Interlaminar Shear Degradation and Cohesive Zone Modelling of Thermally Aged CFRP Laminates
यह अध्ययन प्रायोगिक शॉर्ट बीम शियर परीक्षणों को बेयसियन-अनुमानित कोहेसिव ज़ोन मापदंडों और तापमान-निर्भर विकास मॉडलों के साथ जोड़कर, T700/एपॉक्सी CFRP लैमिनेट्स में थर्मल एजिंग इतिहास को इंटरलैमिनर शियर क्षरण से जोड़ने वाला एक मात्रात्मक ढांचा स्थापित करता है ताकि दीर्घकालिक इंटरफ़ेस व्यवहार और यांत्रिक प्रतिक्रिया का सटीक रूप से पूर्वानुमान लगाया जा सके।
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आधुनिक विमान, पवन टरबाइन और उच्च प्रदर्शन वाली कारें तेजी से एक ऐसी सामग्री पर निर्भर हो रही हैं जो स्टील जितनी मजबूत है लेकिन पंख जितनी हल्की है: कार्बन फाइबर रिइन्फोर्स्ड पॉलीमर। यह सामग्री कार्बन फाइबर की पतली परतों को एक चिपचिपे प्लास्टिक रेजिन में दबाकर, बिल्कुल एक सैंडविच की तरह, परतों में बिछाकर बनाई जाती है। जहाँ फाइबर मजबूती प्रदान करते हैं, वहीं रेजिन उन्हें एक साथ थामे रखता है और एक परत से दूसरी परत तक भार स्थानांतरित करता है। हालाँकि, ये संरचनाएं अक्सर एक अदृश्य दुश्मन का सामना करती हैं: गर्मी। वर्षों के भंडारण या सेवा के दौरान, गर्म हवा के संपर्क में आने से रेजिन की केमिस्ट्री धीरे-धीरे बदल सकती है, जिससे वह भंगुर (ब्रिटल) हो सकता है या फाइबर और प्लास्टिक के बीच का बंधन कमजोर हो सकता है। यह क्षति अक्सर नग्न आंखों से दिखाई नहीं देती, फिर भी यह परतों के अलग होने का कारण बन सकती है, जिसे डेलैमिनेशन (delamination) कहा जाता है, जो पूरी संरचना को खतरे में डाल सकता है। यह समझना कि गर्मी इस सामग्री को कैसे पुराना (एज) करती है, यह अनुमान लगाने के लिए महत्वपूर्ण है कि ये मशीनें कितने समय तक सुरक्षित रूप से उड़ या संचालित हो सकती हैं।
नानजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस अदृश्य क्षय का मानचित्र तैयार करने का लक्ष्य रखा। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के कार्बन फाइबर कंपोजिट पर ध्यान केंद्रित किया, जिसमें एक मानक परीक्षण का उपयोग किया गया जहाँ सामग्री के एक छोटे, मोटे ब्लॉक को टूटने तक मोड़ा जाता है। नमूनों को एक दिन से लेकर एक वर्ष से अधिक समय तक 150, 180 और 200 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर गर्म करके, उन्होंने देखा कि कतरनी बलों (shearing forces) का प्रतिरोध करने की सामग्री की क्षमता कैसे बदली। उन्होंने केवल यह नहीं मापा कि नमूने टूटने से पहले कितना भार सह सकते थे; उन्होंने शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे टूटी हुई सतहों का भी निरीक्षण किया और सामग्री के आंतरिक परतों के छिपे हुए गुणों को रिवर्स-इंजीनियर करने के लिए उन्नत कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग किया। लक्ष्य एक गणितीय मॉडल बनाना था जो केवल कुछ हफ्तों के परीक्षण के आधार पर यह अनुमान लगा सके कि सामग्री वर्षों के पुराने होने के बाद कैसा व्यवहार करेगी।
परिणामों से पता चला कि गर्मी केवल एक सीधी रेखा में सामग्री को कमजोर नहीं करती है। 150 डिग्री सेल्सियस के निचले तापमान पर, सामग्री ने कुछ महीनों के बाद वास्तव में थोड़ा अधिक भार वहन किया, जिससे संकेत मिलता है कि गर्मी ने शायद रेजिन को और अधिक सख्त करने या सेट करने में मदद की, जिसे पोस्ट-क्योरिंग (post-curing) कहा जाता है। हालाँकि, जैसे ही तापमान बढ़कर 180 और 200 डिग्री हुआ, या जैसे ही एक्सपोजर का समय 1,000 घंटों की ओर बढ़ा, सामग्री खराब होने लगी। 200 डिग्री पर एक पूरे वर्ष के बाद, सामग्री ने अपनी मूल ताकत का लगभग 91 प्रतिशत बनाए रखा, जो एक महत्वपूर्ण गिरावट थी जो गंभीर आंतरिक क्षति के आगमन का संकेत देती थी।
टूटे हुए टुकड़ों को करीब से देखने पर, शोधकर्ताओं ने सामग्री के विफल होने के तरीके में एक स्पष्ट बदलाव देखा। ताजे नमूने टूटे हुए रेजिन और अलग होते फाइबर के मिश्रण के साथ टूटते हैं। लेकिन जिन नम들이 को उच्च तापमान पर लंबे समय तक पकाया गया था, वे एक अलग कहानी दिखाते थे: फाइबर रेजिन से पूरी तरह साफ हो गए थे, और परतें इंटरफेस के साथ साफ तरीके से अलग हो गई थीं। यह दर्शाता है कि गर्मी ने फाइबर और प्लास्टिक के बीच के गोंद जैसे बंधन को कमजोर कर दिया था, जिससे परतें रेजिन के टूटने के बजाय एक-दूसरे से फिसलकर अलग हो गईं।
इसके पीछे के यांत्रिकी को समझने के लिए, टीम ने बेंडिंग टेस्ट का एक विस्तृत कंप्यूटर मॉडल बनाया। उन्होंने एक परिष्कृत गणितीय दृष्टिकोण का उपयोग किया, जो एक अत्यधिक कुशल 'ट्रायल-एंड-एरर' प्रणाली के समान है, ताकि परतों के बीच के इंटरफेस के छिपे हुए गुणों का अनुमान लगाया जा सके। उन्होंने अपने सिमुलेशन में तीन प्रमुख नंबरों को समायोजित किया: टूटने से पहले बंधन कितना सख्त था, विफलता के क्षण में बंधन कितना मजबूत था, और क्षति शुरू होने के बाद परतों को अलग करने में कितनी ऊर्जा लगी। वास्तविक दुनिया के परीक्षण डेटा के साथ अपने कंप्यूटर के आउटपुट का मिलान करके, उन्होंने पहचाना कि ये तीन गुण समय और तापमान के साथ कैसे बदले।
अध्ययन में पाया गया कि बंधन की ताकत प्राथमिक कारक थी जो यह नियंत्रित करती थी कि सामग्री कितना भार सह सकती है, जबकि बंधन की कठोरता (स्टिफनेस) ने यह निर्धारित किया कि सामग्री विफल होने से पहले कैसा व्यवहार करती है। परतों को अलग करने के लिए आवश्यक ऊर्जा ने यह नियंत्रित किया कि पीक लोड के बाद क्षति कैसे फैलती है। कम उम्र के चरणों के डेटा का उपयोग करके, शोधकर्ताओं ने समीकरणों का एक सेट बनाया जो समय के साथ इन गुणों के विकास का वर्णन करता है। जब उन्होंने इन समीकरणों का उपयोग 1,000 घंटों के एजिंग के बाद सामग्री के व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए किया, तो उनके अनुमान उल्लेखनीय रूप से सटीक थे, जो वास्तविक प्रयोगात्मक परिणामों से औसतन केवल लगभग 1.5 प्रतिशत ही भिन्न थे।
यह कार्य कंपोजिट सामग्रियों के एजिंग (पुराने होने) को देखने का एक नया तरीका प्रदान करता है। केवल यह मापने के बजाय कि एक नमूना कितना भार सह सकता है, शोधकर्ताओं ने दृश्य प्रदर्शन को सूक्ष्म स्तर पर होने वाले अदृश्य परिवर्तनों से जोड़ दिया है। उन्होंने दिखाया है कि यह समझकर कि गर्मी किस तरह से परतों के बीच के बंधन को बदलती है, इंजीनियर एक ऐसा मॉडल बना सकते हैं जो किसी संरचना के शेष जीवन का सटीक पूर्वानुमान लगा सके। इसका अर्थ यह है कि भविष्य में, विमानों और अन्य महत्वपूर्ण घटकों की सुरक्षा और दीर्घायु का आकलन केवल उनके दिखने के आधार पर नहीं, बल्कि इस सटीक गणना के आधार पर किया जा सकता है कि उनके आंतरिक बंधन समय के साथ कैसे बदले हैं।
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