SUPERVISOR
Rahmatollah Emadi,Mehdi Salehi
رحمت اله عمادی (استاد راهنما) مهدی صالحی (استاد راهنما)
STUDENT
Sorour Sadeghzade
سرور صادق زاده
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1395
Among the major groups of materials, the use of some polymers is limited due to their inherent fragility. Iired by the structure of biological organisms that exist in nature and have high toughness, strength and crack resistance, can lead to the introduction of new structures that will remove the limitation of the use of these brittle materials in industry. One of the biological structures that has recently been recognized is the structure of the glass sponge Euplectella Aspergillum, which consists of long tentacles called spicules with a structure similar to onion. Due to the high flexibility and toughness of these sponges, in this study, we have tried to be iired by the structure of this type of sponge and use it in brittle materials, to solve the problem of brittleness and sudden failure of this type of materials and fabricate the structure with improved strength and toughness and resistant to failure. In this study, a brittle base resin with the commercial name Rigid resin (based on methacrylate, UDMA and silica glass particles) was used and rods with solid structure as a control sample and spicule iired structure were fabricated using stereolithographic 3D printing method . In this research, the effect of various parameters such as layer thickness, space between layers, type of design of layer placement next to each other, layer materials and the presence of core in the structure, on the flexural, shear and buckling properties of the specimens are investigated. Evaluation of fracture mechanisms and crack propagation in all structures were compared with control samples with solid structure using scanning electron microscopes and light microscopes under flexural, shear and buckling tests. According to the results, among all the samples with SIS structure (simultaneous printing of layers), NCS (separate printing of layers without core), NCSC (separate printing of layers with core) and NCS Co (composite samples, fabricated by Togh, Rigid and Gray pro resin), sample with NCS Co structure and different cylindrical layer thicknesses of 1 and 1.3 mm was selected as the optimal sample with strength, strain, Young's flexural modulus and toughness of 178.5 ± 11.3 MPa, 3.7 ± 0.4%, 8.29 ± 0.04 GPa and 5.47 ± 0.50 KJ / m3, respectively. The fabrication of this type of structure has resulted in 65 and 188% improvement in flexural strength and toughness compared to the control sample. According to the results of scanning electron microscopy evaluation of the fracture cross section of the control specimen and the specimen with spicule-iired structure, the fracture behavior of a brittle material was observed. However, the strain-stress diagrams of specimens with spicule structure show the fracture behavior of a soft materials. This indicates that in this study, without changing the chemical composition of the material, a change in the fracture behavior of the material occurred. Comparison of stress-strain curves of the control sample and the sample with the spicule iired structure shows that the type of failure changes from sudden to gradual with a stepping mechanism. Also, according to the studies, the failure mechanisms in the sample with spicule-iired structure are the presence of asperity and surface waviness and friction between the layers, crack deflection from one layer to another, crack branching and bridging, creation cracks and microcracks in the structure. The results of shear strength show that the shear strength, modulus and shear strain of the control sample were 57.68 ± 7.61 MPa, 0.013 ± 0.001 mm/mm, 5.4 ± 1.2 GPa, respectively and creating the layer structure has led to a decrease in shear strength. Also, microscopic evaluation of the fracture cross section of the specimens after the shear test showed that the fracture mode in the control sample was a mixture of fracture modes I and II. This is while in the specimens with spicule structure, in the thickness of low layers, the failure mode was II, while increasing the thickness of the layers led to a change of failure mode to failure mode I. Also, the sample with a thickness of 1.3 mm showed a buckling strength of 16.41 ± 2.43 MPa, which has improved buckling strength about 80% compared to the control sample with a buckling strength of 9.06 ± 1.78 MPa.
در بین گروههای اصلی مواد، استفاده از برخی پلیمرها به دلیل تردی ذاتی، با محدودیت همراه است. الهام گرفتن از ساختار موجودات بیولوژیکی که در طبیعت وجود دارند و دارای چقرمگی، استحکام بالا و مقاوم به ترک هستند، میتوانند منجر به ارائه ساختارهای جدیدی شوند که منجر به رفع محدودیت استفاده از این مواد ترد در صنعت میشود. یکی از ساختارهای بیولوژیکی که اخیرا مورد توجه قرار گرفته است، ساختار اسفنج شیشهای Euplectella Aspergillum است که از رشتههای بلندی به نام اسپیکیول با ساختاری شبیه به پوست پیاز تشکیل شده است. با توجه به انعطافپذیری و چقرمگی بالا در این اسفنجها، در این پژوهش سعی بر آن شده است که با الهام گرفتن از ساختار این نوع از اسفنج و استفاده از آن در مواد ترد، بتوان مشکل تردی و شکست ناگهانی این نوع از مواد را بهبود بخشید و منجر به ایجاد ساختاری با استحکام و چقرمگی بالا و مقاوم به شکست شد. در این پژوهش از یک رزین پایه شکننده با نام تجاری ریجید رزین (بر پایه متاکریلات، UDMA و ذرات شیشه سیلیکا) استفاده شد و با استفاده از روش چاپ سه بعدی استریولیتوگرافی، میلهها با ساختار توپر به عنوان نمونه کنترل و ساختار الهام گرفته شده از اسپیکیول ساخته شدند. در این پژوهش تاثیر پارامترهای تغییر ضخامتلایهها، فاصله بین لایهها، نوع طراحی قرار گرفتن لایهها در کنار یکدیگر، جنس لایهها و حضور هسته در ساختار، بر روی خواص خمشی، برشی و کمانش نمونهها، مورد بررسی قرار گرفت. بررسی مکانیزمهای شکست و نحوه توزیع ترک در تمامی ساختارها در مقایسه با نمونه کنترل با ساختار توپر با استفاده از میکروسکوپهای الکترونی روبشی و میکروسکوپ نوری تحت آزمونهای خمشی، برشی و کمانش مورد بررسی قرار گرفت. با توجه به نتایج، در بین تمامی نمونهها با ساختارSIS(چاپ همزمان لایهها)، NCS(چاپ جداگانه لایهها بدون هسته)، NCSC(چاپ جداگانه لایهها با هسته) و NCS Co(نمونههای کامپوزیتی به صورت چاپ جداگانه سیلندرها از جنس تاف، ریجید و گری پرو رزین) نمونه با ساختار NCS Co و ضخامت لایههای سیلندری متفاوت ? و ?/? mm به ترتیب دارای استحکام، کرنش، مدول یانگ خمشی و چقرمگی ?/?? ± ?/??? MPa، ?/? ± ?/? درصد، ??/? ± ??/? GPa و ??/? ± ??/? KJ/m 3 بوده و به عنوان نمونه بهینه انتخاب شد. ایجاد این نوع ساختار منجر به بهبود ?? و ??? درصدی استحکام خمشی و چقرمگی نسبت به نمونه کنترل شده است. با توجه به نتایج حاصل از بررسیهای میکروسکوپ روبشی سطح مقطع شکست نمونه کنترل و نمونه با ساختار الهام گرفته از اسپیکیول، رفتار شکست یک ماده ترد مشاهده شد. این در حالی است که نمودارهای تنش-کرنش نمونهها با ساختار اسپیکیول رفتار شکست یک ماده نرم را نشان میدهند. این مهم نشان دهنده آن است که در این پژوهش بدون تغییر در ترکیب شیمیایی ماده، تغییر در رفتار شکست ماده رخ داد. مقایسه نمودارهای تنش-کرنش نمونه کنترل و نمونه با ساختار اسپیکیول نشان دهنده تغییر نوع شکست از حالت ناگهانی به صورت تدریجی با مکانیزم پلهای بوده است. همچنین با توجه به بررسیهای صورت گرفته، مکانیزمهای شکست در نمونه با ساختار الهام گرفته از اسپیکیول، حضور آسپریتی و ناهمواری سطحی و ایجاد اصطکاک در بین لایهها، انحراف ترک از یک لایه به لایه دیگر، انشعابی شدن ترک، پل زدن ترک و ایجاد میکروترکها در ساختار بوده است. نتایج استحکام برشی نشاندهنده آن است که استحکام، مدول و کرنش برشی نمونه کنترل به ترتیب ??/? ± ??/?? MPa،???/? ± ???/?mm/mm و?/? ± ?/? GPa بوده است و ایجاد ساختار لایه لایه منجر به کاهش استحکام برشی شده است. همچنین بررسیهای میکروسکوپی سطح مقطع شکست نمونهها پس از آزمون برش، بیانگر آن بوده است که حالت شکست در نمونه کنترل به صورت مخلوطی از حالت شکست I وII بوده است. این درحالی است که در نمونهها با ساختار اسپیکیول، در ضخامت کم لایهها، حالت شکست به صورت برشی خالص (II) بوده است، در حالی که افزایش ضخامت لایهها منجر به تغییر حالت شکست به سمت حالت I شکست شد. همچنین نمونه با ضخامت لایه ?/? mm استحکام کمانش ??/? ± ??/?? MPa را نشان داده است که در مقایسه با نمونه کنترل با استحکام کمانش ??/? ± ??/? MPa در حدود ?? درصد بهبود ایجاد کرده است.