Stacking sequence effects on progressive intralaminar damage in open-hole auxetic and conventional hybrid composite laminates
यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि इंजीनियर किए गए नकारात्मक पॉइसन अनुपात वाले ऑक्सेटिक हाइब्रिड कंपोजिट लैमिनेट्स, खुले छिद्रों के आसपास तीव्र स्थानीयकरण के बजाय क्रमिक, स्थानिक रूप से वितरित क्षति विकास को बढ़ावा देकर, पारंपरिक लैमिनेट्स की तुलना में बेहतर क्षति सहिष्णुता और पीक-लोड के बाद भार वहन करने की क्षमता प्रदर्शित करते हैं।
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आधुनिक इंजीनियरिंग काफी हद तक मिश्रित सामग्रियों (कंपोजिट मैटेरियल्स) पर निर्भर करती है, जो अनिवार्य रूप से मजबूत रेशों की परतें हैं जिन्हें एक चिपचिपे रेजिन के साथ जोड़ा जाता है ताकि ऐसी संरचनाएं बनाई जा सकें जो हल्की भी हों और अविश्वसनीय रूप से मजबूत भी। ये सामग्रियां विमान के पंखों से लेकर पवन टरबाइन ब्लेड तक, हर चीज़ की रीढ़ हैं। हालाँकि, वास्तविक दुनिया की संरचनाएं पूर्ण, ठोस शीट नहीं हो सकतीं; उन्हें बोल्ट, रिवेट या निरीक्षण पोर्ट के लिए छिद्रों की आवश्यकता होती है। ये छेद कमजोर बिंदु के रूप में कार्य करते हैं जहाँ तनाव केंद्रित होता है, जिससे सामग्री अक्सर उम्मीद से बहुत पहले टूट सकती है और विफल हो सकती है। दशकों से, इंजीनियरों ने विभिन्न प्रकार के रेशों को मिलाने या परतों के क्रम को बदलकर इसे हल करने का प्रयास किया है। एक नया, अधिक असामान्य दृष्टिकोण इस बात में निहित है कि सामग्री को एक विपरीत व्यवहार करने के लिए डिज़ाइन किया जाए: जब आप इसे लंबाई में खींचते हैं, तो यह पतला होने के बजाय मोटा हो जाता है। इस असामान्य व्यवहार को "ऑक्सेटिक" (auxetic) होना कहा जाता है, और यह परतों की एक विशिष्ट ज्यामितीय व्यवस्था से उत्पन्न होता है जो खिंचने पर सामग्री को बगल की ओर फैलने के लिए प्रेरित करती है।
अमीरकाबिर यूनिवर्सिटी ऑफ टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने यह देखने के लिए काम किया कि क्या यह अजीब, फैलने वाला व्यवहार वास्तव में एक मानक भाग की तुलना में एक छिद्रित कंपोजिट भाग को बेहतर तरीके से जीवित रहने में मदद कर सकता है। उन्होंने दो परीक्षण पैनल बनाए जो परतों के क्रम के अलावा हर तरह से समान थे। दोनों सेटों में कार्बन और ग्लास फाइबर का एक ही मिश्रण, समान मोटाई और रेजिन की समान मात्रा का उपयोग किया गया था। एकमात्र अंतर वह कोण था जिस पर प्रत्येक परत रखी गई थी। एक सेट को पारंपरिक पैटर्न में व्यवस्थित किया गया था जो सामान्य व्यवहार करता था, जबकि दूसरे को उस ऑक्सेटिक, बगल की ओर फैलने वाले प्रभाव को बनाने के लिए एक विशिष्ट अनुक्रम में व्यवस्थित किया गया था। दोनों सेटों में केंद्र में एक छेद ड्रिल किया गया था ताकि एक वास्तविक दुनिया के फास्टनर बिंदु का अनुकरण किया जा सके। टीम ने इन पैनलों को तब तक खींचा जब तक कि वे टूट नहीं गए, और साथ ही सामग्री की सूक्ष्म परतों के माध्यम से क्षति कैसे शुरू होती है और कैसे फैलती है, इसका सटीक पता लगाने के लिए विस्तृत कंप्यूटर सिमुलेशन भी चलाया।
परिणामों ने एक दिलचस्प समझौता (trade-off) प्रकट किया। पारंपरिक पैनलों ने अपनी पहली समस्या दिखाने से पहले अधिक समय तक मजबूती बनाए रखी, लेकिन एक बार जब वे अंततः टूट गए, तो क्षति तेजी से और विनाशकारी रूप से फैल गई। इसके विपरीत, ऑक्सेटिक पैनलों ने प्रक्रिया के बहुत पहले ही आंतरिक दरार के संकेत दिखाए। हालाँकि, यह प्रारंभिक चेतावनी कमजोरी का संकेत नहीं थी, बल्कि एक अलग उत्तरजीविता रणनीति का संकेत था। एक एकल दरार के सामग्री के आर-पार तेजी से दौड़कर अचानक टूटने के बजाय, ऑक्सेटिक पैनलों में क्षति एक बड़े क्षेत्र में धीरे-धीरे और समान रूप से फैली। तनाव का यह क्रमिक वितरण ऑक्सेटिक पैनलों को तकनीकी रूप से विफल होने के बाद भी भार सहने में सक्षम बनाता है। जब पारंपरिक पैनलों ने अपने टूटने के बिंदु पर पहुँचकर हार मान ली, तो उन्होंने लगभग तुरंत अपनी पूरी ताकत खो दी, और अपने चरम भार का दस प्रतिशत से भी कम बनाए रखा। हालाँकि, ऑक्सेटिक पैनलों ने अपनी प्रारंभिक विफलता के बाद भी अपनी अधिकतम शक्ति का लगभग बीस प्रतिशत बनाए रखने में सफलता प्राप्त की, जिससे उन्हें एक बहुत ही सहज और अनुमानित अंत मिला।
कंप्यूटर मॉडलों को करीब से देखकर, शोधकर्ता देख सके कि ऐसा क्यों हुआ। पारंपरिक पैनलों में, क्षति उन परतों में केंद्रित होने की प्रवृत्ति रखती थी जो खिंचाव के साथ नब्बे डिग्री पर उन्मुख थीं, जिससे एक कमजोर रेखा बनी जो तेजी से टूट गई। ऑक्सेटिक पैनलों में, क्षति दस डिग्री पर कोण वाली परतों में शुरू हुई और अन्य परतों के माध्यम से अधिक संतुलित तरीके से प्रगतिशील रूप से फैली। इस व्यवहार ने एक विशिष्ट स्थान पर तनाव को बढ़ने से रोका, जिससे संरचना के पूर्ण पतन को प्रभावी ढंग से टाला जा सका। टीम ने यह भी नोट किया कि हालांकि ऑक्सेटिक डिज़ाइन प्रारंभिक टूट के बाद भार संभालने में बेहतर था, लेकिन इसमें एक विशिष्ट कमजोरी भी थी: परतों के बीच कोणों में तीव्र परिवर्तन ने शीटों को एक-दूसरे से अलग होने के प्रति अधिक संवेदनशील बना दिया, जिसे डेलैमिनेशन (delamination) के रूप में जाना जाता है, जो उनके कंप्यूटर मॉडल में पूरी तरह से कैप्चर नहीं किया गया था।
अंततः, यह अध्ययन सुझाव देता है कि ऑक्सेटिक प्रभाव बनाने के लिए कंपोजिट परतों को व्यवस्थित करना छिद्रों के आसपास के नुकसान को संभालने में संरचना की क्षमता को महत्वपूर्ण रूप से सुधार सकता है। भले ही सामग्री में आंतरिक दरारें जल्दी दिखाई देने लगें, लेकिन यह एक ऐसे तरीके से होता है जो अचानक, पूर्ण विफलता को रोकता है। इसका अर्थ यह है कि विमान के जोड़ों या पुल के घटकों जैसे महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए, इन विशेष स्टैकिंग अनुक्रमों का उपयोग एक महत्वपूर्ण सुरक्षा मार्जिन प्रदान कर सकता है, जिससे एक संरचना क्षतिग्रस्त होने के बाद भी कार्यात्मक और सुरक्षित रह सकती है। ये निष्कर्ष एक ऐसे भविष्य की ओर इशारा करते हैं जहाँ जिस तरह से हम सामग्रियों को व्यवस्थित करते हैं, वह सामग्रियों के स्वयं के जितना ही महत्वपूर्ण है, जो इंजीनियरों को ऐसी संरचनाएं डिजाइन करने के लिए एक नया उपकरण प्रदान करता है जो न केवल मजबूत हैं, बल्कि लचीली भी हैं।
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