبر نبوده است )مانند ايجاد خراش(.
  • آسیبهای پیشرونده )تدريجی( که با گذشت زمان و پیشرفت تدريجی آسیب تخريب نهايی ماده حادث میشود.

آسیبهای ناگهانی درست مانند زمانی است که با کلید روی بدنهی يک خودرو خراش ايجاد شود. در اين حالت ترک از همان ابتدا بهصورت ماکرو ترک ايجاد میشود هرچند در ابعاد نانو و میکرو نیز تخريب اتفاق افتاده است .در آسیبهای پیشرونده فرايند تخريب زمانبر است و رشد آسیب در هر سه مقیاس مطرح است. در يک پلیمر يا کامپوزيت پلیمری بسته به نوع عامل تخريبی انواع مختلفی از آسیب محتمل خواهد بود. شکل 2-2 انواع آسیبهای احتمالی در کامپوزيتهای پلیمری در اثر عواملی مانند فشار ضربه خستگی خراشهای سطحی محیطهای خورنده و ضربات گلوله را نشان میدهد .بهعنوانمثال ضربه میتواند منجر به خراش سطحی لايهلايه شدن پلیمر در زير سطح ايجاد شکاف در ماتريس و نیز ترکبرداری آن شود. چنانچه اين آسیبها همزمان ايجاد شوند میتوانند خواص مکانیکی يا پوششدهی پلیمر را بهشدت کاهش دهند. حجم منطقه آسیبديده به شرايط اعمالنیروی مخرب شکل پلیمر و خواص پلیمر اولیه بستگی دارد. ايجاد ترکهای ريز از رايجترين انواع تخريب استکه با پیشرفت آن بهتدريج در ماده پلیمری بسیاری از خواص مکانیکی اولیه مواد سبب کاهش طول عمر آنهامیشود[1].


از راههای افزايش عمر اين مواد متوقف کردن سازوکار منجر به فرايند شکست در آنهاست. در پلیمرهای شکننده شکست از راه ايجاد ترک و سپس پیشروی آن ر میدهد. ممانعت از پیشروی آنها منجر به افزايش طول عمر مواد میشود [6]. دندانه ای شدن2 ضربه عوامل خورنده اثرات پرتابی4 خراشهای سطحی و خستگی میتوانند باعث ايجاد آسیبهای مختلف شوند .بهعنوانمثال بارگذاری ضربهای میتواند باعث ايجاد ترک سطحی ورقهایشدن زيرسطحی ايجاد ترک در زمینهی پلیمری و يا ايجاد ترکهای ورقهای متقاطع شود. مجموعه اين آسیبها رفتار حفاظتی و استحکام مکانیکی کامپوزيت را ضعیف مینمايد. اندازهی آسیب نیز به شرايط بارگذاری هندسهی عامل تخريب و نوع رفتار بخش آسیبنديده وابسته است .طراحی مواد ترمیمپذير به روشهای گوناگونی انجام میشود؛اما میتوان عملترمیم را به دو نوع غیرذاتی2 و ذاتی4 تقسیمبندی کرد. درترمیم غیرذاتی عملترمیم از راه رهايشعنصر ترمیم که از پیش به ماده اضافهشده است انجام میشود درصورتیکه درترمیم ذاتی با افزايش موقتی تحرک و سپس بازيابی مجدد استحکام پیوند شیمیايی يا فیزيکی صورت میگیرد. تقريباً تمام روشهای ترمیم ذاتی بر پیوندهای شیمیايی و يا فیزيکی برگشتپذير استوارند مانند سیستمهای برگشتپذير کشسانی تأخیری و گروههای غیرواکنشی .

صرفنظر از ترمیم ذاتی يا غیرذاتی سامانه بايد در پاسخ به يک محرک عملترمیم را آغاز کند. پلیمرهای ترمیمپذير غیر ذاتی پس از تخريب بدون نیاز به محرک خارجی بهطور خودگردان ترمیم میشوند. بهطور متضاد مواد ترمیمپذير ذاتی معمولاً سامانههای غیرخودگردان هستند که پس از تخريب تنها با محرک خارجی از پیش معین مانند نور گرما يا الکتريسیته ترمیم میشوند. در همه موارد ترک ايجادشده در ماده پیش از پیشرفت ترمیمشده و از شکست و نق پلیمر ممانعت به عمل میآورد.

3-6 خودترمیم شوندگی ذاتی

بهطورکلی سامانههای خودترمیمی ذاتی يا برگشتپذير پلیمرهايی هستند که در برابر محرک به حالت غیرشبکه ای اولیگومری ومونومری خود تبديل شده و قابلیت بازگشت مجدد به ساختار پلیمری خود را دارند. ترمیم میتواند از راه واکنشهای برگشتپذير گرمايی پیوندهای هیدروژنی زوج شدن يونها توزيع يک فاز گرمانرم يا نفوذ مولکولی انجام پذيرد. ازآنجايیکه پلیمرهای موردنظر ما در اين پژوهش از اين نوع نیست به همین توضیحات اکتفا میکنیم[7].

3-7 خودترمیم شوندگی غیر ذاتی و روشهاي مختلف آن

علیرغم نوپا بودن ايده پلیمرهای خودترمیم شونده روشهای مختلفی برای ايجاد اين پلیمرها معرفیشدهاند.

در تمامی روشها عامل ترمیمی بهگونهای در يک مخزن ذخیره میشود که پس از آسیب سطح امکان خروج آن وجود داشته باشد و بتواند در مجاورت کاتالیست آسیب وارده را ترمیم کند. بهطورکلی معمولترين روشهای غیر ذاتی ايجاد پلیمرهای خودترمیم شونده را میتوان بهصورت زير طبقهبندی نمود:

3-7-3 کپسولهکردن عامل ترمیمی

عمدهترين مطالعات برای ايجاد خودترمیم شوندگی غیرذاتی روی کپسولهکردن عامل ترمیمی و کاتالیستصورت گرفته است. اولین بار در سال 4112 وايت و گروه تحقیقاتیاش میکروکپسولهای خودترمیمی را معرفیکردند که در آن عامل ترمیمی کپسوله شده و به همراه کاتالیست در فاز زمینه پوشش کامپوزيتی جاسازی شدند[8].

شمای کلی ترمیم پوشش آسیبديده و روند ترمیم در شکل 2-4 نشان دادهشده است. کپسولها در مواد کامپوزيتی و پلیمرها به شکل ذرات کروی در ابعاد میکرو هستند که با عامل ترمیمی پر شدهاست. طبق شکل 2-4 مشاهده میشودکه با ايجاد شکاف کپسولها شکستهشده و عامل ترمیم که در دمای ترمیم به شکل مايع است توسط شماتیک تخريب و ترمیم در پوشش خودترمیمشونده[3]

نیروی مويینگی به داخل شکاف جاری میشود سپس اين ماده در مجاورت کاتالیزوری که از قبل در محیط پراکنده شدهاست پلیمرشده و شکاف را ترمیم میکند[3]. معمولترين عامل ترمیمی فاز مايع است چون خود سیالیت لازم برای پر کردن ترک را دارد. برای ترمیم مؤثر منطقه خراش بايد هم عامل ترمیمی و هم کاتالیست در پوشش توزيعشده باشند. علت استفاده از کاتالیست تسريع پلیمريزاسیون عامل ترمیمی است. عامل ترمیمی وکاتالیست هر يک يا هر دو میتوانند بهصورت کپسول درآيند. با ايجاد خراش و انتشار ترک کپسول تخريب میشود و محتوی آن به بیرون نشت میکند و ترک را پر میکند. نهايتاً عامل ترمیمی در مجاورت کاتالیست پلیمره میشود و عیب آن را ترمیم میکند. در شکل 2-9 نیز مراحل ترمیم خراش در يک پوشش کامپوزيتی حاوی میکروکپسولهای حاوی عامل ترمیمی وکاتالیست نشان دادهشده است[3].

 

 


3-7-2 خودترمیم شوندگی بر اساس الیاف توخالی

دراين روش عامل ترمیمی در الیاف استوانهای ذخیره میشود. وقتی از اين روش استفاده میشود کسر حجمی میکروکپسول موردنیاز برای ترمیم مؤثر ترک نسبت به حالت قبل کمتر خواهد شد و میکروکپسول در اين حالت کروی نیست. البته اين روش نیز محدوديتهايی دارد. ازجمله تأثیر مخرب بر خواص مکانیکی نیاز به الیاف با قطر زياد مشکل در تولید انبوه اين الیاف و نیز احتمال بلوکه شدن الیاف در حضور عامل ترمیمی میباشد .بهعنوانمثال شکل 2-2 استفاده از اين روش را نشان میدهد که در الیاف استوانهای رزين و در الیاف ديگر يک ماده سختکننده میباشد که در صورت ترک در ماتريس اين مواد آزادشده و باهم ترکیبشده و محل ترک را ترمیم میکنند[21].


3-7-1 خودترمیم شوندگی با شبکههاي آوندي

پس از الیافتوخالی و میکروکپسولها تحقیقات جديد با الهام از طبیعت به سمت مواد کامپوزيتی و خودترمیمشونده آوندی پیش رفت. يکی از مهمترين ايرادات الیاف توخالی و میکروکپسولها ناتوانی درترمیم مجدد يکنقطه از کامپوزيت است که میتواند سبب ايجاد ترک ثانويه در امتداد ترک اولیه شود. درواقع شبکههای آوندیيکی ديگر از الهامات مهندسین از طبیعت میباشد. مشابه اين حالت در گیاهان که در شکل 2-1 مشخ میباشد رگبرگهايی است که حاوی شیره گیاهی و يا صمغ است و برای سازوکارهای دفاعی مانند پارگی برگها استفاده میشوند. هدف کشف ساختاری است که بتواند بهطور مداوم عملیاتترمیم را انجام بدهد. ازجمله اين ساختارها بدن انسان است که هر وقت زخمی در سطح بدن ايجاد شود )شکل 2-6( باگذشت زمان اين زخم بهبود میيابد[6].


 

    شکل 2-1 آوندهای دندريتی برگ که در طراحی سیستم ريزآوندی از آن الهام گرفتهشده است[22]

 


روش ريزآوندی با استفاده از لولههای شیشهای توخالی اولین بار برای ترمیم ترک در مواد بتنی معرفی شد .بعدهااين روش برای کامپوزيتهای پلیمری و با ذخیره رزينهای سیانوآکرايلات2 در لولههای شیشهای4 هم به کار گرفتهشد. در اين پژوهش هدف بررسی اين نوع از مواد خودترمیم میباشد. توهی و همکارانش در سال 4117 اولینسیستم ريزآوندی را طراحی کردند. آنها در اين سیستم از دیساکلوپنتادين بهعنوان عامل ترمیمی و ازکاتالیستهایجامد گرابس بهعنوان يک کاتالیست استفاده کردند. سیستم که در شکل 2-7 نشان داده شدهاست از اعمال يک پوشش 711 میکرونی کاتالیستی بر روی زير لايه ريزآوندی تشکیل شده که کانالهای 411 میکرونی آن با عامل ترمیمی پر و آببندیشدهاند[22].

 


3-8 مدلسازي و طراحی شبکههاي ریزآوندي دو و سهبعدي

سیستمهای بیولوژيکی عموماً از شبکههای ريزآوندی تشکیلشدهاند که وظیفه توزيع مواد مغذی مديريت حرارتی سیستم حذف مواد زائد و نیز ترمیم سیستم را به عهده دارند. محققین نیز با الهام از اين سیستم بیولوژيکی يک ساختار مشابه ريزآوندی در زمینه پلیمری ايجاد کردند که خود ترمیمشوندگی سیستم را امکانپذير سازد[24].

سیستمهای پلیمری تقويتشده با الیاف در معرض بارگذاریهای ضربهای و يا خستگی هستند که میتواند منجر به آسیبهای داخل زمینهای9 گردد که عموماً قابلیت رؤيت با چشم2 نیستند و ضمن پیشرفت در پلیمر باعث تخريب آن میگردند. تشخی درجای تشکیل آسیب1 و همزمان ايجاد خاصیت خودترمیم شوندگی میتواند نقش اساسی در توسعه و بهبود کارآيی پلیمرهای تقويتشده با الیاف داشته باشد[29]. برخلاف گیاهان و حیوانات که برای ترمیمبافتهای آسیبديده سیگنالهای الکتريکی و شیمیايی ايجاد میکنند در کامپوزيتهای تقويتشده با الیافتشخی آسیبها نیازمند بررسیهای پرهزينه و زمانبری مانند آزمونهای غیرمخرب است .بهعنوانمثال در کاربردهوا فضايی برای شناسايی و پیشبینی آسیب بازرسی سلامت سازه) SHM(2 بسیار حايز اهمیت است. اهمیت اينبررسیهای دورهای SHM برای هواپیماهای با عمر بیش از 21 سال بهمنظور اطمینان از صلاحیت پرواز4 آنها بیشتر نیز هست.

3-9 مزایا و محدودیتهاي خودترمیم شوندگی ریزآوندي

شبکههای خودترمیمی ريزآوندی میتواند مجدداً پر شود و در يک موقعیت بیش از 7 بار ترمیم انجام دهد .

ضمن آنکه حداکثر کارايی ترمیمی اين سیستم در حدود 71% گزارششده است. طراحی شبکههای ريزآوندی علاوه بر مزايای جديد معايبی هم دارد. از مهمترين محدوديتهای اين روش اين است که کاتالیستهای گرابس نسبت به ساير اجزای سیستم بسیار گرانقیمتاند و مقدار کاتالیست موردنیاز در شبکههای ريزآوندی چهار برابر مقدار کاتالیست موردنیاز در سیستمهای بر پايهی میکروکپسول است .بهعلاوه در اين روش نیازاست تا فرايند تولید شبکههای ريزآوندی بهصورت رباتیک صورت بگیرد که اين امر خود هزينهها را افزايش میدهد. طبق گزارشها سیستمهای ترمیمی ريزآوندی در مقايسه با میکروکپسولها يا الیاف عموماً صرفه اقتصادی کمتری دارند[22]. در اين روش نیز فرآيند ترمیم پس از تمام شدن تمامی عامل ترمیمی متوقف میگردد. هرچند استفاده از میکروکانالها اجازه ترمیم چندباره را در يک موقعیت از سطح به آن میدهد. تأمین مجدد عامل ترمیمی بايد به نحوی صورت گیرد که خودترمیمشوندگی سیستم بهطور کاملاً مستقل انجام گردد و لطمهای به آن وارد نشود. تأمین و حضور هر دو جز ترمیمی تضمینی برای ترمیم موفق و بدون محدوديت تکرار به وجود نمیآورد. درواقع عاملی که منجر به محدوديت دفعات ترمیم میشود آمیزش مؤثر اين دو جز در محل ترک است .ازآنجايیکه در عمل بدون دخالت عامل خارجی تنها عامل آمیزش اجزای ترمیمی نفوذ آنها است. نمونهها بهطور متوسط تنها دو يا سه بار متوالی میتوانند در اثر نفوذ ترمیم را ممکن سازند .ولی زمانی که نمونهها بهطور پیدرپی خم میشوند تا فرآيند جريانيابی عامل ترمیمی را درون آوندها و به سمت ترک تسريع بدهند فرآيند ترمیم در دفعات بیشتری امکانپذير خواهد بود )بیش از هفت بار بهصورت منفصل( .درواقع تخريب موضعی متوالی ولی ناپیوسته بعضاً موجب افزايش بازده ترمیمی نیز میشود[21]. بهطورکلی مواد ترمیمی با کشش سطحی بالا نمیتوانند بهطور کامل محل ترک را ترمیم نمايند .نتیجه اين اتفاق پوشاندن نايکنواخت و نامناسب محل ترک خواهد بود. مشکل ديگری که میتواند باعث توقف روند ترمیم گردد محدودشدن جريانيابی و آمیزش رزين و عامل پخت پس از چند سیکل ترمیمی موفق است .درواقع پس از هر بار ترمیم موفق آسیب مقدار مواد پلیمريزهشده در محل ترک افزايش میيابد. تجمع اين مواد ترمیمی روی کانال میتواند باعث متوقف شدن جريانيابی رزين در محل ترک برای سیکل ترمیمی بعد شود. حضورمواد ترمیمی قبلی در محل ترک همچنین میتواند مانعی برای آمیزش مؤثر رزين و عامل پخت باشد. برای اطمیناناز عملکرد ترمیمی سیستم توجه به اين نکته حائز اهمیت است که ترکیبات ترمیمی )عوامل پخت( با حداقلويسکوزيته قادرند بهطور کامل در محل تجمع عامل رزين حضور يابند و لذا پلیمريزاسیون را بهطور کامل ويکنواخت باعث شوند ولی رزين با ويسکوزيتهی زياد نمیتواند بهطور يکسان در محل ترک پخش شود. در نواحی که رزين به حد کافی وجود نداشته باشد نسبت استوکیومتری لازم برقرار نخواهد بود تا مواد ترمیمی موردنیاز و پلیمريزاسیون لازم را تأمین نمايد. پارامترهای طراحی شبکه ريزآوندی مانند فاصله بین کانالها و يا تعداد و يا نحوهی چیدمان شبکههای آوندی مستقل در يک پوشش هم روی رفتار ترمیمی مؤثر میباشد.

3-31 قراردهی ترکیبات خودترمیم شوندهي دوجزئی درون شبکههاي ریزآوندي در شبکههای ريزآوندی دوتايی عوامل ترمیمی دوجزئی )مانند رزين اپوکسی و عامل پخت پايه آمینی( از طريق دو شبکه آوندی درون زمینهی پلیمری انعطافپذير به محل ترک انتقال داده میشوند. هر دوی اين ترکیبات ترمیمی در اثر نیروی مويینگی به محل ترک منتقل میشوند و طی يک واکنش مؤثر لبههای ترک را به هم میچسبانند. طراحی انجامگرفته قادر است تا بیش از هفت بار فرآيند ترمیمی را در يک محل انجام دهد. ولی در شبکههای ريزآوندی تک جزئی عامل ترمیمی سیال )نظیر دی سايکلوپنتادين )DCPD(( درون شبکه ريزآوندی ذخیره میشود و عامل کاتالیست بهطور مستقیم درون زمینهی کامپوزيت جا میگیرد تا آسیب احتمالی را ترمیم نمايند[21]. مشکل طراحی شبکهی ريزآوندی تک جزئی محدوديت مقدار کاتالیست است که بهصورت محلول جامد درزمینه پراکنده شده و در اثر ترمیم مجدد در يک موقعیت تمام میشود. برای رفع اين محدوديت میتوان خود عامل کاتالیستی را هم در فاز سیال و درون يک شبکهی آوندی چندتايی تعبیه کرد. انواع مختلفی از ترکیبات اپوکسی دوجزئی بهعنوان عامل ترمیمی در شبکههای ريزآوندی مورد بررسی قرارگرفتهاند. انتخاب مناسبترين ترکیب بر مبنای سازگاری با زيرلايه آوندی2 ويسکوزيتهی پايین و قابلیت پخت در شرايط محیط انتخاب شدند .اهمیت ويسکوزيتهی ترکیبات ترمیمی ازآنجهت است که هم بر جريانيابی درون شبکهی آوندی و هم پیشروی آن در محل ترک تأثیرگذار است.

3-33 روشهاي ایجاد شبکههاي ریزآوندي

ايجاد سازههای سهبعدی با استفاده از جوهرهای فرار4 و بهصورت رسوبدهی رباتیک9 انجام میشود .اين روش با تکرار الگوهای دوبعدی و چینش آنها رویهم و با تزريق تحتفشار جوهر انجام میشود .درنهايت سازه برای ايجاد استحکام در پلیمر پخته نشدهای قرار داده میشود و پس از پخت زمینهی پلیمری جوهر حذف میشودو فضاهای خالی بهصورت میکروکانالهای متصلبههم باقی میمانند. در اين شبکه ريزآوندی در محل تقاطع هر دوآوند اتصال وجود دارد که اين امر موجب رسانش آنی و گردش عامل ترمیمی در شبکه میگردد[26]. اخیراًروشهای موفق ولی پرهزينه و پیچیده ديگری نیز برای ايجاد شبکه ريزآوندی سهبعدی معرفیشدهاند. بااينحالروش نگارش مستقیم که بهصورت رسوبدهی رباتیک لايهلايهای2 انجام میشود همچنان بهصرفهترين روش بهحساب میآيد که با استفاده از میکروکانالهای با سطح مقطع استوانهای چهارگوش و يا مربعی شبکههای سه-بعدی ايجاد مینمايد[24].

3-32 ارزیابی خودترمیم شوندگی در کامپوزیتهاي ریزآوندي

از زمان تولد مهندسی مدرن با پیدايش انقلاب صنعتی در حوزههای مختلف مهندسی پیشرفتهای گستردهای به وقوع پیوستهاند که از آن بین میتوان افزايش ايمنی و اعتبار )قابلیت اطمینان( را بهعنوان عمدهترين پیشرفتها در دو قرن اخیر دانست .درواقع بامعرفی کامپوزيتهای مدرن و سیستمهايی با عملکرد بالا پیشرفتهای زيادی در صنايع هوا-فضا و سامانههای حملونقل دريايی و زمینی بهوجودآمد. بااينوجود بارگذاریهای ضربهای و صدمات ناشی از آن عامل محدودکنندهای است که همواره گسترهی استفاده از اين کامپوزيتها را محدود نموده است .

ازآنجايیکه مواد کامپوزيتی برخلاف سازههای فلزی قابلیت تغییر شکل پلاستیکی ندارند آسیبهای ضربهای می-توانند منجر به ايجاد ترک و پیشروی آن درون کامپوزيت گردد[27]. در همین راستا دو مطالعه برای بهبود رفتار ترمیمی سیستمهای خودترمیم شوندهی ريزآوندی صورت گرفته است .ابتدا يک شبکهی ريزآوندی درون زمینهی پلیمری ضعیف قرار گرفت و در ادامه سیستم ريزآوندی در مرکز يک کامپوزيت ساندويچی قرار داده شد. در اين بررسیها بهینهسازی هندسی شبکههای ريزآوندی هم بهصورت شبکهی رشتهای با فشار استاتیکی و هم بهصورت شبکهی انشعابی بهمنظور به حداقل رساندن مقدار عامل ترمیمی مصرفی و کاهش هزينهها نیز موردمطالعه قرار گرفت[28]. متأسفانه تاکنون مطالعه چندانی پیرامون اعتبارسنجی سیستمهای ترمیمی ريزآوندی صورت نگرفته است. اين در حالی است که کاربردی کردن اين طراحی برای سیستمهای با عملکرد بالا در آينده تنها با اطمینان خاطر از قابلیتهای آن ممکن خواهد بود. يکی از اصلیترين پارامترهايی که میتواند رفتار ترمیمی ماده را محدود کند بسته شدن تدريجی میکروکانالها در اثر تجمع مواد ترمیميافته درسیکلهای ترمیمی متناوب است. از سوی ديگر جريانيابی يکنواخت رزين و عامل سختکننده نیز برای توزيع و رسانش کافی عامل ترمیمی در محل ترک بسیار حايز اهمیت است .ازآنجايیکه نر جريانيابی تحت کنترل نیست و تنها به نیروی موئینگی کشش سطحی میکروکانالها وابسته است تغییرات کوچک در مسیر و نحوه رشد ترک و يا محل و نحوهی برخورد آن با میکروکانالها میتواند جريانيابی اجزا را دستخوش تغییر کند. ويسکوزيته و ترکنندگی سطحی2 هر يک ازعوامل ترمیمی نیز ازجمله پارامترهای مهم ديگری هستند که بر جريانيابی اجزا و بازده خودترمیمی سیستمتأثیرگذارند. راهحلی که در بافتهای زنده و طبیعی وجود دارد سیستم تغذيه تحت کنترل است که امکان کنترلجريانيابی اجزا ترمیمی و بهبود روند ترکیبشدن آنها را به وجود میآورد و کاهش احتمال مسدود شدنمیکروکانالها و البته افزايش تعداد سیکلهای ترمیمی ممکن را باعث میشود.

————————————————————————————————————————————–

شما میتوانید تنها با یک کلید به راحتی فایل مورد نظر را دریافت کنید. 🙂

پایان نامه های موجود در سایت فقط در صورت دریافت پکیج طلایی انسیس قابل دریافت است.
برای دریافت این پایان نامه و تمامی پایان نامه های سایت، پکیج طلایی انسیس را خریداری بفرمایید. پس از خریداری پکیج طلایی لینک دانلود پایان نامه ها فعال خواهد شد.
شماره های تماس :
05142241253
09120821418

دریافت پکیج طلایی

————————————————————————————————————————————–