پیش‌نویس:Z-pinning

معرفی

پین Z که بین الیاف یک کامپوزیت قرار می گیرد

یکی از پیشرفت‌های اخیر در طراحی و ساخت اتصالات کامپوزیت هوافضا و دیگر صنایع، ادغام پین‌های Z در اتصال است. پین‌های Z میله‌های کربنی با قطر کم هستند که به‌صورت اولتراسونیک از طریق لایه‌های کامپوزیتی در جهت Z وارد می‌شوند تا مقاومت بیشتری در برابر رشد ترک و لایه‌برداری ایجاد کنند. یا به تعریفی دیگر و مشابه، پین Z تکنیکی برای قراردادن الیاف تقویت‌کننده (همچنین به نام پین Z یا الیاف Z نیز شناخته می‌شود) در امتداد جهت Z (جهت دستگاه مختصاتی) پلاستیک‌های تقویت‌شده با الیاف پیوسته است.

این الیاف کامپوزیتی یک طرفه آماده‌شده برای استفاده در فن‌آوری prepreg طراحی شده است. شواهد تجربی گسترده‌ای وجود دارد که نشان می‌دهد Z-pinning به طور چشمگیری مقاومت ساختار ماده کامپوزیت را در برابر لایه‌برداری بهبود می‌بخشد.

شکل سمت چپ صفحه، یک پین Z را نشان می‌دهد که در بین الیاف ماده ای قرار داده شده است. پین الیاف را پخش می‌کند و یک شکاف بیضی شکل ایجاد می‌کند که با رزین(نوعی صمغ درخت) پر شده است.

پین Z از لایه‌برداری کامپوزیت جلوگیری می‌کند. هنگامی که بار اعمال می‌شود، معمولاً ترک‌ها در امتداد خط دهانه ایجاد می‌شوند.

فواید

پین Z یک تکنیک همه‌کاره می‌باشد که می‌تواند برای تعداد بسیار زیادی از موادی که از استحکام بیشتری بهره‌مند می‌شوند، اعمال شود. آنها به خصوص در موادی که در معرض لایه لایه شدن هستند استفاده می‌شوند، زیرا پین‌های Z می‌توانند با این نوع از مشکل مقابله کنند. پین Z در ساخت سازه هواپیما برای افزایش قدرت و دوام ساختار آن استفاده شده است. با پین‌کردن مواد روی هواپیما مانند بال، سازه می‌تواند مقاومت بسیار بالاتری در برابر آسیب در طول پرواز داشته‌باشد. همچنین، اگر هواپیما دچار یک ترک جزئی شود، پین Z از شکست فاجعه‌بار آن جلوگیری می‌کند. پین های Z را می‌توان برای کاربردهای صنایع خودرو نیز استفاده کرد. پین‌ها را می‌توان در قسمت‌های فیبر کربنی قرار داد تا استحکام آن‌ها افزایش پیدا کند. اگر اسپلیتر جلوی خودرو با پین‌های Z ساخته می‌شد، می‌توانست ضربه‌های قابل‌توجه بسیار بیشتری را تحمل کند، زیرا پین‌های Z آن را حتی با یک ترک جزئی نگه می‌دارند.

این موضوع به قطعات فیبر کربنی اجازه می دهد تا در عین حال که قوی و با دوام هستند، سبک باقی بمانند. آزمایش پین‌های Z با اندازه‌های مختلف نشان‌داده است که پین‌های بزرگتر منجر به افزایش استحکام می‌شود. افزایش 1 درصدی در اندازه پین ​​Z، چقرمگی را تا 6 تا 25 برابر افزایش می‌دهد. با این حال، یک سنجاق بیش از حد بزرگ، الیاف ماده را مختل می‌کند و منجر به شکستگی آن می‌شود. درک اندازه درست افزایش یا کاهش پین Z می‌تواند تاثیر بسیار مهمی در نوع رفتار سازه های مواد کامپوزیتی داشته باشد.

بهبود چقرمگی شکست ناشی از پین‌های Z (مانند دوخت) عمدتاً به افزایش بیرون‌کشی الیاف نسبت داده می‌شود که میزان انرژی مورد نیاز برای رشد ترک در واحد سطح را افزایش می‌دهد.

تولید

روش های زیادی برای ایجاد پین Z وجود دارد. به طور معمول، پین‌های Z از قبل پخته شده و سپس در کامپوزیت‌ها قرار می‌گیرند. یک فرآیند شامل کشیدن یک بکسل فیبر پیوسته از طریق حمام رزین مایع با استفاده از یک دستگاه پالتروژن است. سپس فیبر از طریق قالب از حمام بیرون کشیده می‌شود که شکل و اندازه پین ​​را ایجاد می‌کند. سپس پین در جهت عمودی در فوم قرار می‌گیرد تا فرآیند به پایان برسد. پین ممکن است بسته به کاربرد پوشش داده شود یا به عنوان یک مرحله اضافی در نظر گرفته شود. این فرآیند یکی از کارآمدترین و مقرون به صرفه‌ترین روش‌های تولید پین‌های Z است، زیرا به راحتی می‌توان آن را با اندازه‌های مختلف پین تطبیق داد.

ساخت قطعات با پین Z

پین‌های Z راه‌های زیادی برای قرار دادن در ماده انتخابی دارند. متداول ترین روش فرآیندی با استفاده از چکش اولتراسونیک است. چکش فومی را که پین‌ها را می‌پوشاند فشرده می‌کند و پین‌ها را به داخل مواد فشار می‌دهد. چکش هنگام فشرده شدن پین، ارتعاشات فرکانس بالایی را به پین ​​القا می‌کند. نوک ارتعاشی پخ پین‌های Z به صورت موضعی گرم می‌شود و رزین را نرم می‌کند و به فیبر Z اجازه می‌دهد تا با کمترین اختلال در الیاف بلند به پریفرم نفوذ کند. پین باقیمانده و لمینت بالای سطح برداشته می‌شود تا سطحی صاف و یک‌دست ایجاد شود. یک تفنگ اولتراسونیک دستی نیز می‌تواند برای قرار دادن پین‌های Z در مقیاس کوچک استفاده شود. این برای آزمایش مواد حاوی پین Z ایده‌آل است زیرا می‌توان آن‌ها را به راحتی در هر مکانی از مواد قرار داد.

رابطه عملکردی بین جابجایی باز‌شدن ترک و نیروی بسته شدن از یک پین منفرد، قانون پل زدن است. از آنجایی که خروج پین Z فرآیند پیچیده‌ای است که تحت تأثیر متغیرهای زیادی مانند خواص مواد، هندسه، و پارامترهای سطحی بین پین و ورقه قرار می‌گیرد، همه این‌ها باید در هر قانون پل زدن در نظر گرفته شوند.

برخی از نتایج بدست آمده از آزمایشات در رابطه با قانون پل زدن:

1.در تراکم‌های مساوی، پین‌های کوچک کارآمدتر از پین‌های بزرگ هستند.

2.از آنجایی که کنترل جهت‌گیری تک پین در حین قرار دادن پین دشوار است و از آنجایی که به دست آوردن تراز بار-جابجایی در تست‌های خروجی تک پین تقریباً غیرممکن است، تست‌های چند پین برای ارائه نتایج قابل اعتمادتر و دقیق‌تر ترجیح داده می‌شوند.

3.در آزمایش‌های بیرون‌کشی پین بزرگ، افت بار ناشی از جداسازی سطحی به اندازه آزمایش‌های پین کوچک مشهود نیست، زیرا تفاوت کوچک بین بار جداسازی اولیه و بار لغزشی اصطکاکی اولیه وجود دارد.

همچنین ببینید

تافت زدن (کامپوزیت)

لینک های خارجی

• صفحه دانشگاه کرانفیلد با توضیحات واحد Z-pinning