SUPERVISOR
Rahmatollah Emadi,Mehdi Salehi
رحمت اله عمادي (استاد راهنما) مهدي صالحي (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.
چکيده در بين گروههاي اصلي مواد، استفاده از برخي پليمرها به دليل تردي ذاتي، با محدوديت همراه است. الهام گرفتن از ساختار موجودات بيولوژيکي که در طبيعت وجود دارند و داراي چقرمگي، استحکام بالا و مقاوم به ترک هستند، ميتوانند منجر به ارائه ساختارهاي جديدي شوند که منجر به رفع محدوديت استفاده از اين مواد ترد در صنعت ميشود. يکي از ساختارهاي بيولوژيکي که اخيرا مورد توجه قرار گرفته است، ساختار اسفنج شيشهاي Euplectella Aspergillum است که از رشتههاي بلندي به نام اسپيکيول با ساختاري شبيه به پوست پياز تشکيل شده است. با توجه به انعطافپذيري و چقرمگي بالا در اين اسفنجها، در اين پژوهش سعي بر آن شده است که با الهام گرفتن از ساختار اين نوع از اسفنج و استفاده از آن در مواد ترد، بتوان مشکل تردي و شکست ناگهاني اين نوع از مواد را بهبود بخشيد و منجر به ايجاد ساختاري با استحکام و چقرمگي بالا و مقاوم به شکست شد. در اين پژوهش از يک رزين پايه شکننده با نام تجاري ريجيد رزين (بر پايه متاکريلات، UDMA و ذرات شيشه سيليکا) استفاده شد و با استفاده از روش چاپ سه بعدي استريوليتوگرافي، ميلهها با ساختار توپر به عنوان نمونه کنترل و ساختار الهام گرفته شده از اسپيکيول ساخته شدند. در اين پژوهش تاثير پارامترهاي تغيير ضخامتلايهها، فاصله بين لايهها، نوع طراحي قرار گرفتن لايهها در کنار يکديگر، جنس لايهها و حضور هسته در ساختار، بر روي خواص خمشي، برشي و کمانش نمونهها، مورد بررسي قرار گرفت. بررسي مکانيزمهاي شکست و نحوه توزيع ترک در تمامي ساختارها در مقايسه با نمونه کنترل با ساختار توپر با استفاده از ميکروسکوپهاي الکتروني روبشي و ميکروسکوپ نوري تحت آزمونهاي خمشي، برشي و کمانش مورد بررسي قرار گرفت. با توجه به نتايج، در بين تمامي نمونهها با ساختارSIS(چاپ همزمان لايهها)، NCS(چاپ جداگانه لايهها بدون هسته)، NCSC(چاپ جداگانه لايهها با هسته) و NCS Co(نمونههاي کامپوزيتي به صورت چاپ جداگانه سيلندرها از جنس تاف، ريجيد و گري پرو رزين) نمونه با ساختار NCS Co و ضخامت لايههاي سيلندري متفاوت ? و ?/? mm به ترتيب داراي استحکام، کرنش، مدول يانگ خمشي و چقرمگي ?/?? ± ?/??? MPa، ?/? ± ?/? درصد، ??/? ± ??/? GPa و ??/? ± ??/? KJ/m 3 بوده و به عنوان نمونه بهينه انتخاب شد. ايجاد اين نوع ساختار منجر به بهبود ?? و ??? درصدي استحکام خمشي و چقرمگي نسبت به نمونه کنترل شده است. با توجه به نتايج حاصل از بررسيهاي ميکروسکوپ روبشي سطح مقطع شکست نمونه کنترل و نمونه با ساختار الهام گرفته از اسپيکيول، رفتار شکست يک ماده ترد مشاهده شد. اين در حالي است که نمودارهاي تنش-کرنش نمونهها با ساختار اسپيکيول رفتار شکست يک ماده نرم را نشان ميدهند. اين مهم نشان دهنده آن است که در اين پژوهش بدون تغيير در ترکيب شيميايي ماده، تغيير در رفتار شکست ماده رخ داد. مقايسه نمودارهاي تنش-کرنش نمونه کنترل و نمونه با ساختار اسپيکيول نشان دهنده تغيير نوع شکست از حالت ناگهاني به صورت تدريجي با مکانيزم پلهاي بوده است. همچنين با توجه به بررسيهاي صورت گرفته، مکانيزمهاي شکست در نمونه با ساختار الهام گرفته از اسپيکيول، حضور آسپريتي و ناهمواري سطحي و ايجاد اصطکاک در بين لايهها، انحراف ترک از يک لايه به لايه ديگر، انشعابي شدن ترک، پل زدن ترک و ايجاد ميکروترکها در ساختار بوده است. نتايج استحکام برشي نشاندهنده آن است که استحکام، مدول و کرنش برشي نمونه کنترل به ترتيب ??/? ± ??/?? MPa،???/? ± ???/?mm/mm و?/? ± ?/? GPa بوده است و ايجاد ساختار لايه لايه منجر به کاهش استحکام برشي شده است. همچنين بررسيهاي ميکروسکوپي سطح مقطع شکست نمونهها پس از آزمون برش، بيانگر آن بوده است که حالت شکست در نمونه کنترل به صورت مخلوطي از حالت شکست I وII بوده است. اين درحالي است که در نمونهها با ساختار اسپيکيول، در ضخامت کم لايهها، حالت شکست به صورت برشي خالص (II) بوده است، در حالي که افزايش ضخامت لايهها منجر به تغيير حالت شکست به سمت حالت I شکست شد. همچنين نمونه با ضخامت لايه ?/? mm استحکام کمانش ??/? ± ??/?? MPa را نشان داده است که در مقايسه با نمونه کنترل با استحکام کمانش ??/? ± ??/? MPa در حدود ?? درصد بهبود ايجاد کرده است.