13.1. Introduction13.2.1. Conventio

13.1. Introduction

13.2.1. Conventional nano-additives

The current interest in nanocomposites began in 1991. Toyota achieved dispersion of layered silicate clays in Nylon-6, which increased highly the heat distortion temperature (HDT) and mechanical properties of Nylon-6 composites. Simultaneously in 1991, Iijima (1991) discovered carbon nanotubes (CNTs), which have attracted much attention from researchers during the past 20 years.

Nowadays, a large number of nano-additives are available, classified into four general categories: nanoparticles, nanoplatelets, nanofibres and nanotubes. These nano-additives differ in morphology, geometry, chemistry, aspect ratio and aggregate size. The type of the nano-additive chosen for dispersion in a matrix is dependent on the intended application.

Some common nanoparticles used in composites include SiO2, alumina, ZWP and metals oxides at the nanometer scale. Nanoparticle additives result in higher stiffness, lower CTE and comparable or lower strength and elongation of the matrix (Naganuma and Kagawa, 2002 and Nishino et al., 2009).

Nano-clay, graphite and graphene are types of nanoplatelet nano-additives that exist as layered materials in their bulk states. It is important to employ the most efficient method to ensure that layers are sufficiently separated and dispersed throughout the matrix. A layer of nano-clay is about 1 nm in thickness and consists of platelets of around 100 nm in width. The thickness of graphene and graphite is about 0.34 and 10 nm, respectively. Graphene is just a single layer of graphite. It is basically a single layer of sp2-hybridized carbon with a delocalized π-bonded network. The theoretical Young’s modulus of an individual graphene layer is 1600 GPa. It also has a negative CTE similar to other carbon-based nano-fillers. The polymer-based nanoplatelets nanocomposites show improved stiffness, toughness, strength and thermal stability, as well as reduced CTE ( Alexandre and Dubois, 2000 and Miller, 2008).

Carbon nanofibres (CNFs) are used to reinforce a variety of polymers, including polypropylene, polycarbonate, nylon, polyethersulfone (PES), polyethyleneterephthalate (PET), polyphenylenesulfide (PPS), acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) and epoxy. CNFs typically have diameters in the order of 50 to 200 nm, Young’s modulus of about 246 to 600 GPa and a negative CTE of about − 1 x 10−6 °C−1. Therefore, CNFs could be utilized to decrease CTE and increase the Young’s modulus of polymers. Several research groups experimentally reported the CTE and Young’s modulus improvement in polymer/CNF nanocomposites (Chaos-Mora et al., 2011, Cho et al., 2011, Hine et al., 2005, Iwahoria et al., 2005 and Wang et al., 2010).

Since their observation, numerous investigators have reported remarkable physical and mechanical properties for CNTs. The density of a SWCNT is about 1.33 to 1.40 g/cm3, which is just one-half of the density of aluminium. The elastic and strength properties of SWCNT and MWCNTs have been extensively studied, both analytically and experimentally. Theoretically, the CNT Young’s modulus is up to 1 TPa. The reported longitudinal CTE of the CNT is − 1.5 × 10−6 °C−1.Despite this, the CNT radial CTE is about 15 × 10−6 °C−1. The reported tensile strength of SWCNT is much larger than that of the high-strength steel. A review on the mechanical tensile properties showed an approximately linear increase in composite stiffness, but a reduction in strength and strain to failure for filler weight fractions of about 1 wt%. It has already been experimentally and theoretically proved by a number of researchers that because of the high modulus and negative CTE of CNTs, a matrix even with very low weight fraction of CNTs (< 1 wt%) has much lower CTE in comparison with the pure matrix (Deng et al., 2008 and Xu et al., 2006).

13.2.2. Nano-additive effects on coefficient of thermal expansion of the matrix

Most of materials show increase in their dimensions when encountering a thermal flux under constant pressure. However, some materials contract under heat and show negative thermal expansion. Besides, if a solid material shows different thermal properties along different directions, thermal expansion can be anisotropic. Especially, this phenomenon takes place in reinforced composites, in which the reinforcement has different thermal properties from those of the matrix. Polymers like epoxy, generally have higher CTE in comparison with fibres and metals. In polymers, CTE is divided into two parts, before and after glass transient temperature (Tg). Polymers and composites lose most of their mechanical properties after the glass transition temperature.

As mentioned before, residual stresses are generated due to mismatch of mechanical and thermal properties of fibres and matrix. It seems that residual stresses amplitude is more dependent on CTE of composite components. At a macro-mechanical level, expansion and contraction of different layers with different orientations is the major source of residual stresses. Especially, CTE of a uni-directional ply along the longitudinal direction is much lower than the CTE in the transverse direction, because of the thermal property difference of fibres along these directions. So during the curing and cooling processes, layout of layers with different CTE to each other, results in macro-residual stress induction in composites. In polymer composites, fibres have lower CTE in comparison with the matrix; and during the curing and cooling processes, the matrix has more contraction, therefore a compressive residual stress through fibres and a tensile stress through the matrix are generated at the micro-scale.

In the CLT analysis of multi-layered laminated composites, it is shown that the closer longitudinal and transverse CTE of uni-directional ply results in lower macro-residual stresses. At the micro-mechanics level, the less difference between the CTE of fibres and matrix also leads to less micro-residual stresses induction (Shokrieh and Safarabadi, 2012a,b). There are lots of experimental studies conducted around the effect of nano-fillers on polymers CTE. Because of unique properties of nano-fillers and significant characteristics of nanocomposites through which the contact area of the matrix and reinforcement increases, in spite of nano-additives extremely low weight fraction, matrix CTE decreases considerably (Xu et al., 2006).

Little data about CTE of nano-fillers are available. Determining nano-filler CTE is generally a complicated process. However, according to their high Young’s modulus, it is expected that their CTE be much less than that of polymeric matrixes. Because of carbon sp2 atomic lattices, it is expected that CNTs and CNFs have a negative CTE. Longitudinal CTE values are reported as about − 1.5 × 10−6 °C−1 and − 1 × 10−6 °C−1 for CNTs and CNFs, respectively. This value in the transverse direction is reported for 15 × 10−6 °C−1.

There are no clear equations for exact modelling of CTE of the matrix with nano-fillers at the nano-scale. But simulations such as molecular dynamics can approximate the CTE of nanofiller/matrix composites. Nevertheless, in order to determine the CTE of polymeric composites reinforced with CNTs and CNFs, few researchers consider these nano-fillers as short fibres and use the CTE equation in micro-scale and estimate CTE of the nanocomposites (Gonnet, 2004 and Hsiao and Gangireddy, 2008).

In the last section of this chapter, using thermo-mechanical analysis (TMA), it is shown that CNFs can considerably affect the thermal behaviour of epoxy polymers. As a result, the transverse CTE of the uni-directional ply decreases dramatically.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

13.1 บทนำ13.2.1 การสารนาโนทั่วไปปัจจุบันความสนใจในสิทเริ่มในปีพ.ศ. 2534 โตโยต้าได้กระจายตัวของชั้นซิลิเก clays ในไนลอน-6 ซึ่งเพิ่มขึ้นสูงอุณหภูมิความร้อนความผิดเพี้ยน (HDT) และคุณสมบัติทางกลของวัสดุผสมไนลอน-6 พร้อมกันในพ.ศ. 2534, Iijima (1991) พบคาร์บอน nanotubes (CNTs), ซึ่งได้ดึงดูดความสนใจมากจากนักวิจัยในช่วง 20 ปีที่ผ่านมาปัจจุบัน สารนาโนจำนวนมากมี แบ่งเป็นสี่ประเภท: เก็บกัก nanoplatelets, nanofibres และ nanotubes สารนาโนเหล่านี้แตกต่างกันในสัณฐานวิทยา เรขาคณิต เคมี อัตราส่วนกว้างยาว และขนาดรวม ชนิดของนาโนบวกสำหรับกระจายตัวในเมทริกซ์จะขึ้นอยู่กับโปรแกรมประยุกต์เป้าหมายเก็บกักบางทั่วไปที่ใช้ในการคอมโพสิตประกอบด้วย SiO2 อลูมินา ZWP และโลหะออกไซด์ที่ขนาด nanometer สาร Nanoparticle ผลความแข็งสูง CTE ต่ำ และความแข็งแรงเทียบเท่า หรือต่ำกว่า และ elongation ของเมทริกซ์ (Naganuma และ Kagawa, 2002 และกรุณา et al., 2009)ดิน เหนียวนาโน แกรไฟต์ และ graphene เป็นชนิด nanoplatelet นาโนสารที่มีอยู่เป็นวัสดุชั้นในอเมริกาจำนวนมากของพวกเขา จึงต้องใช้วิธีมีประสิทธิภาพสูงสุดเพื่อให้แน่ใจว่า ชั้นจะพอแยก และกระจายทั่วเมตริกซ์ ชั้นของดินเหนียวนาโนคือ ประมาณ 1 นาโนเมตรในความหนา และจำนวนเกล็ดเลือดประมาณ 100 นาโนเมตรในความกว้าง ความหนาของ graphene และแกรไฟต์กำลัง 10 และ 0.34 nm ตามลำดับ Graphene เป็นเพียงชั้นเดียวของแกรไฟต์ มันเป็นพื้นชั้นหนึ่งของคาร์บอนที่เป็น sp2 มีเครือข่าย delocalized πถูกผูกมัด โมดูลัสของยังทฤษฎีของชั้นละ graphene ที่มีเกรดเฉลี่ย 1600 นอกจากนี้ยังมี CTE ลบคล้ายกับอื่น ๆ โดยใช้คาร์บอนนาโน-fillers ดูสิท nanoplatelets โดยพอลิเมอร์ความแข็ง นึ่ง ความแข็งแรง และความมั่นคงความร้อน ตลอดจนลด CTE (ภัณฑ์อเล็กซานเดอร์ และ Dubois, 2000 และมิ ลเลอร์ 2008)Nanofibres คาร์บอน (CNFs) ใช้ในการเสริมสร้างความหลากหลายของโพลิเมอร์ รวมถึงโพรพิลีน โพลีคาร์บอเนต ไนล่อน polyethersulfone (PES), polyethyleneterephthalate (PET), polyphenylenesulfide (PPS), acrylonitrile butadiene-สไตรีนอ (ABS) และอีพ๊อกซี่ CNFs ปกติมีสมมาตรกับ 50-200 nm โมดูลัสของยังของประมาณ 246 ถึง 600 GPa และ CTE ลบของเกี่ยวกับ− 1 x 10−6 ° C−1 ดังนั้น ไม่สามารถใช้ CNFs เพื่อลด CTE และเพิ่มโมดูลัสของยังของโพลิเมอร์ งานวิจัยหลายรายงานพัฒนาโมดูลัสของ CTE และของหนุ่มสาวในพอลิ เมอร์/CNF สิท experimentally (Chaos มาร้อยเอ็ด al., 2011, Cho et al., 2011, Hine et al., 2005, Iwahoria et al., 2005 และวัง et al., 2010)ตั้งแต่การสังเกตของพวกเขา นักสืบมากมายมีรายงานคุณสมบัติทางกายภาพ และเชิงกลที่โดดเด่นสำหรับ CNTs ความหนาแน่นของ SWCNT ประมาณ 1.33 1.40 g/cm3 ซึ่งเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของความหนาแน่นของอะลูมิเนียมเท่านั้น คุณสมบัติยืดหยุ่นและความแข็งแรงของ SWCNT และ MWCNTs ได้รับอย่างกว้างขวางศึกษา analytically และ experimentally ตามหลักวิชา โมดูลัสของยังบริษัทคือ 1 ถึงส.ส.ท. CTE ระยะยาวรายงานของบริษัทเป็น− 1.5 × 10−6 °C−1.Despite, CTE รัศมีบริษัท ประมาณ 15 × 10−6 ° C−1 แรงรายงานของ SWCNT จะขนาดใหญ่กว่าของเหล็กกล้าความแข็งแรงสูง ทานในคุณสมบัติแรงดึงเชิงกลแสดงประมาณการเชิงเส้นเพิ่มความแข็งคอมโพสิต แต่ลดความแข็งแรง และสายพันธุ์จะล้มเหลวสำหรับเติมเพราะเศษน้ำหนักประมาณ 1 wt % มันได้ถูก experimentally และตามหลักวิชาพิสูจน์แล้ว โดยนักวิจัยว่า โมดูลัสสูงและ CTE ลบ CNTs เมตริกซ์แม้จะ มีน้ำหนักมากส่วนของ CNTs (< 1 wt %) มี CTE ต่ำมากเมื่อเปรียบเทียบกับเมตริกซ์บริสุทธิ์ (เต็ง et al., 2008 และ Xu และ al., 2006)13.2.2 การสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวของเมทริกซ์ผลเสริมนาโนส่วนใหญ่ของวัสดุเพิ่มขึ้นดูในมิติของพวกเขาเมื่อพบกับฟลักซ์ความร้อนภายใต้ความดันคง อย่างไรก็ตาม วัสดุบางสัญญาภายใต้ความร้อน และแสดงการขยายตัวติดลบ นอกจาก ถ้าเป็นวัสดุทึบแสดงคุณสมบัติความร้อนแตกต่างกันไปตามทิศทางที่แตกต่างกัน ขยายได้ anisotropic โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นในคอมโพสิตเสริม ที่เสริมแรงที่มีคุณสมบัติระบายความร้อนที่แตกต่างจากของเมทริกซ์ โพลิเมอร์เช่นเรซินสังเคราะห์ โดยทั่วไปมี CTE สูงเมื่อเปรียบเทียบกับเส้นใยและโลหะ ในโพลิเมอร์ CTE ถูกแบ่งออกเป็นสองส่วน ก่อน และ หลังแก้วอุณหภูมิแบบฉับพลัน (Tg) โพลิเมอร์และคอมโพสิตสูญเสียคุณสมบัติทางกลส่วนใหญ่หลังจากอุณหภูมิการเปลี่ยนแก้วดังกล่าวก่อน ตกค้างจะสร้างครบกำหนดไม่ตรงกันของคุณสมบัติทางกล และความร้อนของเส้นใยและเมตริกซ์ ดูเหมือนว่าคลื่นตกค้างมากพึ่ง CTE ของคอมโพเนนต์ของคอมโพสิต ในระดับเครื่องกลแม ขยายและหดตัวของชั้นแตกต่างกันกับแนวอื่นเป็นแหล่งสำคัญของตกค้าง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง CTE ชั้น uni ทิศตามทิศทางระยะยาวได้มากกว่า CTE ในทิศทาง transverse เนื่องจากความร้อนคุณสมบัติต่างอยู่ตามทิศเหล่านี้ ดังนั้น ในระหว่างการแข็งตัวและเย็นกระบวน โครงร่างของชั้นกับ CTE แตกต่างกัน ผลในการเหนี่ยวนำแมส่วนที่เหลือจากความเครียดในวัสดุผสม ในพอลิเมอร์คอมโพสิต ใยมี CTE ต่ำเมื่อเปรียบเทียบกับเมตริกซ์ และในระหว่างกระบวนการบ่มผิว และระบายความร้อน เมตริกซ์ได้หดตัวมากขึ้น ดังนั้นความตึงเครียดเหลือ compressive ผ่านเส้นใย และสร้างความเครียดแรงดึงโดยใช้เมตริกซ์ในระดับไมโครในการวิเคราะห์ CLT ของคอมโพสิตที่เคลือบหลายชั้น มันจะแสดงว่า CTE ที่ระยะยาว และ transverse ที่ใกล้ชิดของยูนิทิศชั้นให้เกิดความเครียดต่ำกว่าส่วนที่มีเหลือจากแมโคร ในระดับ micro-กลศาสตร์ น้อยต่าง CTE ของเส้นใยและเมตริกซ์ยังนำไปสู่ไมโครส่วนที่เหลือจากความเครียดน้อยการเหนี่ยวนำ (Shokrieh และ Safarabadi, 2012a, b) มีจำนวนมากของการทดลองศึกษาผลของ fillers นาโนโพลิเมอร์ CTE รอบ ๆ คุณสมบัติเฉพาะของนาโน fillers และลักษณะสำคัญของที่ตั้งติดต่อเมตริกซ์และเสริมเพิ่ม แม้สารนาโนน้ำหนักต่ำมากเศษ สิทเมตริกซ์ CTE ลดมาก (Xu และ al., 2006)มีข้อมูลน้อยเกี่ยวกับ CTE fillers นาโน กำหนดนาโนฟิลเลอร์ CTE เป็นโดยทั่วไปกระบวนการที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม ตามความสูงยังโมดูลัส คาดว่า CTE ของพวกเขาจะมากน้อยกว่าที่ matrixes ชนิด เนื่องจากคาร์บอน sp2 อะตอม lattices คาดว่า CNTs และ CNFs มี CTE ลบ ระยะยาว CTE ค่ารายงานที่เกี่ยวกับ− 1.5 × 10−6 ° C−1 ° 10−6 1 ×− C−1 CNTs และ CNFs ตามลำดับ มีรายงานค่านี้ในทิศทางที่ transverse สำหรับ 15 × 10−6 ° C−1มีสมการไม่ชัดเจนในแบบจำลองของ CTE เมตริกซ์กับ fillers นาโนนาโนสเกลที่แน่นอน แต่จำลองเช่น dynamics โมเลกุลสามารถประมาณ CTE ของคอมโพสิต nanofiller/เมทริกซ์ อย่างไรก็ตาม เพื่อกำหนด CTE ของคอมโพสิตชนิดเสริมกับ CNTs และ CNFs นักวิจัยน้อยพิจารณาเส้นใยสั้นเป็น fillers นาโนเหล่านี้ใช้สมการ CTE ในระดับไมโคร และประเมิน CTE สิท (Gonnet, 2004 และ Hsiao และ Gangireddy, 2008)ในส่วนสุดท้ายของบทนี้ ใช้วิเคราะห์เทอร์โมเครื่องกล (TMA), มันจะแสดงว่า CNFs มากส่งผลต่อพฤติกรรมความร้อนของโพลิเมอร์เรซินสังเคราะห์ ดัง CTE transverse ของชั้น uni ทิศลดลงอย่างมาก

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

13.1 บทนำ13.2.1 สารเติมแต่งนาโนธรรมดาดอกเบี้ยในปัจจุบันนาโนคอมพอสิตเริ่มต้นขึ้นในปี 1991 โตโยต้าประสบความสำเร็จในการกระจายตัวของดินในชั้นซิลิเกตไนล่อน 6 ซึ่งเพิ่มสูงอุณหภูมิบิดเบือนความร้อน (HDT) และคุณสมบัติทางกลของไนล่อน 6 คอมโพสิต พร้อมกันในปี 1991 Iijima (1991) พบท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) ซึ่งได้รับความสนใจมากจากนักวิจัยในช่วงที่ผ่านมา 20 ปี. ปัจจุบันเป็นจำนวนมากของสารเติมแต่งนาโนที่มีอยู่แบ่งออกเป็นสี่ประเภททั่วไป: อนุภาคนาโน, nanoplatelets, เส้นใยนาโนและท่อนาโน สารเติมแต่งนาโนเหล่านี้แตกต่างกันในลักษณะทางสัณฐานวิทยาเรขาคณิต, เคมี, อัตราส่วนและขนาดรวม ประเภทของนาโนสารเพิ่มทางเลือกสำหรับการกระจายตัวในเมทริกซ์จะขึ้นอยู่กับแอพลิเคชันที่ตั้งใจไว้. บางอนุภาคนาโนที่ใช้ในคอมโพสิตรวม SiO2, อลูมิ ZWP และออกไซด์ของโลหะในระดับนาโนเมตร สารเติมอนุภาคนาโนส่งผลให้เกิดความมั่นคงสูงขึ้นลด CTE และเทียบเท่าหรือต่ำกว่าความแข็งแรงและการยืดตัวของเมทริกซ์ (Naganuma และคากาวะ, 2002 และ Nishino et al., 2009). นาโนดิน, กราไฟท์และกราฟีนประเภทของสารเติมแต่งนาโน nanoplatelet ที่มีอยู่ วัสดุชั้นในขณะที่กลุ่มของพวกเขารัฐ มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะจ้างวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าชั้นจะถูกแยกออกอย่างพอเพียงและการแพร่ระบาดไปทั่วเมทริกซ์ ชั้นของดินเหนียวนาโนเป็นประมาณ 1 นาโนเมตรความหนาและประกอบด้วยเกล็ดเลือดประมาณ 100 นาโนเมตรความกว้าง ความหนาของกราฟีนและกราไฟท์เป็นเรื่องเกี่ยวกับ 0.34 และ 10 นาโนเมตรตามลำดับ แกรฟีนเป็นเพียงชั้นเดียวของกราไฟท์ มันเป็นพื้นชั้นเดียวคาร์บอน sp2-ไฮบริดที่มีเครือข่าย delocalized πถูกผูกมัด โมดูลัสทฤษฎีของหนุ่มชั้น graphene แต่ละ 1600 GPa นอกจากนี้ยังมี CTE เชิงลบอื่น ๆ ที่คล้ายกับคาร์บอนนาโนฟิลเลอร์ โพลิเมอร์ที่ใช้ nanoplatelets nanocomposites แสดงความมั่นคงที่ดีขึ้น, ความเหนียวความแข็งแรงและความร้อนเช่นเดียวกับการลดลง CTE (Alexandre และบัว 2000 และมิลเลอร์, 2008). เส้นใยนาโนคาร์บอน (CNFs) ที่ใช้ในการเสริมสร้างความหลากหลายของโพลีเมอรวมทั้งโพรพิลีน โพลีคาร์บอเนต, ไนลอน polyethersulfone (PES) polyethyleneterephthalate (PET) polyphenylenesulfide (PPS) Acrylonitrile Butadiene-สไตรีน (ABS) และอีพ็อกซี่ CNFs มักจะมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางในคำสั่งของ 50-200 นาโนเมตรโมดูลัสของหนุ่มสาวประมาณ 246-600 GPa และ CTE เชิงลบประมาณ - 1 x 10-6 ° C-1 ดังนั้น CNFs สามารถใช้เพื่อลด CTE และเพิ่มโมดูลัสของยังของโพลิเมอร์ กลุ่มวิจัยหลายการทดลองรายงาน CTE และการปรับปรุงโมดูลัสของหนุ่มในลิเมอร์ / CNF นาโนคอมพอสิต (Chaos-โมรา et al., 2011, Cho et al., 2011 Hine et al., 2005 Iwahoria et al., 2005 และวัง et al, ., 2010). ตั้งแต่การสังเกตของพวกเขานักวิจัยจำนวนมากได้รายงานคุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่น่าทึ่งสำหรับ CNTs ความหนาแน่นของ SWCNT การให้เป็นเรื่องเกี่ยวกับ 1.33-1.40 g / cm3 ซึ่งเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของความหนาแน่นของอลูมิเนียม คุณสมบัติยืดหยุ่นและความแข็งแรงของ SWCNT MWCNTs และได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางทั้งวิเคราะห์และทดลอง ในทางทฤษฎีโมดูลัสหนุ่ม CNT เป็นได้ถึง 1 ตันต่อปี รายงาน CTE ยาวของ CNT คือ - 1.5 × 10-6 ° C-1.Despite นี้ซีเอ็น CTE รัศมีประมาณ 15 × 10-6 ° C-1 ความต้านทานแรงดึงรายงาน SWCNT มีขนาดใหญ่กว่าของเหล็กความแข็งแรงสูง ตรวจสอบที่มีต่อสมบัติทางกลแรงดึงแสดงให้เห็นการเพิ่มขึ้นในเชิงเส้นประมาณตึงคอมโพสิตลดลง แต่ในความแข็งแรงและความเครียดที่จะล้มเหลวสำหรับเศษส่วนน้ำหนักบรรจุประมาณ 1% โดยน้ำหนัก จะได้รับอยู่แล้วการทดลองและพิสูจน์ทฤษฎีจากจำนวนนักวิจัยว่าเพราะโมดูลัสสูงและ CTE เชิงลบของ CNTs, เมทริกซ์แม้จะมีส่วนน้ำหนักที่ต่ำมากของ CNTs (<1% โดยน้ำหนัก) มีต่ำกว่ามาก CTE ในการเปรียบเทียบกับบริสุทธิ์ แมทริกซ์ (เติ้ง et al., 2008 และ Xu et al., 2006). 13.2.2 ผลกระทบนาโนสารเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์ของการขยายตัวทางความร้อนของเมทริกซ์ส่วนใหญ่ของวัสดุที่แสดงให้เห็นการเพิ่มขึ้นในมิติของพวกเขาเมื่อต้องเผชิญหน้ากับการไหลของความร้อนภายใต้ความกดดันอย่างต่อเนื่อง แต่บางสัญญาวัสดุภายใต้ความร้อนและแสดงการขยายตัวทางความร้อนเชิงลบ นอกจากนี้หากเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งแสดงให้เห็นถึงสมบัติทางความร้อนที่แตกต่างกันไปตามทิศทางที่แตกต่างกันขยายความร้อนสามารถ anisotropic โดยเฉพาะอย่างยิ่งปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นในคอมโพสิตเสริมซึ่งการเสริมแรงมีสมบัติทางความร้อนแตกต่างจากของเมทริกซ์ โพลีเมอเช่นอีพ็อกซี่ที่สูงขึ้นโดยทั่วไปมี CTE ในการเปรียบเทียบกับเส้นใยและโลหะ ในโพลิเมอร์ CTE แบ่งออกเป็นสองส่วนก่อนและหลังกระจกอุณหภูมิชั่วคราว (TG) โพลีเมอและคอมโพสิตสูญเสียมากที่สุดของคุณสมบัติทางกลของพวกเขาหลังจากอุณหภูมิการเปลี่ยนกระจก. ดังกล่าวก่อนความเครียดที่เหลือจะถูกสร้างขึ้นเนื่องมาจากการไม่ตรงกันของสมบัติเชิงกลและความร้อนของเส้นใยและเมทริกซ์ ดูเหมือนว่าความเครียดความกว้างเหลือขึ้นอยู่กับ CTE ชิ้นส่วนคอมโพสิต ในระดับมหภาคกลการขยายตัวและการหดตัวของชั้นที่แตกต่างกันกับการหมุนที่แตกต่างกันเป็นแหล่งที่มาของความเครียดที่เหลือ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง CTE ของชั้นทิศทางเดียวตามทิศทางตามยาวมากต่ำกว่า CTE ในทิศทางขวางเพราะความแตกต่างทางความร้อนของสถานที่ให้บริการไปตามทิศทางเส้นใยเหล่านี้ ดังนั้นในระหว่างการบ่มและกระบวนการระบายความร้อนรูปแบบของชั้นกับ CTE ที่แตกต่างกันกับแต่ละอื่น ๆ ผลในการเหนี่ยวนำความเครียดมหภาคตกค้างในคอมโพสิต ในลิเมอร์คอมโพสิตเส้นใยมี CTE ต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเมทริกซ์; และในระหว่างการบ่มและกระบวนการระบายความร้อน, เมทริกซ์ที่มีการหดตัวมากขึ้นดังนั้นความเค้นตกค้างอัดผ่านเส้นใยและความเครียดแรงดึงผ่านเมทริกซ์ที่มีการสร้างขึ้นที่ไมโครขนาด. ในการวิเคราะห์ CLT ของวัสดุผสมเคลือบหลายชั้นก็จะแสดงให้เห็นว่า ว่า CTE ยาวใกล้ชิดและตามขวางผลเร่ทิศทางเดียวต่ำความเครียดมหภาคที่เหลือ ในระดับไมโครกลไกที่แตกต่างน้อยระหว่าง CTE ของเส้นใยและเมทริกซ์ยังนำไปสู่การเหนี่ยวนำความเครียดไมโครเหลือน้อย (Shokrieh และ Safarabadi, 2012a b) มีจำนวนมากของการศึกษาทดลองดำเนินการรอบผลกระทบของสารนาโนโพลิเมอร์ใน CTE มี เนื่องจากมีคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของสารนาโนและลักษณะที่สำคัญของนาโนคอมพอสิตที่ผ่านสัมผัสของการเพิ่มขึ้นของเมทริกซ์และการเสริมแรงทั้งๆที่สารนาโนส่วนน้ำหนักต่ำมากเมทริกซ์ CTE ลดลงมาก (Xu et al., 2006). เล็ก ๆ น้อย ๆ ข้อมูลเกี่ยวกับ CTE สารนาโนที่มีอยู่ กำหนด CTE นาโนฟิลเลอร์โดยทั่วไปเป็นกระบวนการที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตามตามที่โมดูลัสสูงของเด็กหนุ่มของพวกเขาก็เป็นที่คาดว่า CTE ของพวกเขาจะมากน้อยกว่าที่ของพอลิเมอ matrixes เพราะโปรยอะตอมคาร์บอน sp2 มันเป็นที่คาดว่า CNTs และ CNFs มี CTE เชิงลบ ระยะยาวค่า CTE จะมีการรายงานเกี่ยวกับ - 1.5 × 10-6 ° C-1 - 1 × 10-6 ° C-1 สำหรับ CNTs และ CNFs ตามลำดับ ค่านี้ไปในทิศทางขวางมีรายงาน 15 × 10-6 ° C-1. ไม่มีสมการที่ชัดเจนสำหรับการสร้างแบบจำลองที่แน่นอนของ CTE ของเมทริกซ์ที่มีสารนาโนที่ระดับนาโน แต่การจำลองเช่นการเปลี่ยนแปลงโมเลกุลสามารถใกล้เคียงกับของ CTE nanofiller / คอมโพสิตเมทริกซ์ อย่างไรก็ตามในการที่จะกำหนด CTE ของคอมโพสิตพอลิเมอเสริมด้วย CNTs และ CNFs นักวิจัยไม่กี่พิจารณาสารนาโนเหล่านี้เป็นเส้นใยสั้นและใช้สมการ CTE ในไมโครขนาดและประเมิน CTE ของนาโนคอมพอสิต (ที่ Gonnet 2004 และ Hsiao และ Gangireddy 2008). ในส่วนสุดท้ายของบทนี้โดยใช้การวิเคราะห์ความร้อนของเครื่องจักรกล (TMA) ก็แสดงให้เห็นว่า CNFs มากจะมีผลต่อพฤติกรรมทางความร้อนของพอลิเมออีพ็อกซี่ เป็นผลให้ขวาง CTE ของชั้นทิศทางเดียวลดลงอย่างมาก

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

13.1 . แนะนำ

13.2.1 . ปกติสารนาโน

ดอกเบี้ยปัจจุบันในนาโนคอมโพสิตเริ่มต้นขึ้นในปี 1991 โตโยต้าได้รับการกระจายของชั้นซิลิเกตเคลย์ใน nylon-6 ซึ่งเพิ่มขึ้นสูงอุณหภูมิความร้อนบิดเบือน ( hdt ) และสมบัติเชิงกลของวัสดุผสม nylon-6 . พร้อมกันในปีค.ศ. 1991 ( พ.ศ. 2534 ) อิจิมะ ค้นพบท่อนาโนคาร์บอน ( cnts )ซึ่งได้ดึงดูดความสนใจมากจากนักวิจัยในช่วง 20 ปีที่ผ่านมา

ปัจจุบัน , จํานวนของวัตถุนาโนที่มีแบ่งออกเป็นสี่ประเภททั่วไป : nanoplatelets nanofibres นาโน , นาโน , และ . สารนาโนเหล่านี้แตกต่างกันในรูปร่าง รูปทรงเรขาคณิต , เคมี , อัตราส่วนและขนาดรวม .ประเภทของนาโนเสริมเลือกกระจายในเมทริกซ์จะขึ้นอยู่กับวัตถุประสงค์การใช้งาน

บางทั่วไปที่ใช้ในคอมโพสิทประกอบด้วย SiO2 นาโนอะลูมินา zwp และโลหะออกไซด์ในระดับนาโนเมตร สารเติมแต่งสำหรับผลที่สูงกว่าและความแข็งแรงเทียบเท่าหรือต่ำกว่าพื้นฐาน ความแข็งแรงและการยืดตัวของเมทริกซ์ ( naganuma และ คากาวะ ปี 2002 และ นิชิโนะ et al . , 2009 ) .

นาโนเคลย์ , กราไฟท์และกราฟีนเป็นชนิดของ nanoplatelet นาโนสารที่มีอยู่เป็นชั้นของวัสดุในกลุ่มอเมริกา มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะใช้วิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าชั้นจะพอแยกและกระจายทั่วทั้งเมทริกซ์ ชั้นของนาโนเคลย์ 1 nm ในความหนาและมีเกล็ดเลือดประมาณ 100 nm ในความกว้างความหนาของกราฟีนและแกรไฟต์ประมาณ 0.34 และ 10 นาโนเมตร กราฟีนเป็นเพียงชั้นเดียวของแกรไฟต์ มันเป็นเลเยอร์เดียวของ SP2 ) คาร์บอนกับถูกเคลื่อนย้ายπ - bonded เครือข่าย ทฤษฎีโมดูลัสของแต่ละชั้น graphene คือ 1600 GPA . นอกจากนี้ยังมีค่า CTE คล้ายกับนาโนคาร์บอนอื่น ๆที่ใช้เติมพอลิเมอร์นาโนคอมโพสิตจาก nanoplatelets แสดงการปรับปรุงความแข็ง ความเหนียว ความแข็งแรง และเสถียรภาพทางความร้อน ตลอดจนลด CTE ( Alexandre และดูบัวส์ , 2000 และ มิลเลอร์ , 2008 ) .

nanofibres คาร์บอน ( cnfs ) จะใช้ในการเสริมสร้างความหลากหลายของวัสดุรวมทั้งโพลี , โพลีคาร์บอเนต , ไนลอน , โพลี เทอร์ซัลโฟน ( PES ) polyethyleneterephthalate ( สัตว์เลี้ยง ) , polyphenylenesulfide ( PPS )อะคริโลไนไตรล์บิวทาไดอีนสไตรีน ( ABS ) และอีพอกซี cnfs โดยทั่วไปมีเส้นผ่าศูนย์กลางในการสั่งซื้อ 50 ถึง 200 nm ค่าโมดูลัสของยังของเกี่ยวกับ 246 600 คะแนน และลบ ETC ประมาณ− 1 x 10 − 6 ° C − 1 ดังนั้น cnfs สามารถใช้เพื่อลดและเพิ่มค่า CTE ยองของพอลิเมอร์กลุ่มงานวิจัยหลายการทดลองรายงาน CTE และปรับปรุงโมดูลัสยังในพอลิเมอร์ / CNF นาโนคอมโพสิต ( วุ่นวายโมรา et al . , 2011 , โช et al . , 2011 , ไฮน์ et al . , 2005 iwahoria et al . , 2005 และ Wang et al . , 2010 ) .

ตั้งแต่การสังเกตของพวกเขา นักวิจัยมากมายมี รายงานที่น่าทึ่งทางกายภาพและเชิงกลสำหรับ cnts . ความหนาแน่นของ swcnt ประมาณ 1.33 ลิตร 1.40 กรัม ,ซึ่งเป็นเพียงครึ่งหนึ่งของความหนาแน่นของอลูมิเนียม การยืดหยุ่นและความแข็งแรงและคุณสมบัติของ swcnt mwcnts ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง ทั้งการวิเคราะห์และทดลองด้วย ในทางทฤษฎี , CNT เตลิดขึ้นไป 100 TPA . รายงานตามยาว CTE ของ CNT เป็น 1.5 × 10 −−− 6 ° C 1.despite นี้ , CNT รัศมี ETC ประมาณ 15 × 10 − 6 ° C − 1มีความต้านทานแรงดึงของ swcnt มีขนาดใหญ่กว่าของความแข็งแรงสูงเหล็ก ความคิดเห็นที่กลดึงคุณสมบัติ พบเพิ่มขึ้นประมาณเชิงเส้นในคอมโพสิตเนส แต่การลดลงของความแข็งแรงและความเครียดความล้มเหลวสำหรับเศษส่วนของตัวน้ำหนักประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักมันได้ผลและตามหลักวิชาพิสูจน์โดยจำนวนของนักวิจัย เพราะโมดูลัสสูง และลบของ cnts CTE , เมทริกซ์แม้แต่น้อยมาก น้ำหนัก สัดส่วน cnts ( < 1 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก ) มีมากในการเปรียบเทียบกับราคาพื้นฐาน เมทริกซ์บริสุทธิ์ ( เติ้ง et al . , 2008 และ Xu et al . , 2006 ) .

13.2.2 . นาโนเสริมผลกระทบต่อค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเมทริกซ์

มากที่สุดของวัสดุที่เพิ่มขึ้นแสดงในมิติของพวกเขาเมื่อพบกับฟลักซ์ความร้อนภายใต้ความดันคงที่ แต่วัสดุบางอย่างสัญญาภายใต้ความร้อนและแสดงให้เห็นการขยายตัวทางความร้อนเชิงลบ อีกอย่าง ถ้าเป็นวัสดุทึบแสดงสมบัติทางความร้อนที่แตกต่างกันไปตามเส้นทางต่าง ๆ การขยายตัวจะอุบ . โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ปรากฏการณ์นี้จะเกิดขึ้นในโครงสร้างคอมโพสิตซึ่งมีคุณสมบัติแตกต่างจากความร้อนแรงของเมทริกซ์ พอลิเมอร์ เช่น อีพ็อกซี่ โดยทั่วไปจะสูงกว่าในการเปรียบเทียบกับเส้นใย CTE และโลหะ ในศูนย์ ETC จะแบ่งออกเป็นสองส่วนก่อน และ หลังอุณหภูมิลดกระจก ( TG ) พอลิเมอร์และคอมโพสิตสูญเสียมากที่สุดของพวกเขา คุณสมบัติทางกล หลังจากอุณหภูมิสภาพแก้ว

ดังกล่าวก่อนเหลือแรงขึ้นเนื่องจากการไม่ตรงกันของเชิงกลและสมบัติทางความร้อนของเส้นใย และเมทริกซ์ ดูเหมือนว่า ที่เหลือเน้นความกว้างขวางเพิ่มเติมขึ้นอยู่กับพื้นฐานของชิ้นส่วนคอมโพสิต ที่แมโครเครื่องกลระดับการขยายตัวและการหดตัวของชั้นที่แตกต่างกันกับการปรับตัวแตกต่างเป็นแหล่งตกค้างของความเครียด โดยเฉพาะอย่างยิ่งพื้นฐานของยูนิทิศทางวิ่งตามทิศทางตามยาวจะน้อยกว่า CTE ในทิศทางตามขวาง เพราะความแตกต่างของสมบัติทางความร้อนของเส้นใยตามเส้นทางเหล่านี้ ดังนั้นในระหว่างการบ่ม และเย็นกระบวนการ , รูปแบบของชั้นต่าง ๆ ETC กับแต่ละอื่น ๆ ผลลัพธ์ในแมโครความเค้นที่ตกค้างด้วยคอมโพสิต ในพอลิเมอร์คอมโพสิตเส้นใยมีฐานะพื้นฐานในการเปรียบเทียบกับเมทริกซ์ และในระหว่างการบ่ม และเย็น ( เมทริกซ์มีการหดตัวมากขึ้น จึงอัดความเค้นที่ตกค้างผ่านเส้นใย และความเค้นดึงผ่านเมทริกซ์ที่ถูกสร้างขึ้นในระดับไมโคร

ใน CLT การวิเคราะห์แบบเคลือบวัสดุผสม ,มันแสดงให้เห็นว่าใกล้ตามยาวและตามขวางของเส้นในทิศทางหนึ่ง ETC จากแมโครตกค้างลดความเครียด ในระดับควอนตัมกลศาสตร์ น้อยกว่าความแตกต่างระหว่างพื้นฐาน ของเส้นใยเมทริกซ์และก่อให้เกิดความเค้นตกค้าง ( shokrieh ไมโครน้อยลงและการ safarabadi 2012a , B )มีการทดลองการศึกษารอบผลของนาโนสารบนพอลิเมอร์ ETC . ด้วยคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ของนาโนและสารลักษณะสําคัญของนาโนคอมโพสิตที่ผ่านพื้นที่ติดต่อของเมทริกซ์และเสริมเพิ่มแม้นาโนสารต่ำมากน้ำหนักเศษส่วนเมทริกซ์ CTE ลดลงมาก ( Xu et al . , 2006 ) .

ข้อมูลเล็ก ๆน้อย ๆเกี่ยวกับ พื้นฐาน ของ นาโน สารมี กำหนดนาโนฟิลเลอร์ ETC โดยทั่วไปกระบวนการที่ซับซ้อน อย่างไรก็ตาม , ตาม ของพวกเขาสูงมอดุลัสของยังคาดว่าของ ETC จะมากน้อยกว่าที่ของพอลิเมอร์ matrixes . เพราะอะตอมคาร์บอน sp2 หน้าคาดว่า cnts cnfs ลบและมี ETC . ตามยาว CTE ค่ารายงานเกี่ยวกับ− 15 × 10 − 6 ° C −− 1 × 10 − 1 และ 6 ° C − 1 สำหรับ cnts และ cnfs ตามลำดับ ค่านี้ในทิศทางตามขวาง 15 × 10 −รายงาน 6 ° C − 1 .

ไม่มีชัดเจนสมการแบบจำลองที่แน่นอนของ ETC ของเมทริกซ์ด้วยสารนาโนที่นาโนขนาด แต่การจำลองเช่นพลศาสตร์โมเลกุลสามารถประมาณ ETC ของ nanofiller / เมทริกซ์คอมโพสิต อย่างไรก็ตามเพื่อศึกษาพื้นฐาน ของพอลิเมอร์คอมโพสิตเสริมแรงด้วย cnts และ cnfs นักวิจัยไม่กี่พิจารณาสารนาโนเหล่านี้เป็นเส้นใยสั้นและใช้สมการพื้นฐานในระดับไมโครและนาโนคอมโพสิต ( CTE ของประมาณการและ gangireddy เชา กอนเย , 2004 และ 2008 ) .

ในส่วนสุดท้ายของบทนี้โดยใช้การวิเคราะห์เทอร์โม กล ( TMA )มันแสดงให้เห็นว่า cnfs สามารถมากมีผลต่อพฤติกรรมทางความร้อนของอีพอกซีพอลิเมอร์ ผล ของ ETC ของยูนิทิศทางเกลียวลดลงอย่างมาก