軽量コスト - 台湾ホワイトストーン株式会社

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21101 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

本論文では、ポリマー/金属薄肉パイプの耐衝撃性挙動と変形履歴に対する繊維のハイブリダイゼーションと積層順序の影響を実験的に調査しています。ラップされたアルミニウム (Al) パイプ上にジュート (J)/ガラス (G) で強化されたエポキシを手作業で湿式ラッピングして準備し、軸方向の準静的圧縮荷重をかけました。荷重対変位のプロットと破砕指標、つまりピーク破砕荷重 (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$)、平均破砕荷重 (${\mathrm{F}}_{ \mathrm{m}}$)、全エネルギー吸収 ($\mathrm{U})$、比エネルギー吸収 $\left(\mathrm{SEA}\right)$、および破砕力効率 $ \left(\mathrm{CFE}\right)$ が決定されました。実験結果によると、Al/2J/4G/2J パイプでは最大 $\left(\mathrm{SEA}\right)$ の値が約 42.92 kJ/g で記録され、\ では 20.56% の増強が見られました。 (\left(\mathrm{SEA}\right)\) 純正のAlパイプとの比較。 Al/2J/4G/2J 標本には最大値 ($\mathrm{U})$、$\left(\mathrm{SEA}\right)$、および $\left(\mathrm{CFE}) が表示されます。 \右)$ 自動車のエネルギー吸収部材として使用できる可能性があります。

近年、薄肉セクションは、高いエネルギー吸収能力、高剛性、高強度、高耐食性、軽量、低コスト、容易性などの多くの利点により、車両および鉄道産業で衝突に耐えるコンポーネントとして広く使用されています。製造1、2。「耐衝突性」は、人体や物品への傷害や損傷を最小限に抑えながら衝突に耐える車両の能力として定義できます3,4。材料の種類は、耐衝突性のあるデバイスのパフォーマンスに影響を与える重要な要素です5。塑性変形を制御できるため、従来の金属材料も使用できます6。それとは対照的に、ポリマー複合材料は、優れた比剛性および/または強度、および優れたエネルギー吸収能力により広く利用されています。複合材料は脆弱であるため、塑性変形を示しません。複合材料は、粉砕と層間剥離によってエネルギーを吸収します7、8。

ハイブリッドは、金属材料の塑性変形と複合材料のより大きな比剛性および/または強度を組み合わせるため、エネルギー吸収体に採用されています9、10。多くの学者がハイブリッドパイプの崩壊性能を調査しました。 Babbage と Mallick11 は、ガラスエポキシで被覆されたアルミニウム ($\mathrm{Al}$) パイプの軸方向の破砕性能を実験的に研究しました。 Eガラスの配向角はパイプ軸に対して±45°または±75°でした。円形および角形 ($\mathrm{Al}$) パイプが採用されました。一部のパイプにはエポキシフォームが充填されていました。結果は、E ガラス層の数が増加すると衝突安全性パラメータが向上することを示しました。丸いハイブリッドパイプの衝突パラメータは、四角いハイブリッドパイプよりも優れています。 ± 45° の配向角では、± 75° の場合よりも優れた衝突パラメータが得られます。 Kalhor と Case12 は、ステンレス鋼 (St) の角柱上に S2 ガラス強化エポキシ層を重ね合わせると、崩壊モードが低い総吸収エネルギー ($\mathrm{U})$ による分割から、高い総吸収エネルギーによる対称モードまたは混合モードに変化する可能性があることを発見しました。 ($\mathrm{U})$ と衝突後の段階での低振動。ハイブリッドシリンダー内のガラス/エポキシ層の数は、($\mathrm{U})$ に大きな影響を与えます。対称崩壊モードに対する破損応答を変更する新しいトリガー機構が採用され、その結果、提案されたハイブリッドの破砕力効率 $\left(\mathrm{CFE}\right)$ が向上しました。

Liu ら 13,14 は、軸方向荷重下での炭素繊維強化プラスチック ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) ハニカム構造の衝突挙動を研究しました。結果は、($\mathrm{CFRP}$ のピーク破砕力 (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$) および ($\mathrm{U}$) であることを示しました。 ) 充填された構造は、充填されていない構造と比較して 10% 改善されます。 $(\mathrm{Al})$ のハニカム分割長が減少すると、$(\mathrm{U})$ は徐々に増加し、$\left(\mathrm{SEA}\right)$ は減少します。ハイブリッド材料の衝突安全性は文献で研究されています。 Zhu ら 15 は、$(\mathrm{U})$ を含むクラッシュ指標と 3 つの障害応答 ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$ を研究しました。 ) 準静的なアキシアル荷重を受ける構成。比較のために、空の ($\mathrm{Al}$) シリンダーと ($\mathrm{CFRP}$) シリンダーがテストされました。実験結果は、つまり、($\mathrm{Al}$) シリンダーと内側 ($\mathrm{CFRP}$) シリンダーが最良の結果を達成することを示しました。 Hiはコストと軽量化の観点から解析的に検討されました。同じ $(\mathrm{U})$ の場合、Hi は ($\mathrm{CFRP}$) シリンダーと比較してコストを 32.1% 削減し、重量は (\ と比較して 33.6% 削減することが報告されています) (\mathrm{Al}\)) シリンダー。 Hi はエネルギー吸収に適応できる可能性があります。 Sun ら 16 は、フィラメントワインディングによって製造された ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) ハイブリッドパイプの準静的破砕性能を研究しました。巻き付け角度と試験片の壁厚が破壊メカニズムと破砕パラメータに重要な影響を与えることが報告されています。巻き角を増やすと、$\left(\mathrm{SEA}\right)$、$(\mathrm{U})$、$({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip) が減少します}})$ ($\mathrm{CFRP}$) および ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) ハイブリッドパイプ。 ($\mathrm{CFRP}$) パイプの厚さを増やすと、$\left(\mathrm{SEA}\right)$、$(\mathrm{U})$、$({\mathrm {F}}_{\mathrm{ip}})$ of ($\mathrm{CFRP}$) および ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$ ）ハイブリッド。巻き角度 25°、($\mathrm{CFRP}$)、$\left(\mathrm{SEA}\right)$、($\mathrm{CFRP}$) の 9 層の場合($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) パイプが最高でした (48.74 および 79.05 J/g)。さらに、($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) ハイブリッドパイプの $(\mathrm{U})$ は、そのコンポーネントの合計を超えています。

Wang et al.17 によると、($\mathrm{Al}$)/($\mathrm{CFRP}$) ハイブリッドパイプの変形モードの変更により、内部エネルギー $({\mathrm (\(\mathrm{Al}$) および ($\mathrm{CFRP}$) パイプの {U}}_{\mathrm{i}})\) は、元の状態 (\それぞれ (\mathrm{Al}\)) および ($\mathrm{CFRP}$) パイプ。摩擦散逸エネルギー $({\mathrm{U}}_{\mathrm{d}})$ は、元の状態 ($\mathrm{Al}$) と摩擦散逸エネルギーの合計と比較して 45.6% 増加します。 ($\mathrm{CFRP}$) パイプ、$(\mathrm{U})$ の ($\mathrm{Al}$)/($\mathrm{CFRP}$) を大幅に改善ハイブリッドパイプ。 ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) の場合、$({\mathrm{U}}_{\mathrm{i}})$ は 27.6% 増加します($\mathrm{Al}$) パイプでは減少しましたが、($\mathrm{CFRP}$) パイプでは、元の ($\mathrm{Al}$) および純 ($ \mathrm{CFRP}$) パイプ、それぞれ。一方、$({\mathrm{U}}_{\mathrm{d}})$ は、元の ($\mathrm{Al}$) と ( の合計と比較して 47.6% 減少します。 mathrm{CFRP}\)) パイプ、$(\mathrm{U})$ でのハイブリダイゼーションの重要性を示します。肉厚、寸法、断面形状が $(\mathrm{U})$ に及ぼす影響や、ハイブリッドのコスト比も考慮されました。より太い ($\mathrm{CFRP}$) パイプを備えたハイブリッドパイプの方が $(\mathrm{U})$ が大きいことが記録されています。一方、より薄い ($\mathrm{Al}$) パイプを備えたハイブリッドは、よりコスト効率の高いエネルギー吸収機能を示します。さらに、重量が一定であれば、断面サイズが小さい円形ハイブリッドパイプが最高のパフォーマンスを発揮します。 Zang ら 18 は、($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) ハイブリッドパイプの準静的軸方向衝突に対する断面形状の影響を調査しました。 $\left(\mathrm{SEA}\right)$ と ($\mathrm{CFRP}$) の衝突力効率 $\left(\mathrm{CFE}\right)$/(\ (\mathrm{Al}\)) 円形断面のパイプが最大であることがわかりました。円断面のハイブリッドパイプの長さは $(\mathrm{U})$ に実質的な影響を与えませんが、($\mathrm{Al}$) と ( $\mathrm{CFRP}$)、つまり (tm/tc)、層の数、繊維の方向、軸方向と円周方向の繊維の比率は、衝突挙動に顕著な影響を与えます。

繊維強化複合材料は、構成材料と繊維の配置に大きく依存する優れた固有の衝突安全性能を示し、一般に金属の性能を上回ります19。一方、金属は、十分に理解され安定したエネルギー吸収メカニズムを備えた、比較的コスト効率の高いソリューションを提供します20。繊維強化複合材料と金属をハイブリッドシステムに組み合わせると、衝突荷重下でのコスト効率に特化した機能性能の面で新たな可能性が開かれる可能性があります20。適切に設計された金属/複合材のハイブリッド構造は、適切なコストで従来の金属や複合材よりも軽量で安全であることが証明されています。これにより、Mahdi および El Kadi21 の衝突用途における優れた代替品として適合する金属/複合材料のハイブリッド構造がサポートされます。この点において、漸進的な破砕モードで余分なエネルギーを吸収するために、複合材料の適切な強化材を選択する努力が払われてきました。最近の研究者らは、安価で生分解性の軽量天然繊維を採用することで、高価な合成繊維の使用を軽減しようと試みた[Supian et al.22]。天然繊維強化複合材料の耐衝撃性を調査するために、いくつかの研究が実施されています23、24、25、26。

金属複合材料のハイブリッド構造は、その卓越した多目的性と衝突耐性により、自動車業界での人気が高まっています。金属と合成繊維の複合材料ハイブリッドの衝突安全性に関する多くの研究が文献に記載されています。しかし、金属 - 合成繊維複合材 - 天然繊維複合材のハイブリッド構造のエネルギー吸収メカニズムの解明に焦点を当てた研究はほとんどありません。そして、これらの構造のコストに対する性能をどのように制御するかは、依然として未解決の問題です。この研究は、さまざまな構成、つまりアルミニウム ($\mathrm{Al}$)/ジュート ($\mathrm{J}$)/E ガラス ( のコストを削減し、エネルギー吸収を高めることを目的としています。 mathrm{G}\)) 強化エポキシハイブリッドパイプ。強化ハイブリダイゼーションプロセスと層化スタッキングシーケンスの影響が調査されています。試験片は手作業によるレイアップ手順による湿式整形によって作製され、準静的なアキシアル荷重下で試験されました。衝突安全性指標を決定し、変形履歴を調査しました。提案されたエネルギー散逸要素のコスト比率が計算され、比較されました。破損した試験片の破損の兆候を示すために、走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像が含まれています。

この作品では、Military Production Co. Ltd. (エジプト) から供給された、外径 50 mm、厚さ 2 mm のパイプの形の ($\mathrm{Al}6063$) アルミニウム合金が使用されました。面密度 200 g/m2 の E ガラス織物とジュート織物は、それぞれ中国の Hebei Yuniu Fiber Glass Manufacturing Co. Ltd. と Zhong Xing Cotton and Jute Co. Ltd. (中国) から供給されました。 ($\mathrm{Al}6063$) パイプ、ジュート織物、E ガラス織物の表面画像を図 1 に示します。Chemicals for Modern Buildings Co. Ltd. (エジプト) から納入された Kemapoxy 150RGL がノミネートされましたマトリックスとして。表 1 は、E ガラス、ジュート、$\mathrm{Al}6063$、および Kemapoxy 150 RGL の機械的特性を示しています。 $\mathrm{Al}6063$ の化学組成 (重量パーセント、wt%) を表 2 に示します。

(a) Al 6063 パイプ、(b) E ガラス織布、(b) ジュート織布の表面画像。

試験片の製造には、ハンドレイアップ法による湿式整経法が提案されました (図 2)。この製造法は、その容易さと要件の低さにより、多くの研究分野でさまざまな研究者によって採用されました 4、5、27、28、29、30。製造プロセスのステップは次のように要約できます。

エポキシとその硬化剤を手で混ぜてかき混ぜる作業には約 5 分かかりました。混合物を生地に均一に加えました (図 2a)。飽和した生地を、50 mm の処理されたアルミニウムパイプ上に巻き付けました (図 2b)。

マトリックスメーカーの推奨に従って、組み立てられたパイプは完全に硬化するまで 25 $^\circ$C で「7」日間かかります31。製造されたパイプは、硬化後に欠陥がないか目視で検査されました（図 2c）。統合されたパイプは 100 mm の長さに切断されました (図 2d)。

図 3 に示すように、次数の異なる 8 枚の布地層を Al パイプ上に巻き付けました。試験片の幾何学的寸法を表 3 に示します。

製造プロセスのシーケンス。

製作したハイブリッドパイプの積層シーケンス。

Al パイプ、ジュート、および E ガラス生地間の強力な結合を確保するために、Al パイプには機械的および化学的処理が施されました。まず、Al パイプをアセトンですすぎ、次に #400 グリットのサンドペーパーで滑らかにし、蒸留水で洗浄し、最後にオーブンで乾燥させることによって機械的処理を行いました。次に、機械的に処理した Al パイプを、体積濃度 11% の HCl を使用して室温で 30 分間酸洗浄しました。次に、Al パイプを 5 wt% NaOH 溶媒に 70 °C で 5 分間浸しました。最後に、ハイブリッド複合材料 32 の製造に使用するために、処理された Al パイプが洗浄および乾燥されました。この技術は多くの研究者によって採用され 33、34、35、36、37 は、金属とポリマー界面の間の結合を強化するこの技術の成功を確認しました。

100 kN 万能試験機 (タイプ: 中国、済南 WDW) を選択し、クロスヘッド速度 10 mm/min で準静的試験を実行しました。図 4 は、この研究で使用された実験セットアップを示しています。試験片は、試験を開始する前に、互いに平行な 2 枚の平らな鋼板の間に配置されました。自動データ収集システムは、荷重と変位のデータを記録するために直接実装されました。多くの著者が衝突安全性に関する研究でこの方法を確認しています38、39、40。試験片の変形履歴を追跡し、報告しました。それぞれの場合で 3 つの試験片の荷重 - 変位曲線が記録され、3 つの曲線の平均が提供されて描画されました。曲線が平均曲線に近い標本が最も代表的であるとみなされ、図 1 と 2 に示されています。改訂版に示されている、5、6、7、8、9、10、および 11。一方、図2および3に示されているデータは次のとおりです。１２、１３、１４、１５は平均値を表す。生成された荷重 - 変位曲線は、衝突に強い金属複合材料試験片の性能を定量化するために使用できます。以下は破砕の重要パラメータです: ピーク破砕荷重 (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$)、平均破砕荷重 (${\mathrm{F}}_{\mathrm) {m}}$)、全エネルギー吸収 ($\mathrm{U})$、比エネルギー吸収 $\left(\mathrm{SEA}\right),$、および破砕力効率 $\left (\mathrm{CFE}\右)$

ピーク破砕荷重 (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})$ は、得られた荷重対変位プロットから直接記録されます。エネルギー吸収装置が衝突の力を自動車に及ぼすのを防ぐのに十分コンパクトであることが推奨される29。

総エネルギー吸収 ($\mathrm{U})$ は、衝突プロセス中にどれだけのエネルギーが浪費されたかを示します (式 1)。 (1)。

ここで、 $\mathrm{F}\left(\updelta \right)\mathrm{ と }{\delta }_{\mathrm{max}}$ は、それぞれ即時の破砕力と全体の破砕変位です。

平均圧壊荷重 (${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}$) は、総圧壊変位と吸収エネルギーによって決定できます。

破砕力効率 $\left(\mathrm{CFE}\right)$ は、平均破砕荷重とピーク破砕荷重の比です。破砕力効率のパーセンテージが高い場合、構造の有効 EAC も高くなります。

比エネルギー吸収 $\left(\mathrm{SEA}\right)$ は、吸収されたエネルギー (U) をエネルギー吸収体の質量 (${\mathrm{m}}_{\mathrm{c}) で割ることによって計算されます。 }$):

ここで、$\mathrm{M}/\mathrm{L}$ は単位長さあたりのエネルギー吸収体の質量です。

この作業で使用された実験装置。

Al 試験片の荷重 - 変位および圧潰履歴。

Al-8J試験片の荷重-変位および圧潰履歴。

Al/4J/4G 試験片の荷重 - 変位および圧潰履歴。

Al/4G/4J 試験片の荷重 - 変位および圧潰履歴。

Al/2G/4J/2G試験片の荷重-変位および圧潰履歴。

Al/2J/4G/2J試験片の荷重-変位および圧潰履歴。

Al/8G 試験片の荷重 - 変位および圧潰履歴。

試験片の初期および平均圧壊荷重。

試験片の総エネルギー吸収。

試験片の比エネルギー吸収。

試験片の破砕力効率。

ラップされた $(\mathrm{Al})$ パイプ上の J/G 強化エポキシの荷重対変位のプロットと変形履歴を図 1 と 2 に示します。結果を図５、６、７、８、９、１０および１１に示す。図 5、6、7、8、9、10、および 11 は、各構成の最も代表的なサンプルです。

図 5 から明らかなように、$(\mathrm{Al})$ 試験片は 3.97 mm で 61.87 kN のピーク荷重に近づくまで直線的に挙動し、その後 10.32 mm で 25.23 kN まで急激に減少します。変位が増加すると、純粋な $(\mathrm{Al})$ の試験片は規則的に塑性変形し、約 79.41 mm で緻密化の開始点に達するまで、衝突後の領域で高い振動の振幅の荷重 - 変位プロファイルが得られます。 $(\mathrm{Al})$ パイプの圧潰履歴には、パイプの折り畳みと全体的な座屈が表示されます。

図 6 から明らかなように、Al/8J 試験片は 8.06 mm で 80.88 kN に近づくまで直線的に挙動し、その後荷重が 18.56 mm で 49.65 kN まで急激に減少します。荷重の低下に伴い、応力集中によりパイプ上部に母材亀裂が発生し始めます。その後、荷重と変位のプロットは、64.65 mm の圧縮領域の開始点に達するまで、破砕後の段階でわずかに振動し始めました。締固め領域の開始時に荷重が急速に上昇します。この結果は、Abdewi et al.41 が指摘したことと一致しています。ねじれや折れが目立ちます。繊維の座屈の結果、パイプ全体の座屈が記録されました。

準静的荷重下での Al/4J/4G 試験片の荷重対変位のプロットと歪み履歴を図 7 に示します。パイプは ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip) に近づくまで線形の挙動を示します。 }}$ は 5.74 mm で 86.55 kN、その後、18.41 mm で約 46.59 kN まで急激に荷重が低下します。その後、65.01 mm の緻密化ゾーンの開始まで、ポストクラッシュゾーンの小さな変動が観察されました。しわ、壁の曲がり、亀裂を伴う全体的な座屈が認められます。

図 8 は、準静的圧縮試験から得られた Al/4G/4J 試験片の力対動きの応答と圧潰履歴を示しています。パイプは、3.76 mm で ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ の 87.57 kN に近づくまで線形傾向を示し、その後約 46.19 kN で急激な荷重低下が続きます。荷重が降下した後、荷重対変位のプロットは、63.01 mm で始まる圧縮ゾーンに入るまで、ポストクラッシュゾーンで振動しました。パイプの底部にマトリックスの亀裂が見られます。

図9は、準静的試験から得られたAl/2J/4G/2J試験片の荷重対変位のプロットと変形履歴を示しています。パイプは、4.59 mm で 79.33 kN の ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ に近づくまで線方向を持ち、荷重 - 変位曲線は平均荷重の周囲のポストクラッシュゾーンで振動します。 65.01 mm で始まる圧縮ゾーンに入るまで。パイプの底部にマトリックスの亀裂が見られます。

図 10 は、Al/2G/4J/2G 試験片の荷重対変位のプロットと変形履歴を示しています。パイプは、8.59 mm で ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ の 81.29 kN に近づくまで直線的に動作し、その後約 20.89 kN で急激に荷重が低下します。荷重降下後、荷重 - 変位曲線は、70.29 mm の圧縮ゾーンの始まりに達するまで、ポストクラッシュ段階で振動しました。パイプの底部にマトリックスの亀裂が見られます。

Al/8G 試験片の荷重対変位曲線と歪み履歴を図 11 に示します。パイプが 4.95 mm で 77.54 kN の荷重に向かって移動するまで直線的に動作し、その後、荷重が 32.31 kN 近くまで急激に低下することが観察されました。 18.37 mmでkN。荷重低下後、72.00 mm の緻密化ゾーンの開始まで、ポストクラッシュゾーンで荷重対変位のプロットが振動しました。 Al/8G 試験片では、繊維破壊を伴う全体的な座屈が観察されます。

表 4 は、テストされたすべての金属/ポリマーパイプの衝突安全性パラメーターを示しています。また、すべてのデータの再現性も示します。すべての結果の変動係数 (CV) が 10% 未満であることは明らかであり、これは結果の再現性を裏付け、目に見える精度を反映しています。

図 12 で明らかなように、最低 ${(\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})$ は $(\mathrm{Al})$ パイプで記録され、その値は 61.87 でした。 kN。 $(\mathrm{Al})$ パイプを 8 層のジュート/エポキシとガラス/エポキシでハイブリッド化すると、${\mathrm{F}}_{\mathrm) がそれぞれ 30.73% と 28.56% 向上します。 \((\mathrm{Al})$ パイプの {ip}}\)。 Al/4J/4G、Al/4G/4J、Al/2J/4G/2J、Al/2G/4J/2G パイプの ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ は、それぞれ、Alパイプの約1.40倍、1.42倍、1.28倍、1.31倍です。これは、$(\mathrm{Al})$ とジュートとガラスをハイブリッド化すると、${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ の値に目に見えるプラスの効果があることを意味します。

$(\mathrm{Al})$ パイプを 8 層のジュート/エポキシとガラス/エポキシでハイブリッド化すると、$({\mathrm{F}}_{\ mathrm{m }})$ の $\left(\mathrm{Al}\right)$ パイプ。 Al/4J/4G、Al/4G/4J、Al/2J/4G/2J、Al/2G/4J/2G パイプの ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ は、それぞれ、 $(\mathrm{Al})$ パイプの約 1.60、1.61、1.70、1.42 倍です。これは、$(\mathrm{Al})$ と J および G ファイバーのハイブリッド化が ${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}$ の値に目に見えるプラスの効果をもたらすことを意味します。

図 13 に示すように、最も高いエネルギー吸収 $\left(\mathrm{U}\right)$ は、Al/2J/4G/2J パイプで約 3885.55 kJ の値を示しましたが、最も低い $ \left(\mathrm{U}\right) \mathrm{was}$ は、$(\mathrm{Al})$ パイプの値が約 2791.84 kJ で、$\left で 39.18% の強化が見られる) に注目しました。 (\mathrm{U}\right)$ 純粋な $(\mathrm{Al})$ パイプとの比較。また、Al/8J、Al/4J/4G、Al/4G/4J、Al/2G/4J/2G、Al/8G パイプの $\left(\mathrm{U}\right)$ の値は、それぞれ, $\left(\mathrm{Al}\right)$ パイプの約 1.13、1.27、1.28、1.21、1.11 倍です。これは、$(\mathrm{Al})$ とジュートとガラスをハイブリッド化すると、$\left(\mathrm{U}\right)$ の値に目に見えるプラスの効果があることを意味します。

図 14 に示すように、最も高い比エネルギー吸収 $\left(\mathrm{SEA}\right)$ 値は、Al/2J/4G/2J パイプで記録され、その値は約 42.92 kJ/g でした。純Alパイプと比較して$\left(\mathrm{SEA}\right)$で20.56%の強化。一方、最も低い $\left(\mathrm{SEA}\right)$ は、Al-8J パイプで検出され、その値は約 30.08 kJ/g でした。 Al/4J/4G、Al/4G/4J、Al/2G/4J/2G、Al/8G パイプの $\left(\mathrm{SEA}\right)$ は、それぞれ約 1.10、1.15、0.99 です。 $\left(\mathrm{Al}\right)$ パイプの 0.98 倍です。 $\left(\mathrm{Al}\right)$ パイプ上にハイブリッドジュート/ガラス強化エポキシ層を巻き付けると、$($ の $\left(\mathrm{SEA}\right)$ が改善されることは明らかです。 mathrm{Al})\) パイプ。

図 15 に示すように、最高の $\mathrm{CFE}$ 値は Al/2J/4G/2J パイプで約 0.75 の値で記録されましたが、最低の $\mathrm{CFE}$ は$(\mathrm{Al})$ および Al/8G パイプで約 0.57 の値が検出されました。 $(\mathrm{Al})$ パイプを、8 層のジュート/エポキシ 7.01 と $\left(\mathrm{Al}\right)$ パイプの $\mathrm{CFE}$ の % でハイブリッド化。 Al/4J/4G、Al/4G/4J、Al/2G/4J/2G パイプの $\mathrm{CFE}$ は、それぞれ $(\mathrm{ Al})$ パイプ。これは、$(\mathrm{Al})$ とジュートとガラスのハイブリッド化が $\mathrm{CFE}$ の値に目に見えるプラスの効果をもたらすことを意味します。

通常、エネルギー吸収体は粉砕エネルギーを吸収するように作られています。金属複合材料ハイブリッドパイプの EAC を検査する際に考慮すべき重要な要素は、破損メカニズムです 42。破砕された試験片の上面図の典型的なサンプルの写真が図 16 に含まれています。2 つの損傷モードを見ることができます。それらは次のカテゴリに分類されます。

失敗した試験片の上面図。

アプローチ I: 未処理の $(\mathrm{Al})$ 標本は軸対称またはリングモードを記録しました。

アプローチ II: 当初、マトリックスにマクロ亀裂が形成され、ハイブリッドパイプが座屈し始めました。その後、亀裂はパイプから遠ざかる方向に広がりました。マトリックスの亀裂がさらに伝播すると、図 17 に示されている破損した試験片の SEM 画像に示されているように、層の曲がり、内側と外側の折り目の形成、層間剥離、繊維の破損、エポキシの微小亀裂が発生します。

失敗した試験片の SEM。

ハイブリッド金属複合パイプを設計する場合、コストは設計要素と製造要素の両方に影響される重要な要素です。この研究では、使用済み材料の価格は、Al 6063 が 5.0 ドル/kg、E ガラス織布が 2.0 ドル/kg、ジュート織布が 1.0 ドル/kg、使用済みエポキシ樹脂が 2.0 ドル/kg です。この研究では、コスト比率は $\left(\mathrm{SEA}\right)$ をパイプのコスト (Al、ファイバー、およびマトリックス) で割ったものとして評価されました。図１８から明らかなように、Ａｌ／２Ｊ／４Ｇ／２Ｊパイプ、Ａｌパイプ、およびＡｌ／４Ｇ／４Ｊパイプが、それぞれ７７．３３、７４．０１、および７３．４２Ｊ．＄／ｇの値で最高のコスト比を達成した。 Al/2J/4G/2J、Al、および Al/4G/4J パイプは最も効果的なパイプであり、エネルギー吸収部品として自動車用途に使用できます。表 3 には、製造された各パイプのコストと試験片のコストの正規化値が含まれています。

研究されたハイブリッド標本のコスト比率。

表 5 は、提案された材料の衝突安全性を評価するための、天然/合成強化複合材料および金属材料から作られたエネルギー吸収体の $\left(\mathrm{SEA}\right)$ に関する以前に公開されたデータの一部を示しています。表 4 から明らかなように、$(\mathrm{Al})$ パイプ上にハイブリッド天然繊維と合成繊維をラッピングすることにより、$(\mathrm{Al})$ エネルギー吸収体の衝突安全性能を向上させることができます。さらに、従来の金属、繊維強化複合材、およびハイブリッドパイプと比較して、提案されたパイプは衝突安全性能が向上していることが実証され、その結果、革新的なエネルギー吸収材は車両構造の前部のエネルギー吸収コンポーネントとして使用できます。、耐衝撃性ロッドまたはクラッシュボックスに使用でき、飛行機の胴体にも適用できます。提案された金属/ポリマーハイブリッド複合材料で作られたクラッシュボックスは、図19に示すように、船舶、航空宇宙、自動車産業などの輸送産業における高性能アプリケーションや安全装置向けに、特定の種類の荷重に合わせて設計できます。

提案されている金属/ポリマー成分の推奨用途と組み込み方法。

この記事では、金属/ポリマー複合材ハイブリッドパイプの耐衝撃性と損傷メカニズムに対する層の順序の影響を調査します。円形パイプは手作業による湿式ラッピング手順で準備され、軸方向の荷重が加えられました。次の観察結果が文書化されています。

ハイブリダイゼーションおよび積層シーケンスのプロセスは、金属/ポリマー複合構造の耐衝突性と損傷メカニズムに大きな影響を与えます。 $(\mathrm{Al})$ パイプとジュートおよびガラス強化エポキシ層のハイブリッド化により、(${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$)、( ${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}})$、$(\mathrm{U})$、および $(\mathrm{CFE})$。最高値 (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$) は、Al/4G/4J で記録され、値 87.56 でした。最高値 (${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}})$、$(\mathrm{U})$、\(\left(\mathrm{SEA}\right)\ )、CFE、およびコスト比は、Al/2J/4G/2J について記録され、それぞれ、59.76 kN、3885.55 J および 42.92 J.$/g、0.75、および 77.33 J.$/g の値でした。 Al/2J/4G/2J は、優れたエネルギー吸収能力、軽量、高コスト比により、自動車のエネルギー放散部品としての使用に適しています。

$(\mathrm{Al})$ パイプをガラスジュート強化エポキシとハイブリッド化すると、破損メカニズムが軸対称またはリングモードから座屈、マトリックスマクロ亀裂の形成、パイプの周方向への亀裂伝播に変化します。さらに亀裂が伝播すると、薄層の曲がり、内部および外部の折り目の形成、層間剥離、繊維の破壊、および繊維の引き抜きが引き起こされます。

現在の研究中に生成されたデータセット、および/または現在の研究中に分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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マルワ・A・アブド・エル・バキー、マフムード・M・アウド・アッラー、ワラー・アブド・エラジーム

エジプト、イスマイリア、スエズ運河大学 (SCU) 機械工学部

マデハラクダ

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転載と許可

エル・バキー、MAA、アッラー、MMA、カメル、M. 他エネルギー吸収用途向けの軽量でコスト効率の高いハイブリッド材料。 Sci Rep 12、21101 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-25533-3

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受信日: 2022 年 9 月 28 日

受理日: 2022 年 11 月 30 日

公開日: 2022 年 12 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25533-3

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