Modeling and Analysis of the Tensile and Flexural Properties of a FiberOrientated Hybrid Nanocomposite Using Taguchi Methodology

Оценено влияние трех независимых параметров (ориентация волокон, весовая доля наночастиц глинозема и кремнезема) на прочностные характеристики гибридного нанокомпозита из эпоксидной смолы, армированной углепластиковыми волокнами, с нанодобавками глинозема и кремнезема при растяжении и изгибе. Для планирования экспериментов использовали ортогональный набор согласно методике Тагучи. Для оценки функции отклика было изготовлено и испытано 16 образцов при запланированных комбинациях вышеуказанных параметров.Оцінено вплив трьох незалежних параметрів (орієнтація волокон, вагова частка наночастинок глинозему і кремнезему) на міцнісні характеристики гібридного нанокомпозиту з епоксидної смоли, армованої вуглепластиковими волокнами, з нанодобавками глинозему і кремнезему при розтязі та згині. Для планування експеримент ів використовували ортогональний набір згідно з методикою Тагучі. Для оцінки функції відклику було виготовлено і випробувано 16 зразків при запланованих комбінаціях вищевказаних параметрів

Preparation, Modeling, and Optimization of Mechanical Properties of Epoxy/HIPS/Silica Hybrid Nanocomposite Using Combination of Central Composite Design and Genetic Algorithm. Part 1. Study of Damping and Tensile Strengths

Brittle nature and poor resistance in front of vibrational waves despite of good mechanical strength have limited widespread use of epoxy resins in industry. In current study a new combination of thermoplastic and particulate nanofiller is used as modifier to enhance simultaneously tensile strengths and damping properties in first and second modes of epoxy-based nanocomposite. High impact polystyrene (HIPS) as thermoplastic phase and silica nanoparticles as particulate phases incorporately used to obtain ternary epoxy-based nanocomposite. In current study solution blending as dispersion mechanism is used to prepare homogenous mixture and brings good molecular level of mixing. Tensile and damping properties in first and second modes were the two different mechanical tests investigated in order to achieve higher toughness strengths without attenuating desired mechanical properties. Also central composite design is employed to present mathematical models for predict mechanical behaviors of epoxy/HIPS/silica nanocomposite as function of physical factors. The effective parameters investigated were HIPS, SiO₂, and hardener contents. Based on mathematical functions obtained from central composite design model, the genetic algorithm as one of powerful optimization tools is applied to find optimum values of mentioned mechanical properties. From the results it can be found that combination of HIPS and silica nanoparticles significantly increased tensile and damping strengths of epoxy resin up to 69, 42, and 91%, respectively. The morphology of fracture surface is also studied by scanning electron microscopyЗначительная хрупкость и низкие характеристики сопротивления волновым нагрузкам, несмотря на высокую механическую прочность, обусловили недостаточно широкое промышленное применение эпоксидных смол. В работе используется новое сочетание термопластичных и дисперсных нанонаполнителей в качестве модификатора для одновременного повышения прочности на разрыв и демпфирующих свойств нанокомпозита на эпоксидной основе при нагружении по первой и второй моде. Для получения трехкомпонентного нанокомпозита на эпоксидной основе используются ударопрочный полистирол в качестве термопластичной фазы и наночастицы из кремнезема в качестве дисперсной фазы. Для реализации дисперсионного механизма применяется метод перемешивания раствора для приготовления однородной смеси, обеспечивающий адекватное перемешивание на молекулярном уровне. Прочность на разрыв и демпфирующие свойства материала при его нагружении по первой и второй моде оценивали при проведении двух различных механических испытаний с целью достижения более высокой прочности и ударной вязкости без ухудшения требуемых механических свойств. При создании математических моделей для прогнозирования механического поведения нанокомпозита из эпоксидной смолы, ударопрочного полистирола и кремнезема как функции физических факторов используется центральный композиционный план. В качестве эффективных параметров исследовалось процентное содержание ударопрочного полистирола, кремнезема и эпоксидного отвердителя. На основе математических функций, полученных с помощью модели центрального композиционного плана, был использован генетический алгоритм, как одно из мощных средств оптимизации, для определения оптимальных значений механических свойств. Полученные результаты показывают, что сочетание наночастиц ударопрочного полистирола с кремнеземом значительно увеличивает предел прочности на разрыв и характеристики демпфирования эпоксидной смолы на 69, 42 и 91% соответственно. Морфологию поверхностей разрушения изучали с помощью сканирующего электронного микроскопаЗначна крихкість і низькі характеристики опору хвильовій напрузі, незважаючи на високу механічну міцність, обумовили недостатньо широке промислове використання епоксидних смол. Використовується нове поєднання термопластичних і дисперсних наповнювачів як модифікатора для одночасного підвищення міцності на розрив і демпфірувальних властивостей нанокомпозита на епоксидній основі при навантаженні за першою і другою модою. Для отримання трикомпонентного нанокомпозита на епоксидній основі використовуються удароміцний полістирол як термопластична фаза і наночастинки з кремнезему як дисперсна фаза. Для реалізації дисперсійного механізму використовується метод перемішування розчину для приготування однорідної суміші, що забезпечує адекватне перемішування на молекулярному рівні. Міцність на розрив і демпфірувальні властивості матеріалу при його навантаженні за першою і другою модою оцінювали при проведенні двох різних механічних випробувань із метою досягнення більш високої міцності й ударної в’язкості без погіршення необхідних механічних властивостей. При розробці математичних моделей для прогнозування механічної поведінки нанокомпозита з епоксидної смоли, удароміцного полістирола і кремнезему як функції фізичних чинників використовується центральний композиційний план. За ефективні параметри брали процентний вміст удароміцного полістирола, кремнезему й епоксидного затверджувача. На основі математичних функцій, отриманих за допомогою моделі центрального композиційного плану, було використано генетичний алгоритм, як один із потужних засобів оптимізації, для визначення оптимальних значень механічних властивостей. Отримані результати свідчать, що поєднання наночастинок удароміцного полістирола з кремнеземом значно збільшує границю міцності на розрив і характеристики демпфірування епоксидної смоли на 69, 42 і 91% відповідно. Морфологію поверхонь руйнування вивчали за допомогою сканувального електронного мікроскопа

Preparation, Modeling, and Optimization of Mechanical Properties of Epoxy/H I PN/Silica Hybrid Nanocomposite Using Combination of Central Composite Design and Genetic Algorithm. Part 2. Studies on Flexural, Compression, and Impact Strength

In spite of good tensile strength of epoxy resins, they have brittle nature and show poor resistance to crack propagation. In view of enhancing mechanical strength and fracture toughness of epoxy-based nanocomposite simultaneously, a new combination of thermoplastic and particulate nanofiller is used as a modifier. Here, the obtained ternary epoxy-based nanocomposite includes high impact polystyrene (HIPS) as thermoplastic and silica nanoparticles as its particulate phases. Flexural, compression and impact were the three different mechanical tests investigated, in order to achieve higher strength without attenuating other desired mechanical properties. Central composite design (CCD) is employed to present mathematical models to predict mechanical behaviors of epoxy/HIPS/silica nanocomposite as a function of physical factors. The effective parameters investigated were HIPS, SiO₂ and hardener contents. Based on mathematical functions obtained from CCD model, the genetic algorithm – as one of the most powerful optimization tools – is applied to find the optimum values of mentioned mechanical properties. We have found that a combination of HIPS and silica nanoparticles significantly increase compressive and impact strengths of epoxy resin up to 57 and 421%, respectively. Although flexural strength did not change positively, the elongation at break for flexural one increased up to 144%. Finally, the morphology of fracture surface was studied by energy-dispersive X-ray spectroscopy and scanning electron microscopy.Несмотря на то что эпоксидные смолы обладают высоким пределом прочности при растяжении, они хрупкие и характеризуются слабым сопротивлением развитию трещины. С целью улучшения механической прочности и вязкости разрушения эпоксидных нанокомпозитов в качестве модификатора использовали новый комбинированный термопластичный дисперсный нанонаполнитель. Полученный трехкомпонентный эпоксидный нанокомпозит содержит ударопрочный полистирол в виде термопластичных и кремнеземных наночастиц, представляющих его дисперсные фазы. Чтобы получить более высокие показатели прочности без воздействия на другие заданные механические показатели, проводили испытания на прочность при изгибе и сжатии и на ударную вязкость. Для представления математических моделей с целью прогнозирования механического поведения гибридного нанокомпозита в качестве функции физических факторов использовали центральный композиционный план. Исследовали содержание ударопрочного полистирола, кремнезема и упрочняющего элемента в нанокомпозите. На основе математических функций, полученных по модели центрального композиционного плана, для выведения оптимальных значений механических свойств использовали генетический алгоритм, являющийся одним из самых мощных средств оптимизации. Установлено, что сочетание наночастиц на основе ударопрочного полистирола и кремнезема значительно увеличивает сопротивление эпоксидной смолы сжатию и удару на 57 и 421% соответственно. При сопротивлении изгибу положительных изменений не наблюдается, удлинение при изгибном разрыве увеличивается до 144%. С помощью энергодисперсионного рентгеновского излучения и сканирующей электронной микроскопии проведено исследование морфологии поверхности разрушения.Незважаючи на те що епоксидні смоли мають хорошу границю міцності при розтязі, вони крихкі і характеризуються слабким опором розвитку тріщини. Із метою покращання механічної міцності і в’язкості руйнування епоксидних нанокомпозитів як модифікатор використовували новий комбінований термопластичний дисперсний наповнювач. До складу отриманого трикомпонентного епоксидного нанокомпозита входить удароміцний полістирол у вигляді термопластичних і кремнеземних наночастинок, що являють собою його дисперсні фази. Щоб отримати більш високі показники міцності без впливу на інші задані механічні показники, проводили випробування на міцність при згині і стиску та на ударну в’язкість. Для представлення математичних моделей з метою прогнозування механічної поведінки гібридного нанокомпозита як функцію фізичних чинників використали центральний композиційний план. Досліджували вміст удароміцного полістиролу, кремнезему і зміцнювального елемента в нанокомпозиті. На основі математичних функцій, отриманих за моделлю центрального композиційного плану, для виведення оптимальних значень механічних властивостей використовували генетичний алгоритм, що є одним із найміцніших засобів оптимізації. Установлено, що поєднання наночастинок на основі удароміцного полістиролу і кремнезему збільшує опір епоксидної смоли стиску на 57%, удару – на 421%. У той же час позитивних змін при опорі згину не відмічається, видовження за згинального розриву збільшується до 144%. Проведено дослідження морфології поверхні руйнування за допомогою енергодисперсійного випромінювання і сканувальної електронної мікроскопії

Flatwise Compression Strength and Energy Absorption of Polyurethane Foam-Filled Lattice Core Sandwich Panels

In the present study, the effect of the polyurethane foam filled lattice core sandwich panel on the energy absorption and the compression strength was investigated. In the compression tests, it was found that the foam filled sandwich panels have a greater load carrying capacity compared to the sum of the unfilled specimens and the filled polyurethane block. Besides, the energy absorption efficiency of foam filled sandwich panels with higher relative density (5.1 and 5.7%) lattice cores was lower than that of the unfilled specimen when the compressive strain was small, whereas it showed superior when the compressive strain arrived at about 0.1, and the superiority became more pronounced as the strain increased. Moreover, the energy absorption of foam filled sandwich panel’s with lower relative density (4.43%) lattice cores was superior to that of the unfilled specimen.Исследовано влияние наполнителя из полиуретановой пены на прочность и энергопоглощение ячеистых многослойных панелей при сжатии. Испытания на сжатие показывают, что несущая способность ячеистых многослойных панелей с наполнителем из полиуретановой пены выше, чем таковая таких панелей без наполнителя, либо образцов, состоящих только из полиуретановой пены. Эффективность энергопоглощения образцов с более высокой относительной плотностью ячеек (5,1 и 5,7%) оказалась ниже, чем образцов без наполнителя при низких уровнях деформации сжатия, однако по достижении последней уровня 0,1 и выше имеет место ярко выраженный обратный эффект. При этом энергопоглощение образцов с меньшей относительной плотностью ячеек (4,43%) выше, чем образцов без наполнителя.Досліджено вплив наповнювача з поліуретанової піни на міцність і енергопоглинання комірчастих багатошарових панелей при стиску. Випробування на стиск показують, що несівна здатність комірчастих багатошарових панелей з наповнювачем, що складаються із поліуретанової піни вища, ніж панелей без наповнювача, або зразків тільки з поліуретанової піни. Ефективність енергопоглинання зразків із більш високою відносною щільністю комірок (5,1 і 5,7%) є нижчою, аніж зразків без наповнювача за низьких рівнів деформації стиску, однак при досягненні останньою рівня 0,1 і вище має місце чітко виражений зворотний ефект. При цьому енергопоглинання зразків із меншою відносною щільністю комірок (4,43%) вище, аніж зразків без наповнювача

The Effect of Interaction between Nanofillers and Epoxy on Mechanical and Thermal Properties of Nanocomposites: Theoretical Prediction and Experimental Analysis

Interfacial interaction between host matrix and nanofillers is a determinative parameter on the mechanical and thermal properties of nanocomposites. In this paper, we first investigated interaction between carbon nanotube (CNT) and montmorillonite clay (MMT) absorbing on epoxy surface in a theoretical study based on the density functional theory (DFT) calculations. Results showed the interaction energy of -1.93 and -0.11 eV for MMT/epoxy and CNT/epoxy, respectively. Therefore, the interaction between epoxy polymer and MMT is of the chemisorptions type, while epoxy physically interacts with CNT. In addition, thermal and mechanical analyses were conducted on nanocomposites. In DSC analysis the glass transition temperature which was 70°C in neat epoxy composite showed an improvement to about 90°C in MMT nanocomposites while it was about 70°C for CNT nanocomposites. Finally, mechanical properties were investigated and MMT nanocomposite showed a change in compressive strength which increased from 52.60 Mpa to 72.07 and 92.98 Mpa in CNT and MMT nanocomposites, respectively. Also tensile strength improved to the value of 1250.69 Mpa MMT nanocomposites while it was about 890 Mpa in both CNT nanocomposite and neat epoxy composite which corresponds to the calculation result prediction

Simple and accurate approach for solving of nonlinear heat convective-radiative equation in fin by using the collocation method and comparison with HPM and VIM

Collocation Method (CM) such as analytical technique, which does not need small parameters is here used to evaluate the analytical approximate solutions of the nonlinear heat transfer equation. The obtained results from Collocation Method are compared with other analytical techniques such as Homotopy Perturbation Method (HPM) and Variation Iteration Method (VIM). Also, boundary value problem (BVP) is applied as a numerical method for validation. The results reveal that the Collocation Method is very effective, simple and more accurate than other techniques. Also, it is found that this method is a powerful mathematical tool and can be applied to a large class of linear and nonlinear problems arising in different fields of science and engineering especially at some heat transfer equations