Thermo‑mechanical coupling effects on high‑velocity impact damage of CFRP laminates: Experiment and temperature‑dependent dynamic constitutive modeling

एक जेट इंजन के अंदरूनी हिस्से की कल्पना एक उच्च-दांव वाले डांस फ्लोर के रूप में करें जहाँ विशाल धातु के ब्लेड अविश्वसनीय गति से घूम रहे हैं। यदि इनमें से एक ब्लेड टूटकर अलग हो जाता है और उड़ जाता है, तो वह एक घातक प्रोजेक्टाइल (गोले) के रूप में इंजन के बाहरी आवरण की ओर तेजी से बढ़ता है। विमान को सुरक्षित रखने के लिए, इस आवरण को—जो अक्सर हल्के, अत्यंत मजबूत कार्बन फाइबर से बना होता है—एक अटूट ढाल की तरह कार्य करना चाहिए, जो उड़ते हुए मलबे को बिना टूटे रोक सके। लेकिन यहाँ एक मोड़ है: इस आवरण के आसपास की हवा केवल ठंडी ही नहीं है; यह झुलसा देने वाली गर्म भी है, कभी-कभी ऐसे तापमान तक पहुँच जाती है जो साधारण प्लास्टिक को पिघला सकते हैं।

वैज्ञानिक लंबे समय से जानते हैं कि सामग्रियाँ गर्म बनाम ठंडी होने पर अलग तरह से व्यवहार करती हैं। च्युइंग गम के एक टुकड़े के बारे में सोचें: फ्रीजर में, यह सख्त और भंगुर होता है, जिसे मारने पर वह आसानी से टूट जाता है; आपकी जेब में, यह नरम और लचीला होता है, जो खिंचकर प्रहार को सोख लेता है। यह शोध पत्र एक पेचीदा सवाल को संबोधित करता है: जब आप एक अत्यंत मजबूत, गर्मी-प्रतिरोधी कार्बन फाइबर ढाल को किसी तेज गति वाली वस्तु से टकराते हैं जबकि वह पहले से ही गर्म हो, तो क्या होता है? क्या गर्मी इसे टकराने से रोकने के लिए बहुत नरम बना देती है, या क्या प्रभाव की तीव्र गति इसे और अधिक मजबूत बना देती है? इसका उत्तर देने के लिए, शोधकर्ताओं को एक विशेष प्रकार का "टाइम मशीन" बनाना पड़ा—एक कंप्यूटर सिमुलेशन जो यह अनुमान लगा सके कि अत्यधिक गर्मी और गति की इन संयुक्त स्थितियों में सामग्री कैसे टूट सकती है, फट सकती है और मुड़ सकती है।

गर्म और भारी प्रभाव परीक्षण (The Hot and Heavy Impact Test)

इस अध्ययन में, शोधकर्ताओं की एक टीम ने कार्बन फाइबर प्रबलित रेजिन (कार्बन फाइबर को एक विशेष प्लास्टिक के साथ चिपकाने का एक शानदार नाम) को कठिन परीक्षा से गुजरने का निर्णय लिया। वे देखना चाहते थे कि ये सामग्रियाँ कैसा प्रदर्शन करती हैं जब उन्हें एक गर्म ओवन में रखे हुए एक तेज प्रोजेक्टाइल द्वारा हिट किया जाता है। अधिकांश पिछले परीक्षण एक ठंडे, आरामदायक कमरे में किए गए थे, लेकिन वास्तविक जेट इंजन उससे कहीं अधिक गर्म होते हैं। इसलिए, टीम ने कार्बन फाइबर प्लेटों पर छोटे स्टील के गोलों को दागने के लिए एक विशाल एयर कैनन तैयार की। उन्होंने उन्हें केवल कमरे के तापमान पर नहीं छोड़ा; उन्होंने गोलों को दागने से पहले प्लेटों को 160°C और यहाँ तक कि 200°C (लगभग 320°F से 392°F) तक गर्म किया।

गोले 237 मीटर/सेकंड से 337 मीटर/सेकंड की गति से चले। कुछ शॉट टकराकर वापस आ गए या फंस गए (नॉन-पेनेट्रेशन), जबकि कुछ ने सीधे छेद कर दिया (पेनेट्रेशन)। जो हुआ उसे देखकर, टीम ने पाया कि जैसे-जैसे तापमान बढ़ा, सामग्री कमजोर होती गई। गर्म प्लेटों के लिए गोलों को रोकना कठिन होता गया। 200°C पर, "बैलिस्टिक लिमिट" (वह गति जिस पर गोला मुश्किल से छेद करता है)—ठंडे परीक्षणों की तुलना में काफी कम हो गई। क्षति का स्वरूप सामने की तरफ एक गहरे गड्ढे, पीछे की तरफ एक उभार और अंदर रेशों के फटने और टूटने के एक उलझे हुए जाल के मिश्रण जैसा था।

"आभासी प्रयोगशाला" और जादुई कोड (The "Virtual Lab" and the Magic Code)

चूंकि आप हर बार एक नया विचार परीक्षण करने के लिए एक जेट इंजन को आसानी से दोबारा नहीं बना सकते, इसलिए शोधकर्ताओं ने ABAQUS नामक एक कंप्यूटर प्रोग्राम के भीतर एक "आभासी प्रयोगशाला" बनाई। उन्होंने एक विशेष कोड (जिसे VUMAT सबरूटिन कहा जाता है) लिखा जो सिमुलेशन के मस्तिष्क के रूप में कार्य करता है। यह कोड दो प्रतिस्पर्धी बलों को समझने के लिए डिज़ाइन किया गया था:

1. थर्मल सॉफ्टनिंग (Thermal Softening): च्युइंग गम की तरह, रेशों को जोड़ने वाला गर्म प्लास्टिक गोंद नरम और कमजोर हो जाता है।
2. स्ट्रेन-रेट स्ट्रेंथनिंग (Strain-Rate Strengthening): जब आप किसी चीज़ को अविश्वसनीय रूप से तेज़ी से मारते हैं, तो सामग्रियाँ अक्सर अस्थायी रूप से मजबूत हो जाती हैं, जैसे कि नदी का पत्थर धीरे से किक करने के बजाय तेज़ी से किक करने पर अधिक कठोर महसूस होता है।

शोधकर्ताओं के कोड को इन दोनों के बीच संतुलन बनाना था। इसे यह जानने की आवश्यकता थी कि गर्मी गोंद को लचीला बना रही है, लेकिन गोली की उच्च गति पूरे ढांचे को सख्त बनाने की कोशिश कर रही है। उन्होंने यह तय करने के लिए कि सामग्री ठीक कब और कैसे टूटेगी: क्या रेशे टूटेंगे? क्या गोंद में दरार आएगी? क्या परतें अलग हो जाएंगी? उन्होंने नियमों का एक सेट (3D Hashin failure criterion) उपयोग किया।

उन्होंने क्या पाया

जब उन्होंने अपने आभासी सिमुलेशन चलाए, तो परिणाम आश्चर्यजनक रूप से सटीक थे। कंप्यूटर ने सटीक भविष्यवाणी की कि गड्ढे कहाँ बनेंगे, रेशे कैसे टूटेंगे, और गोली फंस जाएगी या छेद करके निकल जाएगी। वास्तव में, गोले की गति के बारे में कंप्यूटर का अनुमान वास्तविक जीवन के परीक्षणों की तुलना में 5% से भी कम अंतर पर था।

अध्ययन ने पुष्टि की कि हालांकि प्रभाव की उच्च गति सामग्री को मजबूत करने की कोशिश करती है, लेकिन उच्च तापमान जीत जाता है, जिससे सामग्री बहुत अधिक संवेदनशील हो जाती है। क्षति आमतौर पर नरम गोंद के फटने से शुरू होती है, फिर परतों के अलग होने तक फैलती है, और अंत में मजबूत रेशों के टूटने के साथ समाप्त होती है। यह "सॉफ्टनिंग" प्रभाव ही मुख्य कारण है जिससे उच्च तापमान पर सामग्री विफल हो जाती है।

यह क्यों महत्वपूर्ण है

यह केवल प्लास्टिक पर चीजें दागने के बारे में नहीं है; यह हवाई जहाजों को सुरक्षित रखने के बारे में है। यह सिद्ध करके कि उनका कंप्यूटर मॉडल यह सटीक रूप से अनुमान लगा सकता है कि गर्म, उच्च-गति के टकरावों में ये सामग्रियाँ कैसे विफल होती हैं, शोधकर्ताओं ने इंजीनियरों को एक शक्तिशाली नया उपकरण दिया है। हर नए इंजन डिज़ाइन के लिए महंगे और खतरनाक भौतिक परीक्षण बनाने के बजाय, वे अब इस "आभासी प्रयोगशाला" का उपयोग ऐसे फैन केसिंग डिजाइन करने के लिए कर सकते हैं जो इंजन के सबसे गर्म चलने के दौरान भी उड़ते हुए मलबे को रोकने के लिए पर्याप्त मजबूत हों। यह शोध पत्र यह दावा नहीं करता है कि इसने दुनिया की हर समस्या को हल कर दिया है, लेकिन इसने सफलतापूर्वक कार्बन फाइबर पर गर्म, तेज़ प्रभावों के जटिल क्षेत्र में नेविगेट करने के लिए एक विश्वसनीय मानचित्र बनाया है।