The formation mechanism of void defect which deteriorate composite's property is various according to each composite process. In this paper, void formation and growth mechanism is analyzed by thermal analysis and GC/MS. We made a vacuum chamber for observing pressure effect. Thermal analysis has been done in various condition. Elements of volatiles during resin curing were turned out by GC/MS. The most of volatiles of polyester were composed of styrene (over 80%) and a small quantity of toluene. In case epoxy resin, butyl glycidyl ether was the main element of volatiles (over 90%). We concluded that the original sites of void growth existed in resin and they were eliminated by vacuum and heating process. And the growth of void was influenced by water, diluents, solvent, and reactants in resin.
The incorporation of nanoplatelets in composite and polymeric materials represents a recent and innovative approach, holding substantial promise for diverse property enhancements. This study focuses on the application of nanocomposites in the production of sports equipment, particularly soccer balls, aiming to bridge the gap between theoretical advancements and practical implications. Addressing the longstanding challenge of suboptimal interaction between carbon nanofillers and epoxy resin in epoxy composites, this research pioneers inventive solutions. Furthermore, the investigation extends into unexplored territory, examining the integration of glass fiber/epoxy composites with nanoparticles. The incorporation of nanomaterials, specifically expanded graphite and graphene, at a concentration of 25.0% by weight in both the epoxy structure and the composite with glass fibers demonstrates a marked increase in impact resistance compared to their nanomaterial-free counterparts. The research transcends laboratory experiments to explore the practical applications of nanocomposites in the design and production of sports equipment, with a particular emphasis on soccer balls. Analytical techniques such as infrared spectroscopy and scanning electron microscopy are employed to scrutinize the surface chemical structure and morphology of the epoxy nanocomposites. Additionally, an in-depth examination of the thermal, mechanical, viscoelastic, and conductive properties of these materials is conducted. Noteworthy findings include the efficacy of surface modification of carbon nanotubes in preventing accumulation and enhancing their distribution within the epoxy matrix. This optimization results in improved interfacial interactions, heightened thermal stability, superior mechanical properties, and enhanced electrical conductivity in the nanocomposite.
This study aims at investigating the wear properties of thermally sprayed $Al/Al_2O_3$ metal matrix composite(MMC) coating against different counterparts. $Al/Al_2O_3$ MMC coatings were fabricated using a flame spray system on an Al 6061 substrate. Dry sliding wear tests were performed using the sliding speeds of 0.2m/s and the applied loads of 1 and 2 N. AISI 52100, $Al_2O_3$, $Si_3N_4\;and\;ZrO_2$ balls(diameter: 8mm) were used as counterpart materials. Wear properties of $Al/Al_2O_3$ MMC coatings were analyzed using a scanning electron microscope(SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). It was revealed that wear properties of $Al/Al_2O_3$ composite coatings were much influenced by counterpart materials. In the case of AISI 52100 used as counterparts, the wear rate of composites coating layer increased according to the increase of the applied load. On the contrary, in the case of ceramics used as counterparts, the wear rate of composites coating layer decreased according to the increase of the applied load.
This paper focuses on thermal post-buckling analysis of functionally graded beams with temperature dependent physical properties by using the total Lagrangian Timoshenko beam element approximation. Material properties of the beam change in the thickness direction according to a power-law function. The beam is clamped at both ends. In the case of beams with immovable ends, temperature rise causes compressible forces and therefore buckling and post-buckling phenomena occurs. It is known that post-buckling problems are geometrically nonlinear problems. Also, the material properties (Young's modulus, coefficient of thermal expansion, yield stress) are temperature dependent: That is the coefficients of the governing equations are not constant in this study. This situation suggests the physical nonlinearity of the problem. Hence, the considered problem is both geometrically and physically nonlinear. The considered highly non-linear problem is solved considering full geometric non-linearity by using incremental displacement-based finite element method in conjunction with Newton-Raphson iteration method. In this study, the differences between temperature dependent and independent physical properties are investigated for functionally graded beams in detail in post-buckling case. With the effects of material gradient property and thermal load, the relationships between deflections, critical buckling temperature and maximum stresses of the beams are illustrated in detail in post-buckling case.
This study aimed to theoretical calculate the thermal residual stress in continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composites. The analytical solution of residual stress field distribution was obtained by using coaxial cylinder model, and the numerical solution was obtained by using finite element model (FEM). Both of the above models were compared and the thermal residual stress was analyzed in the axial, hoop, radial direction. The results indicated that both the two models were feasible to theoretical calculate the thermal residual stress in continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composites, because the deviations between the theoretical calculation results and the test results were less than 8%. In the titanium matrix composites, along with the increment of the SiC fiber volume fraction, the longitudinal property was improved, while the equivalent residual stress was not significantly changed, keeping the intensity around 600 MPa. There was a pronounced reduction of the radial residual stress in the titanium matrix composites when there was carbon coating on the surface of the SiC fiber, because carbon coating could effectively reduce the coefficient of thermal expansion mismatch between the fiber and the titanium matrix, meanwhile, the consumption of carbon coating could protect SiC fibers effectively, so as to ensure the high-performance of the composites. The support of design and optimization of composites was provided though theoretical calculation and analysis of residual stress.
Silica-based ceramic-matrix composites have shown promise as advanced materials for many applications such as chemical catalysts, ceramics, pharmaceuticals, and electronics. $SiO_2$-CuO-$CeO_2$ multi-component powders and their thin film, using an oxalic acid template as a chelating agent, have larger surface areas and more uniform pore size distribution than those of inorganic acid catalysts. $SiO_2$-CuO-$CeO_2$ composite powders were synthesized using tetraethylorthosilicate, copper (II) nitrate hemi (pentahydrate), and cerium (III) nitrate hexahydrate with oxalic acid as template or pore-forming agent. The process of thermal evolution, the phase composition, and the surface morphology of these powders were monitored by thermogravimetry-differential thermal analysis (TG-DTA), X-ray diffractometry (XRD), field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), and energy dispersive X-ray spectrometry (EDXS). The mesoporous property of the powders was observed by Brunner-Emmett-Teller surface (BET) analysis. The improved surface area of this powder template with oxalic acid was $371.4m^2/g$. This multi-component thin film on stainless-steel was prepared by sol-gel dip coating with no cracks.
The mechanical, electrical and thermal characteristics of insulating materials may significantly affect the performance and reliability of electrical devices using superconductors. General method to provide insulating layer between coated conductors is wrapping coated conductor with Kapton tape. But uniform and compact wrapping without failure or delamination in whole coverage for long length conductor is not a simple task and need careful control. Coating of insulating layer directly on coated conductor is desirable for providing compact insulating layer rather than wrapping insulating layers around conductor. Ceramic added polymer has been widely used as an insulating material for electric machine because of its good electrical insulating properties as well as excellent heat resistance and fairy good mechanical properties. The insulating layer of coated conductor should have high breakdown voltage and possesses suitable mechanical strength and maintain adhesiveness at the cryogenic temperature where it is used and withstand stress from thermal cycling. The insulating and mechanical properties of polymer can be improved by adding functional filler. In this study, insulating layer has been made by adding ceramic particles such as $SiO_2$ to a polymer resin. The size, amount and morphology of added ceramic powder was controlled and their effect on dielectric property of the final composite was measured and discussed for optimum composite fabrication.
To increase mechanical properties of the hydroxyapatite/poly (L-lactide) (HA/PLLA) composite which was a potential bone substitute material, HA was modified by the surface grafting with D-lactide (DLA) and the formation of stereocomplexes between components was introduced. The composite films were prepared by the solvent-nonsolvent technique to minimize the precipitation of HA during drying. The structure and properties of the composites were investigated by thermal gravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimeter, and scanning electron microscopy, and mechanical property measurements. TGA results showed that the amount of DLA grafted on the HA surfaces (g-HA) was 6 wt%. The obtained g-HA exhibited better dispersity in an organic solvent than HA. The formation of stereocomplexes in the composites was confirmed by the change in melting temperature. The mechanical properties of g-HA/PLLA composites were increased, compared to the HA/PLLA composites.
Green composites composed of long maize fibers and poly $\varepsilon$-caprolactone (PCL) biodegradable polyester matrix were manufactured by the thermo-mechanical processing termed as 'Sequential Molding and Forming Process' that was developed previously by the authors' research group. A variety of processing parameters such as fiber area fraction, molding temperature and forming pressure were systematically controlled and their influence on the tensile properties was investigated. It was revealed that both tensile strength and elastic modulus of the composites increase steadily depending on the increase in fiber area fraction, suggesting a general conformity to the rule of mixtures (ROM), particularly up to 55% fiber area fraction. The improvement in tensile properties was found to be closely related to the good interfacial adhesion between the fiber and polymer matrix, and was observed to be more pronounced under the optimum processing condition of $130^{\circ}C$ molding temperature and 10 MPa forming pressure. However, processing out of the optimum condition results in a deterioration in properties, mostly fiber and/or matrix degradation together with their interfacial defect as a consequence of the thermal or mechanical damages. On the basis of microstructural observation, the cause of strength degradation and its countermeasure to provide a feasible composite design are discussed in relation to the optimized process conditions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.39
no.2
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pp.129-135
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2015
In this experimental study, the thermal stability values of micrometer-sized silica particle-reinforced epoxy composite specimens were evaluated by measuring their thermal expansion coefficients and Young's moduli. For all specimens used in this study (from the baseline specimen to that containing 70 wt% silica filler), the thermal expansion coefficients and Young's moduli were gradually reduced down to 25% and increased up to 51%, respectively. The results of the experiment were compared with those of certain empirical models. The experimental results of the measurement of thermal expansion coefficients corresponded well with those of Kerner's model, which considers the bulk and shear moduli of the matrix and silica filler. However, the results of the measurement of Young's moduli using the empirical Mori-Tanaka model were observed to match better with those of the experiment. The comparison of the results of the experiment with those of the empirical models demonstrated that a reliable model for measuring the thermal expansion coefficients and Young's moduli of composite specimens needs to consider certain property variations in the composites in addition to volume fraction changes in the filler and matrix.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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