Nanorészecskéket tartalmazó hibridkompozitok viselkedése ciklikus igénybevétel esetén
Title in English
Mechanical behavior of nanoparticle containing hybridcomposites in case of cyclic load
Keywords in Hungarian
nanokompozit, hibridkompozit, ciklikus terhelés
Keywords in English
nanocomposite, hybridcomposite, cyclic load
Discipline
Material Science and Technology (engineering and metallurgy) (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Plastics technology
Panel
Engineering, Metallurgy, Architecture and Transport Sciences
Department or equivalent
Department of Polymer Engineering (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2012-09-01
Closing date
2016-05-31
Funding (in million HUF)
8.966
FTE (full time equivalent)
2.49
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Napjainkra a polimer mátrixú, hagyományos szálerősítésű kompozitok alkalmazása a műszaki életben megkerülhetetlenné vált. Mindemellett a folyamatos fejlesztőmunka eredményeképpen a nanorészecskékkel erősített kompozitok is egyre inkább előtérbe kerülnek. Különösen kedvező hatást lehet elérni a két erősítőanyag kombinált alkalmazásával létrehozott kompozitok esetében. Az ilyen hibrid rendszerek előnyét az adja, hogy a nanorészecskék mérete közel ezred része a hagyományos erősítőszálakénak, így az erősítőanyagok egymástól függetlenül képesek módosítani a kompozitok tulajdonságait. A hibridkompozitok területén a kutatók főként a statikus-mechanikai viselkedés leírásával foglalkoztak, a ciklikus igénybevételre adott válaszuk még nem teljesen feltárt, pedig a műszaki életben az igénybevétel gyakran nem statikus jellegű. A kutatás célja tehát a polimer mátrixú nanorészecskével és mikroszálakkal egyaránt erősített kompozitok ciklikus igénybevételre adott válaszainak, valamint azok anyagszerkezettani magyarázatának feltárása.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A kutatás során a nanorészecskékkel és mikroméretű szálakkal erősített polimer kompozitok ciklikus viselkedése kerül feltárásra. Ez a terület kevéssé kutatott, pedig a kompozitok igénybevétele gyakran ciklikus jellegű. Míg a nanokompozitok, valamint a hagyományos szálerősítésű kompozitok esetén az önálló erősítés mechanizmusának magyarázatára a tudományos életben elfogadott teóriák léteznek, addig hibridkompozitok esetén ilyenekre kevés példa van. Már többen megfigyelték a hibridizáció hatására fellépő szinergikus effektusokat, de ezek magyarázata egyelőre nem átfogó, egyes konkrét esetekre vonatkozik. A kutatás során ezen problémakörök kerülnek mélyebb elemzésre.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A várható eredmények fényt derítenek a nanorészecskék tulajdonságmódosító hatásaira nemcsak statikus, hanem ciklikus igénybevétel esetén, különböző típusú kompozit rendszerekben. A kutatás során a hibrid rendszerek mechanikai viselkedésének leírása pontosabbá válik, ami hozzájárulhat a jobb tervezhetőséghez, ezáltal a nano-, illetve hibridkompozitok kereskedelemben történő elterjedéséhez.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. Napjainkra a szálerősítésű műanyagok mindennapjaink részévé váltak, kiváltképp igaz ez a sporteszközök, valamint a járműalkatrészek tekintetében. A műanyagok erősítését azonban az egyre szélesebb körben terjedő nanorészecskékkel is meg lehet valósítani. Mindkét területen kiváló eredményeket értek el a kutatók, sőt a hagyományos szálerősítés, és a nanorészecskék együttes alkalmazása még kiválóbb eredményeket hozott. A kifejlesztett anyagoknak eddig elsősorban a statikus mechanikai tulajdonságait vizsgálták (pl.: húzó-, hajlítószilárdság). De mint az az említett példákra is jellemző, az erősített műanyag alkatrészek ismétlő igénybevételnek vannak kitéve. Ezért a kutatás célja ezen ismétlődő igénybevételek hatásának feltárása nanorészecskéket és szálas erősítő anyagokat egyaránt tartalmazó műanyag mintadarabok esetén. Az eredmények alapján a rendszer viselkedése jobban megérthető lesz, amely alapján az igénybevételekre jobban tervezhetővé válik.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Nowadays, the traditional fibre reinforced polymer matrix composites become indispensable in the technical life. In addition the on-going development work resulted in nanoparticle-reinforced composites are also being promoted. Particularly positive effect can be achieved by the combination of the two different sized reinforcing materials in polymer matrix composites. The typical size of a nanomaterial is between 1-100 nm, which is 1000 times smaller than the diameter of a reinforcing fibre which is between 10-15 µm. This difference allows creating such a three-phase hybrid-composite material, where the reinforcing materials do not substitute each other, but they have different function. Till now the researchers dealt mainly with the static-mechanical behaviour of these hybrids, the response on cyclic load is less investigated, however the mechanical load is usually not static. The aim of this research is to characterise the response of the nano- and micro-fibre reinforced polymer matrix composites on cyclic loads, and another purpose is to give a structural explanation for the observed behaviour.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The research will focus on the cyclic –mechanical properties of nano-, and micro reinforced plastics. However the load of the composites is often cyclical, this research field is less investigated. While in the field of nanoparticle reinforced or microfiber reinforced composites there are widely accepted theories for the explanation of the reinforcing effect, until there are just few examples in the field of hybrid-composites. The researchers observed that synergistic effects may appear result of hybridization, but the explanations are not enough comprehensive yet. During the research these issues will be investigated deeper.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The expected results will present the effects of the presence of the nanoparticles in three-phase composite systems on the mechanical properties, not just for of quasi-static loads but also in case of cyclic ones. As a result of the research the description of the behaviour of hybrid systems become more accurate. This will contribute to better designed composite systems, that can facilitate the spread of such systems in the trade.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Today, fiber reinforced plastics have become part of everyday life, especially in the field of sports equipment and vehicle components. Beside the common fiber reinforcement, the strengthening of plastics can also be implemented by the widely spreading nanoparticles. In both areas, the researchers have achieved excellent results. The combination of conventional fiber reinforcement and nanoparticles resulted better results. The developed materials have been mainly studied by static mechanical tests (eg. tensile, flexural tests). As it is typical at he mentioned applications the load is usually cyclic. Therefore, the aim of this research is to investigate the cyclic load on the mechanical behavior of nano-, and micro reinforced plastics. Based on the results the behaviour of the system becomes more understandable, so the design of such a composite part could be easily solved.
Final report
Results in Hungarian
A kutatás során új típusú hibridkompozit kifejlesztése és annak ciklikus mechanikai vizsgálata volt a cél. A szakirodalmi áttekintés után az első lépésben nanorészecskék és mikroszálak felhasználásával különböző típusú kompozitokat és hibridkompozitokat állítottam elő. Ezek vizsgálata alapján (különös tekintettel a fáradási tulajdonságokra) a grafén nanorészecskéket és bazaltszálat tartalmazó poliamid 6 mátrixú hibridek tulajdonságainak részletes feltárására került sor. Megállapítottam, hogy bár a hagyományos kvázi-statikus vizsgálatos során csak kisebb mértékű tulajdonságváltozás következett be, a fárasztóvizsgálatok során a 0,25 m% grafén tartalmú hibrid jelentős élettartam növekedést mutatott minden alkalmazott terhelési szinten. Az elektronmikroszkópos és a kvázi-statikus ciklikus vizsgálatokkal kimutattam, hogy a javulás a nanorészecskék mátrixban betöltött feszültség-homogenizáló képességéből fakad.
Results in English
The aim of this research was at studying the cyclic load on the mechanical behavior of nano-, and micro reinforced polymers. Based on the literature different types of nanoparticle and microfiber containing polyamide 6 matrix composites and hybridcomposites were prepared. Based on their performance – including some fatique properties – the graphene nanoparticle and basalt fiber microfiber containing hybridcomposite was chosen for further investigations. The results of quasi-static mechanical tests did not exhibited remarkable changes in the mechanical properties. In contrast the 0.25 wt.% graphene containing hybridcomposite showed significant increment in fatigue life for all applied load levels. Based on the electronmicroscopy and the quasi-static cyclic tensile tests the achived enhanced performance can be explained by the stress distribution effect of the nanoparticles in the polymer matrix.
Turcsán Tamás, Mészáros László: Egymásba hatoló hálószerkezetű, hőre nem lágyuló gyanta fejlesztése és vizsgálata, MŰANYAGIPARI SZEMLE 10: (5) 74-84, 2013
Mészáros László, Szakács József: Poliamid 6 mátrixú graféntartalmú kompozitok és bazaltszálat tartalmazó hibrid kompozitok előállítása és vizsgálata, MŰANYAGIPARI SZEMLE 10: (3) 77-84, 2013
Mészáros László: Elastic recovery at montmorillonite and carbon nanotube reinforced PA6 nanocomposites, In: Ivo Alfredic, Damir Semerski (szerk.) (szerk.) 30th Danubia-Adria Symposium on Advances in Experimental Mechanics. [s. l.]: [s. n.], 2013. pp. 39-40., 2013
J Szakács, L Mészáros: Effect of Graphene Content to the Deformation Components of Basalt Fiber Reinforced Nylon 6 Hybrid Composites, In: David Lukáš, Eva Košťáková, Petr Mikeš (szerk.) (szerk.) The Fiber Society Spring 2014 Technical Conference: Fibers for Progress. Liberec: Technical University of Liberec, Faculty of Textile Engineering, 2014. pp. 191-192., 2014
L Mészáros: Elastic Recovery at Basalt Fiber and Montmorillonite-Reinforced Polyamide 6, In: David Lukáš, Eva Košťáková, Petr Mikeš (szerk.) (szerk.) The Fiber Society Spring 2014 Technical Conference: Fibers for Progress. Liberec: Technical University of Liberec, Faculty of Textile Engineering, 2014. pp. 61-62., 2014
T Turcsán, L Mészáros: Development of High-Performance Fiber-Reinforced Polymer Composite with Toughened Matrix, In: David Lukáš, Eva Košťáková, Petr Mikeš (szerk.) (szerk.) The Fiber Society Spring 2014 Technical Conference: Fibers for Progress. Liberec: Technical University of Liberec, Faculty of Textile Engineering, 2014. pp. 69-70., 2014
Meszaros L, Szakacs J: ELASTIC RECOVERY AT GRAPHENE REINFORCED PA 6 NANOCOMPOSITES, In: TANGER Ltd (szerk.) (szerk.) 5th NANOCON International Conference. Ostrava: TANGER LTD., 2014. pp. 51-55., 2014
Kolos Molnár, Eva Košt'áková, László Mészáros: The effect of needleless electrospun nanofibrous interleaves on mechanical properties of carbon fabrics/epoxy laminates, EXPRESS POLYM LETT 8: (1) 62-72, 2014
László Mészáros, Tamás Turcsán: Development and mechanical properties of carbon fibre reinforced EP/VE hybrid composite systems, PERIOD POLYTECH MECH ENG 58: (2) 127-133, 2014
Mészáros László: Elastic Recovery at montmorillonite and carbon nanotube reinforced PA6 nanocomposites, Absztrakt #2B04 064. 30th Danubia-Adia Symposium on Advances in Experimental Mechanics, Primosten, Croatia, 2013
Mészáros László, Szakács József: Elastic recovery at graphene reinforced PA 6 nanocomposites, p. 5 in NANOCON 2013, Oct 16th - 18th, Brno, Czech Republic (elfogadva, megjelenés alatt), 2013
Turcsán Tamás, Mészáros László: Egymásba hatoló hálószerkezetű, hőre nem lágyuló gyanta fejlesztése és vizsgálata, Műanyagipari szemle (ISSN: 1785-7856) megjelenés alatt, 2013
Mészáros László, Szakács József: Poliamid 6 mátrixú graféntartalmú kompozitok és bazaltszálat tartalmazó hibrid kompozitok előállítása és vizsgálata., pp. 77-84. MŰANYAGIPARI SZEMLE 10:(3), 2013
Turcsán Tamás, Mészáros László: Nanostrukturált mátrixú kompozitok, az anyagfejlesztés új irányzata, POLIMEREK 2: (4) 109-111, 2016
Szakács J., Mészáros L.: Effect of different fiber contents on the fatigue behavior of polyamide 6 matrix composites, Materials Science Forum (in press), 2016
L. Mészáros; J. Szakács: Low-cycle fatigue properties of basalt fiber and graphene reinforced polyamide 6 hybrid composites, Journal of reinforced plastics and composites (major revision), 2016
Turcsán T.; Mészáros L.: Mechanical characterisation of hybrid resin matrix hybrid reinforced composite systems, Composites Part B: Engineering (benyújtva), 2016
