Preparation, Modeling, and Optimization of Mechanical Properties of Epoxy/H I PN/Silica Hybrid Nanocomposite Using Combination of Central Composite Design and Genetic Algorithm. Part 2. Studies on Flexural, Compression, and Impact Strength

• Опубліковано в: : Проблемы прочности
• Дата: 2013
• Автори: Rostamiyan, Y., Fereidoon, A.B., Omrani, A., Ganji, D.D.
• Формат: Стаття
• Мова: Англійська
• Опубліковано: Інститут проблем міцності ім. Г.С. Писаренко НАН України 2013
• Теми: Научно-технический раздел
• Онлайн доступ: https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/112672
• Назва журналу: Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
• Цитувати: Preparation, Modeling, and Optimization of Mechanical Properties of Epoxy/H I PN/Silica Hybrid Nanocomposite Using Combination of Central Composite Design and Genetic Algorithm. Part 2. Studies on Flexural, Compression, and Impact Strength / Y. Rostamiyan, A.B. Fereidoon, A. Omrani, D.D. Ganji // Проблемы прочности. — 2013. — № 6. — С. 95-111. — Бібліогр.: 41 назв. — англ.

In spite of good tensile strength of epoxy resins,
 they have brittle nature and show poor resistance
 to crack propagation. In view of enhancing
 mechanical strength and fracture toughness
 of epoxy-based nanocomposite simultaneously,
 a new combination of thermoplastic and particulate
 nanofiller is used as a modifier. Here, the obtained
 ternary epoxy-based nanocomposite
 includes high impact polystyrene (HIPS) as thermoplastic
 and silica nanoparticles as its particulate
 phases. Flexural, compression and impact
 were the three different mechanical tests investigated,
 in order to achieve higher strength without
 attenuating other desired mechanical
 properties. Central composite design (CCD) is
 employed to present mathematical models to predict
 mechanical behaviors of epoxy/HIPS/silica
 nanocomposite as a function of physical factors.
 The effective parameters investigated were
 HIPS, SiO₂ and hardener contents. Based on
 mathematical functions obtained from CCD
 model, the genetic algorithm – as one of the
 most powerful optimization tools – is applied to
 find the optimum values of mentioned mechanical
 properties. We have found that a combination
 of HIPS and silica nanoparticles
 significantly increase compressive and impact
 strengths of epoxy resin up to 57 and 421%, respectively.
 Although flexural strength did not
 change positively, the elongation at break for
 flexural one increased up to 144%. Finally, the
 morphology of fracture surface was studied by
 energy-dispersive X-ray spectroscopy and scanning
 electron microscopy. Несмотря на то что эпоксидные смолы обладают высоким пределом прочности при растяжении, они хрупкие и характеризуются слабым сопротивлением развитию трещины. С целью
 улучшения механической прочности и вязкости разрушения эпоксидных нанокомпозитов в
 качестве модификатора использовали новый комбинированный термопластичный дисперсный нанонаполнитель. Полученный трехкомпонентный эпоксидный нанокомпозит содержит
 ударопрочный полистирол в виде термопластичных и кремнеземных наночастиц, представляющих его дисперсные фазы. Чтобы получить более высокие показатели прочности без
 воздействия на другие заданные механические показатели, проводили испытания на прочность при изгибе и сжатии и на ударную вязкость. Для представления математических
 моделей с целью прогнозирования механического поведения гибридного нанокомпозита в
 качестве функции физических факторов использовали центральный композиционный план.
 Исследовали содержание ударопрочного полистирола, кремнезема и упрочняющего элемента
 в нанокомпозите. На основе математических функций, полученных по модели центрального
 композиционного плана, для выведения оптимальных значений механических свойств использовали генетический алгоритм, являющийся одним из самых мощных средств оптимизации.
 Установлено, что сочетание наночастиц на основе ударопрочного полистирола и кремнезема
 значительно увеличивает сопротивление эпоксидной смолы сжатию и удару на 57 и 421%
 соответственно. При сопротивлении изгибу положительных изменений не наблюдается,
 удлинение при изгибном разрыве увеличивается до 144%. С помощью энергодисперсионного
 рентгеновского излучения и сканирующей электронной микроскопии проведено исследование
 морфологии поверхности разрушения. Незважаючи на те що епоксидні смоли мають хорошу границю міцності при
 розтязі, вони крихкі і характеризуються слабким опором розвитку тріщини. Із
 метою покращання механічної міцності і в’язкості руйнування епоксидних
 нанокомпозитів як модифікатор використовували новий комбінований термопластичний дисперсний наповнювач. До складу отриманого трикомпонентного епоксидного нанокомпозита входить удароміцний полістирол у вигляді
 термопластичних і кремнеземних наночастинок, що являють собою його
 дисперсні фази. Щоб отримати більш високі показники міцності без впливу
 на інші задані механічні показники, проводили випробування на міцність при
 згині і стиску та на ударну в’язкість. Для представлення математичних
 моделей з метою прогнозування механічної поведінки гібридного нанокомпозита як функцію фізичних чинників використали центральний композиційний
 план. Досліджували вміст удароміцного полістиролу, кремнезему і зміцнювального елемента в нанокомпозиті. На основі математичних функцій, отриманих за моделлю центрального композиційного плану, для виведення оптимальних значень механічних властивостей використовували генетичний алгоритм, що є одним із найміцніших засобів оптимізації. Установлено, що
 поєднання наночастинок на основі удароміцного полістиролу і кремнезему
 збільшує опір епоксидної смоли стиску на 57%, удару – на 421%. У той же
 час позитивних змін при опорі згину не відмічається, видовження за згинального розриву збільшується до 144%. Проведено дослідження морфології
 поверхні руйнування за допомогою енергодисперсійного випромінювання і
 сканувальної електронної мікроскопії.