Strain-Rate Dependence of Mode II Delamination Initiation in a Polyester-Fiberglass Composite Using Dynamic ENF Testing
यह अध्ययन स्प्लिट हॉपकिंसन प्रेशर बार के साथ डायनेमिक एंड नॉच्ड फ्लेक्सरल (ENF) परीक्षण का उपयोग करके यह प्रदर्शित करता है कि पॉलिस्टर-फाइबरग्लास कंपोजिट में मोड II डेलैमिनेशन इनीशिएशन ऊर्जा, 70 से 150 s⁻¹ की स्ट्रेन दरों के साथ, 0.64 से 7.19 kJ/m² तक काफी बढ़ जाती है।
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जब इंजीनियर ऐसी संरचनाओं को डिजाइन करते हैं जिन्हें अचानक होने वाले प्रभावों का सामना करना पड़ता है—जैसे कि किसी विमान का फ्यूजलेज या किसी जहाज का हल—तो वे काफी हद तक कंपोजिट सामग्रियों (composite materials) पर निर्भर करते हैं। ये धातु या प्लास्टिक के एकल ब्लॉक नहीं हैं, बल्कि फाइबरग्लास जैसे कपड़े की परतें हैं, जो एक चिपचिपे रेजिन (resin) द्वारा आपस में जुड़ी होती हैं। इन सामग्रियों की मजबूती अक्सर व्यक्तिगत परतों पर कम और इस बात पर अधिक निर्भर करती है कि वे परतें एक-दूसरे से कितनी अच्छी तरह जुड़ी हुई हैं। यदि परतें अलग हो जाती हैं, तो जिसे डेलैमिनेशन (delamination) कहा जाता है, तो पूरी संरचना विनाशकारी रूप से विफल हो सकती है। यह अलगाव विभिन्न तरीकों से हो सकता है: परतें एक किताब के पन्नों की तरह अलग हो सकती हैं, या उन्हें एक-दूसरे के ऊपर से फिसलने के लिए मजबूर किया जा सकता है, जैसे दो कार्डों को विपरीत दिशाओं में धकेला जा रहा हो। दूसरे को 'शीयर' (shear) कहा जाता है, और इस फिसलने वाले अलगाव को शुरू करने के लिए कितनी ऊर्जा लगती है, इसे समझना सुरक्षा के लिए महत्वपूर्ण है। जबकि वैज्ञानिकों ने लंबे समय से इस बात का अध्ययन किया है कि ये सामग्रियां धीमी, स्थिर दबाव के तहत कैसे व्यवहार करती हैं, वास्तविक दुनिया अक्सर अचानक, हिंसक झटकों के रूप में प्रभाव डालती है। प्रश्न यह बना हुआ है: क्या बल लगाने की गति यह बदल देती है कि इन परतों का एक-दूसरे से फिसलना कितना आसान होता है?
इस्लामाबाद के इंस्टीट्यूट ऑफ स्पेस टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए एक विशिष्ट प्रकार की सामग्री के लिए प्रयास किया: पॉलिएस्टर रेजिन के साथ प्रबलित फाइबरग्लास। उन्होंने फिसलने वाले अलगाव, या शीयर, पर ध्यान केंद्रित किया क्योंकि यह कई संरचनात्मक अनुप्रयोगों में विफलता का एक सामान्य रूप है। ऐसा करने के लिए, उन्हें सामग्री का परीक्षण न केवल धीरे-धीरे, बल्कि उच्च गति पर करने की आवश्यकता थी जो वास्तविक दुनिया के प्रभावों की नकल कर सके। उन्होंने एक विशेष मशीन का उपयोग किया जिसे स्प्लिट हॉपकिंसन प्रेशर बार (Split Hopkinson Pressure Bar) कहा जाता है, जो एक उच्च-गति के हथौड़े की तरह कार्य करता है। इस सेटअप में, संपीड़ित गैस द्वारा एक धातु के स्ट्राइकर को एक लंबे धातु के बार से टकराने के लिए छोड़ा जाता है। यह प्रभाव बार के माध्यम से और बीच में रखी गई फाइबरग्लास सामग्री के एक छोटे नमूने में दबाव की एक शक्तिशाली लहर भेजता है। गैस के दबाव को समायोजित करके, शोधकर्ता ठीक इस बात को नियंत्रित कर सकते थे कि सामग्री को कितनी तेजी से विकृत किया जा रहा है, जिससे उन्होंने इसे प्रति सेकंड 70 से 150 बार की दर से परखा। उन्होंने अपने नमूनों को बीच में एक बहुत ही छोटी, पहले से बनी दरार के साथ छोटे, वर्गाकार ब्लॉकों के रूप में तैयार किया था, जिसे मोड़ने पर परतों को फिसलने के लिए मजबूर करने हेतु डिज़ाइन किया गया था।
शोधकर्ताओं ने इन नमोंओं को एक थ्री-पॉइंट बेंडिंग फिक्स्चर (three-point bending fixture) में रखा, जो अनिवार्य रूप से उन्हें दोनों सिरों पर समर्थित एक पुल की तरह सेट करता है जहाँ केंद्र में भार लगाया जाता है। जैसे ही दबाव की लहर नमूने से टकराई, उसने सामग्री को मोड़ा, जिससे पूर्व-मौजूद दरार खुल गई और फिसलने लगी। प्रभाव के उस एक सेकंड के हिस्से में क्या हुआ, इसे पकड़ने के लिए, उन्होंने एक हाई-स्पीड कैमरे का उपयोग किया जो प्रति सेकंड 100,000 तस्वीरें लेने में सक्षम था। इसने उन्हें वास्तविक समय में दरार को बढ़ते हुए और सामग्री को विकृत होते हुए देखने की अनुमति दी। लगाए गए बल और सामग्री के मुड़ने की दूरी को मापकर, वे दरार के चलने को शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा की गणना कर सके। यह मान, जिसे स्ट्रेन एनर्जी रिलीज रेट (strain energy release rate) कहा जाता है, इंजीनियरों को बताता है कि सामग्री विफल होने से पहले कितनी ऊर्जा अवशोषित कर सकती है।
परिणामों ने एक स्पष्ट और महत्वपूर्ण रुझान प्रकट किया: सामग्री को लोड करने की गति जितनी अधिक थी, दरार को फिसलने के लिए उतनी ही अधिक ऊर्जा की आवश्यकता थी। धीमी, स्थिर स्थितियों में, समान सामग्रियों पर पिछले परीक्षणों ने लगभग 1.2 यूनिट की ऊर्जा आवश्यकता दिखाई थी। इन उच्च-गति परीक्षणों में, वह संख्या नाटकीय रूप से बढ़ गई। दरार को शुरू करने के लिए आवश्यक ऊर्जा 0.64 से 7.19 यूनिट के बीच रही, जिसमें उच्चतम मान सबसे तेज़ स्ट्रैन रेट पर देखे गए। यह सुझाव देता है कि अचानक प्रहार होने पर सामग्री फिसलने वाले अलगाव के विरुद्ध अधिक मजबूत हो जाती है। हालाँकि, डेटा पूरी तरह से सुचारू नहीं था। शोधकर्ताओं ने देखा कि दरारें हमेशा परतों के बीच एक सीधी, सपाट रेखा में नहीं चलीं। इसके बजाय, दरारें कभी-कभी टेढ़ी-मेढ़ी (zigzag) चलीं या उनके कारण फाइबर गैप के आर-पार आ गए, जिससे परतों को खींचते हुए विफलता की प्रक्रिया अधिक जटिल हो गई। इन अनियमितताओं के कारण संख्याओं में कुछ भिन्नता आई, जिसमें उच्चतम गति पर एक परीक्षण में ऊर्जा अवशोषण का एक विशेष रूप से बड़ा उछाल देखा गया।
परिवर्तनशीलता के बावजूद, प्रयोग का समग्र संदेश यह है कि गति मायने रखती है। अध्ययन इस बात की पुष्टि करता है कि पॉलिएस्टर-फाइबरग्लास कंपोजिट में फिसलने वाले अलगाव के प्रति प्रतिरोध इस बात पर दृढ़ता से निर्भर करता है कि बल कितनी तेजी से लगाया जाता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि उनके नमूने अपेक्षाकृत छोटे थे, जिससे उच्च शीयरिंग बल उत्पन्न हुए जो परिणामों को प्रभावित कर सकते थे। वे सुझाव देते हैं कि भविष्य के परीक्षणों में लंबे नमूनों का उपयोग किया जाना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि दरारें अधिक सुचारू रूप से बढ़ें और शुद्ध स्लाइडिंग व्यवहार को अन्य प्रभावों से अलग किया जा सके। फिलहाल, यह कार्य उन इंजीनियरों के लिए एक महत्वपूर्ण कड़ी प्रदान करता है जो ऐसी संरचनाओं को डिजाइन कर रहे हैं जिन्हें गतिशील प्रभावों से बचना है, यह दिखाते हुए कि जो सामग्रियां धीमी दबाव के तहत नाजुक लग सकती हैं, वे वास्तव में अचानक, हिंसक फिसलने वाले बलों का मुकाबला पहले की तुलना में कहीं बेहतर तरीके से कर सकती हैं।
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