بررسی مکانیزم شکست نانوکامپوزیت پلی اتیلن-کربنات کلسیم با روش کار ضروری شکست (ewf)

پلی اتیلن یکی از مواد گرمانرم پرکاربرد در صنعت می باشد. به همین دلیل، بررسی رفتار شکست آن از اهمیت زیادی برخوردار است. با توجه به بزرگ بودن منطقه ی مومسان تشکیل شده در نوک ترک، استفاده از روش های مکانیک شکست کشسان خطی (lefm) برای توصیف فرایند شکست پلی اتیلن امکان پذیر نیست. در این تحقیق، رفتار شکست پلی اتیلن با چگالی متوسط با استفاده از روش کار ضروری شکست (ewf) ارزیابی شده است. در این روش فرایند شکست با دو پارامتر توصیف و مقداری برای چقرمگی شکست ماده در حالت تنش صفحه ای حاصل می شود. از آنجا که اصلی ترین کاربرد پلی اتیلن، استفاده از این ماده به صورت فیلم می باشد، با استفاده از روش ewf می توان چقرمگی شکست فیلم پلی اتیلن را بدست آورد. همچنین تأثیر نانوذرات کربنات کلسیم، که پرمصرف ترین پرکننده ی مورد استفاده در زمینه ی مواد پلیمری می باشد، بر رفتار شکست پلی اتیلن مورد بررسی قرار گرفته است. به این منظور، فیلم پلی اتیلن و نانوکامپوزیت با 1، 5/2 و 5 درصد وزنی کربنات کلسیم، به روش قالبگیری فشاری تولید شد. نمونه های کششی با دو شیار لبه ای عمیق (ddent) از این فیلم ها بریده شدند. طول لیگامنت این نمونه ها (فاصله ی بین دو شیار) در محدوده ی mm 15-5 انتخاب شد. برای هر ماده حداقل 20 نمونه آماده سازی شد. نمونه ها با سرعت ثابت تحت کشش قرار گرفت و منحنی نیرو بر حسب جابجایی برای هر نمونه ثبت شد. پس از انتخاب داده های معتبر برای آنالیز ewf، میزان کار ضروری شکست (we) و کار غیر ضروری شکست (?wp) برای هر ماده محاسبه شد. همچنین با تعیین فاکتور شکل منطقه ی مومسان (?)، میزان کار انجام شده برای تغییر شکل مومسان در واحد حجم ماده (wp) نیز محاسبه شد. مکانیزم های تغییر شکل و شکست پلی اتیلن خالص و نانوکامپوزیت ها با استفاده از میکروسکپ نوری عبوری (tom) و میکروسکپ الکترونی روبشی (sem) ارزیابی و تأثیر آن ها بر هر یک از پارامترهای ewf بررسی شد. نتایج این تحقیق نشان می دهد که افزودن نانوذرات کربنات کلسیم به زمینه ی پلی اتیلن، باعث کاهش کار ضروری شکست (we) می شود. نانوذرات به عنوان نقاط تمرکز تنش عمل می کنند و باعث ایجاد حفراتی در زمینه می شوند که همین امر می تواند کار مورد نیاز برای رشد ترک و ایجاد دو سطح جدید را کاهش دهد. در نتیجه میزان (we) کاهش می یابد. همچنین مشخص شد، کار غیر ضروری شکست (?wp) با افزایش میزان نانوذرات کربنات کلسیم تا 5/2 درصد وزنی افزایش، و به ازای 5 درصد وزنی کاهش می یابد. در حضور نانوذرات منطقه ی مومسان دوگانه در جلوی ترک تشکیل می شود که با اختلاف در شدت سفید شدن ناشی از تنش، از یکدیگر متمایز می شوند. فاکتور شکل منطقه ی مومسان (?) با افزایش درصد وزنی نانوذرات، کاهش می یابد. اما میزان کار تغییر شکل مومسان در واحد حجم (wp) زیاد می شود. بر اساس بررسی های میکروسکپی مشخص شد که مکانیزم غالب تغییر شکل در نمونه های نانوکامپوزیتی، جدایش فصل مشترک ذره و زمینه، تشکیل حفره در زمینه و تغییرشکل زمینه ی پلی اتیلن بین حفرات است که افزایش (wp) را در نمونه های نانوکامپوزیتی توجیه می کند.