Effect of Carbon Nanotube Embedding on the Mechanical Properties of Delaminated Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite Plates
Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites are widely employed in aerospace, automotive, and civil infrastructure applications owing to their exceptional specific stiffness and strength. Delamination is one of the critical parameter in composite materials. However, interlaminar delamination r...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Англійська |
| Опубліковано: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2026
|
| Онлайн доступ: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/359590 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Journal of Mechanical Engineering |
Репозитарії
Journal of Mechanical Engineering| _version_ | 1864308157915856896 |
|---|---|
| author | Imran, Muhammad |
| author_facet | Imran, Muhammad |
| author_sort | Imran, Muhammad |
| baseUrl_str | https://journals.uran.ua/jme/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-05-04T07:02:13Z |
| description | Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites are widely employed in aerospace, automotive, and civil infrastructure applications owing to their exceptional specific stiffness and strength. Delamination is one of the critical parameter in composite materials. However, interlaminar delamination remains the predominant failure mode critically undermining structural integrity. The present study investigates the influence of multi-walled carbon nanotube (MWCNT) reinforcement, introduced via matrix-level dispersion, on the mechanical response of CFRP laminates with pre-existing circular delaminations of varying diameters (10, 20, and 30 mm) at the mid-plane. Quasi-isotropic [0/45/−90/−45]ₛ laminates (nominal thickness 4 mm) were fabricated by vacuum-assisted resin infusion. Three MWCNT weight fractions (0, 0.3, and 0.5 wt.%) were examined. Specimens were characterised by tensile, compressive, short-beam shear, mode-I double-cantilever beam fracture, and compression-after-impact tests. Digital image correlation was employed to map full-field strain distributions. Incorporation of 0.3 wt.% MWCNTs increased ILSS by 18.3%, mode-I Gᴵc by 34.4%, and compression-after-impact strength by 22.0% relative to neat CFRP with equivalent delamination. At 0.5 wt.%, agglomeration effects partially offset these gains. Fractographic SEM revealed carbon nanotube pull-out, crack bridging, and matrix micro-crack deflection as operative toughening mechanisms. These findings demonstrate that low-concentration MWCNT doping constitutes an effective strategy for mitigating delamination-induced degradation in CFRP structural panels. |
| first_indexed | 2026-05-05T01:00:08Z |
| format | Article |
| id | journalsuranuajme-article-359590 |
| institution | Journal of Mechanical Engineering |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English |
| last_indexed | 2026-05-05T01:00:08Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| record_format | ojs |
| spelling | journalsuranuajme-article-3595902026-05-04T07:02:13Z Effect of Carbon Nanotube Embedding on the Mechanical Properties of Delaminated Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite Plates Вплив вбудовування вуглецевих нанотрубок на механічні властивості деламінованих композитних пластин із полімеру з вуглецевим волокном Вплив вбудовування вуглецевих нанотрубок на механічні властивості деламінованих композитних пластин із полімеру з вуглецевим волокном Imran, Muhammad Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites are widely employed in aerospace, automotive, and civil infrastructure applications owing to their exceptional specific stiffness and strength. Delamination is one of the critical parameter in composite materials. However, interlaminar delamination remains the predominant failure mode critically undermining structural integrity. The present study investigates the influence of multi-walled carbon nanotube (MWCNT) reinforcement, introduced via matrix-level dispersion, on the mechanical response of CFRP laminates with pre-existing circular delaminations of varying diameters (10, 20, and 30 mm) at the mid-plane. Quasi-isotropic [0/45/−90/−45]ₛ laminates (nominal thickness 4 mm) were fabricated by vacuum-assisted resin infusion. Three MWCNT weight fractions (0, 0.3, and 0.5 wt.%) were examined. Specimens were characterised by tensile, compressive, short-beam shear, mode-I double-cantilever beam fracture, and compression-after-impact tests. Digital image correlation was employed to map full-field strain distributions. Incorporation of 0.3 wt.% MWCNTs increased ILSS by 18.3%, mode-I Gᴵc by 34.4%, and compression-after-impact strength by 22.0% relative to neat CFRP with equivalent delamination. At 0.5 wt.%, agglomeration effects partially offset these gains. Fractographic SEM revealed carbon nanotube pull-out, crack bridging, and matrix micro-crack deflection as operative toughening mechanisms. These findings demonstrate that low-concentration MWCNT doping constitutes an effective strategy for mitigating delamination-induced degradation in CFRP structural panels. Композити на основі полімеру, армованого вуглецевим волокном (CFRP), широко застосовуються в авіакосмічній, автомобільній та цивільній інфраструктурі завдяки їхній винятковій питомій жорсткості та міцності. Розшарування є одним із критичних параметрів у композитних матеріалах. Проте міжшарове розшарування залишається основним механізмом руйнування, що суттєво підриває структурну цілісність. У даному дослідженні розглянуто вплив армування багатошаровими вуглецевими нанотрубками, введеними шляхом диспергування на рівні матриці, на механічну поведінку CFRP‑ламінатів із попередньо створеними круговими зонами розшарування різних діаметрів (10, 20 та 30 мм) у середній площині. Квазі-ізотропні ламінати [0/45/−90/−45]ₛ (номінальна товщина 4 мм) були виготовлені методом вакуумної інфузії смоли. Було досліджено три масові частки багатошарових вуглецевих нанотрубок (0, 0,3 та 0,5%). Зразки охарактеризовано за допомогою випробувань на розтяг, стиск, короткобалковий зсув, руйнування за модою I методом подвійної консольної балки та стиск після удару. Для картування повноформатних розподілів деформацій застосовано цифрову кореляцію зображень. Введення 0,3% багатошарових вуглецевих нанотрубок підвищило міжшарову міцність на зсув на 18,3%, Gᴵc за модою I на 34,4% та міцність на стиск після удару на 22,0% порівняно з чистим CFRP із еквівалентним розшаруванням. При 0,5 мас.% ефекти агломерації частково нівелювали ці покращення. Фрактографічна сканувальна електронна мікроскопія виявила механізми підвищення тріщиностійкості: витягування нанотрубок, місткове з’єднання тріщин та відхилення мікротріщин у матриці. Отримані результати демонструють, що легування багатошаровими вуглецевими нанотрубками з низькою концентрацією є ефективною стратегією для зменшення деградації, спричиненої розшаруванням, у конструкційних панелях CFRP. Композити на основі полімеру, армованого вуглецевим волокном (CFRP), широко застосовуються в авіакосмічній, автомобільній та цивільній інфраструктурі завдяки їхній винятковій питомій жорсткості та міцності. Розшарування є одним із критичних параметрів у композитних матеріалах. Проте міжшарове розшарування залишається основним механізмом руйнування, що суттєво підриває структурну цілісність. У даному дослідженні розглянуто вплив армування багатошаровими вуглецевими нанотрубками, введеними шляхом диспергування на рівні матриці, на механічну поведінку CFRP‑ламінатів із попередньо створеними круговими зонами розшарування різних діаметрів (10, 20 та 30 мм) у середній площині. Квазі-ізотропні ламінати [0/45/−90/−45]ₛ (номінальна товщина 4 мм) були виготовлені методом вакуумної інфузії смоли. Було досліджено три масові частки багатошарових вуглецевих нанотрубок (0, 0,3 та 0,5%). Зразки охарактеризовано за допомогою випробувань на розтяг, стиск, короткобалковий зсув, руйнування за модою I методом подвійної консольної балки та стиск після удару. Для картування повноформатних розподілів деформацій застосовано цифрову кореляцію зображень. Введення 0,3% багатошарових вуглецевих нанотрубок підвищило міжшарову міцність на зсув на 18,3%, Gᴵc за модою I на 34,4% та міцність на стиск після удару на 22,0% порівняно з чистим CFRP із еквівалентним розшаруванням. При 0,5 мас.% ефекти агломерації частково нівелювали ці покращення. Фрактографічна сканувальна електронна мікроскопія виявила механізми підвищення тріщиностійкості: витягування нанотрубок, місткове з’єднання тріщин та відхилення мікротріщин у матриці. Отримані результати демонструють, що легування багатошаровими вуглецевими нанотрубками з низькою концентрацією є ефективною стратегією для зменшення деградації, спричиненої розшаруванням, у конструкційних панелях CFRP.Композити на основі полімеру, армованого вуглецевим волокном (CFRP), широко застосовуються в авіакосмічній, автомобільній та цивільній інфраструктурі завдяки їхній винятковій питомій жорсткості та міцності. Розшарування є одним із критичних параметрів у композитних матеріалах. Проте міжшарове розшарування залишається основним механізмом руйнування, що суттєво підриває структурну цілісність. У даному дослідженні розглянуто вплив армування багатошаровими вуглецевими нанотрубками, введеними шляхом диспергування на рівні матриці, на механічну поведінку CFRP‑ламінатів із попередньо створеними круговими зонами розшарування різних діаметрів (10, 20 та 30 мм) у середній площині. Квазі-ізотропні ламінати [0/45/−90/−45]ₛ (номінальна товщина 4 мм) були виготовлені методом вакуумної інфузії смоли. Було досліджено три масові частки багатошарових вуглецевих нанотрубок (0, 0,3 та 0,5%). Зразки охарактеризовано за допомогою випробувань на розтяг, стиск, короткобалковий зсув, руйнування за модою I методом подвійної консольної балки та стиск після удару. Для картування повноформатних розподілів деформацій застосовано цифрову кореляцію зображень. Введення 0,3% багатошарових вуглецевих нанотрубок підвищило міжшарову міцність на зсув на 18,3%, Gᴵc за модою I на 34,4% та міцність на стиск після удару на 22,0% порівняно з чистим CFRP із еквівалентним розшаруванням. При 0,5 мас.% ефекти агломерації частково нівелювали ці покращення. Фрактографічна сканувальна електронна мікроскопія виявила механізми підвищення тріщиностійкості: витягування нанотрубок, місткове з’єднання тріщин та відхилення мікротріщин у матриці. Отримані результати демонструють, що легування багатошаровими вуглецевими нанотрубками з низькою концентрацією є ефективною стратегією для зменшення деградації, спричиненої розшаруванням, у конструкційних панелях CFRP. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2026-05-04 Article Article application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/359590 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 29 No. 1 (2026); 16-27 Проблемы машиностроения; Том 29 № 1 (2026); 16-27 Проблеми машинобудування; Том 29 № 1 (2026); 16-27 2709-2992 2709-2984 en https://journals.uran.ua/jme/article/view/359590/345307 Copyright (c) 2026 Muhammad Imran http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |
| spellingShingle | Imran, Muhammad Effect of Carbon Nanotube Embedding on the Mechanical Properties of Delaminated Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite Plates |
| title | Effect of Carbon Nanotube Embedding on the Mechanical Properties of Delaminated Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite Plates |
| title_alt | Вплив вбудовування вуглецевих нанотрубок на механічні властивості деламінованих композитних пластин із полімеру з вуглецевим волокном Вплив вбудовування вуглецевих нанотрубок на механічні властивості деламінованих композитних пластин із полімеру з вуглецевим волокном |
| title_full | Effect of Carbon Nanotube Embedding on the Mechanical Properties of Delaminated Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite Plates |
| title_fullStr | Effect of Carbon Nanotube Embedding on the Mechanical Properties of Delaminated Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite Plates |
| title_full_unstemmed | Effect of Carbon Nanotube Embedding on the Mechanical Properties of Delaminated Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite Plates |
| title_short | Effect of Carbon Nanotube Embedding on the Mechanical Properties of Delaminated Carbon Fiber Reinforced Polymer Composite Plates |
| title_sort | effect of carbon nanotube embedding on the mechanical properties of delaminated carbon fiber reinforced polymer composite plates |
| url | https://journals.uran.ua/jme/article/view/359590 |
| work_keys_str_mv | AT imranmuhammad effectofcarbonnanotubeembeddingonthemechanicalpropertiesofdelaminatedcarbonfiberreinforcedpolymercompositeplates AT imranmuhammad vplivvbudovuvannâvuglecevihnanotruboknamehaníčnívlastivostídelamínovanihkompozitnihplastinízpolímeruzvuglecevimvoloknom |