DOI: https://doi.org/10.1021/acsomega.5c10757
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41799153
تاريخ النشر: 2026-02-18
المؤلف: İnci Pir وآخرون
الموضوع الرئيسي: المركبات النانوية البوليمرية وخصائصها
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة الخصائص الميكانيكية للمواد المركبة المعتمدة على الإيبوكسي المدعمة بأنابيب الهالوسيت النانوية (HNT) ومطاط البوتادين-أكريلونيتريل (CTBN) وتركيباتها. تستخدم الأبحاث طرقًا تجريبية ورقمية لوصف سلوك المركبات تحت معدلات إجهاد وظروف تأثير مختلفة. تشير النتائج الرئيسية إلى أن تعزيز 1% من HNT يعزز معامل المرونة الشدّي بنسبة 15% (من 599 ميغاباسكال إلى 688 ميغاباسكال)، بينما يزيد مطاط CTBN بنسبة 10% من اللدونة بشكل كبير، مما يحسن الإطالة عند الكسر بنسبة 48% ولكنه يقلل من الصلابة بنسبة 38%. تحقق المركب الهجين (H10R05) توازنًا، حيث يظهر صلابة أعلى بنسبة 16% مقارنة بأنظمة المطاط النقي و44% من اللدونة أعلى من الإيبوكسي النقي.
تكشف الدراسة أيضًا أن جميع العينات تظهر سلوكًا يعتمد على معدل الإجهاد، مع زيادة معامل المرونة بنسبة 10-16% مع ارتفاع معدلات الإجهاد. تظهر اختبارات تأثير شارب أن مطاط CTBN بنسبة 10% يعزز طاقة الكسر بنسبة تقارب 85% مقارنة بالإيبوكسي النقي، بينما يساهم HNT بشكل متواضع. يتنبأ النمذجة الرقمية باستخدام طرق موري-تانكا، هالبين-تساي، وتجانس العناصر المحدودة (FEH) بفعالية بالاتجاهات التجريبية، حيث تظهر FEH أعلى دقة (انحرافات <5%). تؤكد النتائج على إمكانية استراتيجيات التعزيز المتعددة لتخصيص الخصائص الميكانيكية في المركبات الإيبوكسية، مما يمهد الطريق للبحوث المستقبلية حول مستويات التعزيز المثلى وتقنيات المعالجة المتقدمة لتحسين أداء المواد.
مقدمة
في مقدمة هذه الورقة البحثية، يناقش المؤلفون أهمية المواد المركبة المعتمدة على المصفوفة البوليمرية، وخاصة تلك المدعمة بمواد عالية القوة، في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك شفرات توربينات الرياح. يبرز القسم الخصائص الفريدة للنانومركبات، حيث يؤثر إدراج الألياف النانوية بشكل كبير على الأداء الميكانيكي بسبب زيادة نسب السطح إلى الحجم وتعزيز واجهات الربط. من الجدير بالذكر أن الدراسة تؤكد على دور السيليكا المدخنة وأنابيب الهالوسيت النانوية (HNT) في تحسين الخصائص الميكانيكية والحرارية للمركبات المعتمدة على الإيبوكسي، حيث تساهم HNT في نقل الحمل وزيادة الصلابة.
يستكشف المؤلفون أيضًا تأثيرات إدراجات المطاط، وخاصة مطاط البوتادين-أكريلونيتريل (CTBN)، على الخصائص الميكانيكية للمركبات الإيبوكسية. بينما يعزز المطاط المتانة ومقاومة الصدمات، فإنه يميل إلى تقليل الصلابة، كما يتضح من الانخفاضات الكبيرة في معامل المرونة مع زيادة محتوى المطاط. توضح الورقة المنهجيات التجريبية والرقمية المستخدمة للتحقيق في الخصائص الميكانيكية الحساسة لمعدل الإجهاد للمركبات الهجينة المدعمة بـ HNT ومطاط CTBN. تهدف الدراسة إلى تقديم فهم شامل للتأثيرات التآزرية لهذه التعزيزات، باستخدام طرق اختبار متنوعة ومحاكاة رقمية، بما في ذلك طريقة تجانس موري-تانكا، لتحقيق ملف صلابة-متانة متوازن لتطبيقات محددة.
طرق
يستعرض القسم الطرق المستخدمة في إعداد وتوصيف مواد النانومركبات، مع التركيز على الاختبارات الميكانيكية والتحليل الهيكلي. تشمل التوصيفات اختبارات الشد، والانحناء ثلاثي النقاط، واختبارات تأثير شارب، حيث تتكرر جميع التجارب الميكانيكية حتى يتم الحصول على ثلاث مجموعات بيانات متسقة لكل مادة. لتقييم حساسية معدل الإجهاد، تُجرى اختبارات على نانومركبات الإيبوكسي المختلفة – وخاصة تلك المدعمة بأنابيب الهالوسيت النانوية (HNT) ومطاط البوتادين-أكريلونيتريل (CTBN) وتركيباتها – عبر ثلاثة معدلات إجهاد (0.01، 0.05، و0.1 إجهاد/دقيقة). يتوافق أدنى معدل مع التحميل شبه الساكن، بينما يسمح أعلى معدل بتقييم السلوك اللزج المرن المعتمد على المعدل، مما يلتقط حساسية المواد تحت ظروف تحميل مختلفة ذات صلة بالسيناريوهات الهندسية العملية.
بعد التوصيف التجريبي، يتم إجراء نمذجة رقمية باستخدام طريقة تجانس موري-تانكا ونموذج هالبين-تساي لفهم تأثير الإدراجات النانوية على الخصائص الميكانيكية للمركبات. توفر نتائج الاختبارات الميكانيكية رؤى حول أداء المواد تحت معدلات إجهاد متغيرة، مع إجراء اختبارات الشد تحت توتر أحادي المحور واختبارات الانحناء ثلاثي النقاط لتقييم سلوك الانحناء. تشمل اختبارات تأثير شارب أيضًا لتقييم المقاومة للتحميل المفاجئ، مما يؤدي إلى تحليل شامل لسلوك النانومركبات الميكانيكي عبر ظروف تحميل مختلفة.
نتائج
في قسم النتائج والمناقشة، يقدم المؤلفون النتائج من كل من الدراسات التجريبية والرقمية حول الخصائص الميكانيكية للعينات المصنعة. يركز التركيز الأولي على نتائج اختبارات الشد، واختبارات الانحناء ثلاثي النقاط، واختبارات تأثير شارب، التي تقدم رؤى حاسمة حول الخصائص الميكانيكية للعينات. تكمل التحليل المقارن لأسطح الكسر، التي تم فحصها من خلال مجهر ستيريو، هذه النتائج.
علاوة على ذلك، يتضمن القسم تحليلًا مفصلًا لصور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، التي توضح الهيكل الداخلي لكل تركيبة عينة، مما يوفر منظورًا مجهرًا حول خصائصها الميكانيكية. تتوج المناقشة بدمج نتائج التحقيق الرقمي مع البيانات التجريبية، مما يوفر فهمًا شاملاً لسلوك المواد عبر ظروف اختبار متنوعة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون إعداد وتوصيف الخصائص الميكانيكية للمركبات المعتمدة على الإيبوكسي المدعمة بأنابيب الهالوسيت النانوية (HNT) ومطاط البوتادين-أكريلونيتريل (CTBN). تتضمن عملية التصنيع إجراءً موحدًا لضمان خصائص المواد المتسقة، باستخدام راتنج الإيبوكسي MGS L 285 ومصلب MGS H 287. تستكشف الدراسة تأثيرات كسر الكتلة المتغيرة من HNT ومطاط CTBN على الخصائص الميكانيكية مثل معامل المرونة، وقوة الشد، والإطالة عند الكسر، التي تم تقييمها من خلال اختبارات الشد، والانحناء ثلاثي النقاط، واختبارات تأثير شارب. تشير النتائج إلى أن تعزيز HNT يزيد من الصلابة، بينما يحسن مطاط CTBN من اللدونة، مما يؤدي إلى تفاعلات معقدة في السلوك الميكانيكي عند دمج كلا التعزيزين.
تكشف نتائج اختبارات الشد أن معامل المرونة يزيد مع معدل الإجهاد ومحتوى HNT، بينما تظهر الإطالة عند الكسر استجابة دقيقة، حيث تزداد عند معدلات الإجهاد المنخفضة ولكن تنخفض عند المعدلات الأعلى. على العكس من ذلك، تظهر العينات المدعمة بالمطاط صلابة وقوة شد أقل ولكن لدونة أعلى مقارنة بالإيبوكسي النقي. تؤكد اختبارات الانحناء ثلاثي النقاط هذه النتائج، حيث تظهر أن تعزيز HNT يزيد من الصلابة بينما يقلل المطاط منها، مع تفضيل قيم الإطالة عند الكسر لإدراجات المطاط. يبرز المؤلفون الفروق الكبيرة في الخصائص الميكانيكية الملاحظة بين اختبارات الشد والانحناء، منسوبةً هذه التباينات إلى ظروف التحميل المميزة وسلوك المواد الفطري تحت التوتر والانضغاط. تؤكد التحليل على التوازن المعقد بين الصلابة واللدونة في المواد المركبة، خاصة عند استخدام أنواع متعددة من التعزيزات.
DOI: https://doi.org/10.1021/acsomega.5c10757
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41799153
Publication Date: 2026-02-18
Author(s): İnci Pir et al.
Primary Topic: Polymer Nanocomposites and Properties
Overview
This study investigates the mechanical properties of epoxy-based composites reinforced with halloysite nanotubes (HNT), carboxyl-terminated butadiene-acrylonitrile (CTBN) rubber, and their combinations. The research employs both experimental and numerical methods to characterize the composites’ behavior under various strain rates and impact conditions. Key findings indicate that 1% HNT reinforcement enhances the tensile elastic modulus by 15% (from 599 MPa to 688 MPa), while 10% CTBN rubber significantly increases ductility, improving elongation at break by 48% but reducing stiffness by 38%. The hybrid composite (H10R05) achieves a balance, exhibiting 16% higher stiffness than pure rubber systems and 44% higher ductility than pure epoxy.
The study also reveals that all samples demonstrate strain-rate-dependent behavior, with elastic modulus increasing by 10-16% as strain rates rise. Charpy impact tests show that 10% CTBN rubber enhances fracture energy by approximately 85% compared to pure epoxy, while HNT contributes modestly. Numerical modeling using Mori-Tanaka, Halpin-Tsai, and finite element homogenization (FEH) methods effectively predicts experimental trends, with FEH showing the highest accuracy (deviations <5%). The findings underscore the potential of multireinforcement strategies to tailor mechanical properties in epoxy composites, paving the way for future research on optimal reinforcement levels and advanced processing techniques to enhance material performance.
Introduction
In the introduction of this research paper, the authors discuss the significance of polymer matrix composites, particularly those reinforced with high-strength materials, in various applications, including wind turbine blades. The section highlights the unique properties of nanocomposites, where the inclusion of nanoscale fibers significantly influences mechanical performance due to increased surface-to-volume ratios and enhanced bonding interfaces. Notably, the study emphasizes the role of fumed silica and halloysite nanotubes (HNT) in improving the mechanical and thermal properties of epoxy-based composites, with HNTs contributing to load transfer and stiffness enhancement.
The authors also explore the effects of rubber inclusions, specifically carboxyl-terminated butadiene-acrylonitrile (CTBN) rubber, on the mechanical properties of epoxy composites. While rubber enhances toughness and impact resistance, it tends to reduce stiffness, as evidenced by significant decreases in elastic modulus with increased rubber content. The paper outlines the experimental and numerical methodologies employed to investigate the strain-rate-sensitive mechanical properties of hybrid composites reinforced with HNT and CTBN rubber. The study aims to provide a comprehensive understanding of the synergistic effects of these reinforcements, utilizing various testing methods and numerical simulations, including the Mori-Tanaka homogenization method, to achieve a balanced stiffness-toughness profile for specific applications.
Methods
The section outlines the methods employed for the preparation and characterization of nanocomposite materials, focusing on mechanical testing and structural analysis. The characterization includes tensile, three-point bending, and Charpy impact tests, with all mechanical experiments repeated until three consistent data sets are obtained for each material. To assess strain rate sensitivity, tests are conducted on various epoxy nanocomposites—specifically those reinforced with halloysite nanotubes (HNT), carboxyl-terminated butadiene acrylonitrile (CTBN) rubber, and combinations thereof—across three strain rates (0.01, 0.05, and 0.1 strain/min). The lowest rate corresponds to quasi-static loading, while the highest rate allows for the evaluation of rate-dependent viscoelastic behavior, capturing the sensitivity of the materials under different loading conditions relevant to practical engineering scenarios.
Following experimental characterization, numerical modeling is performed using the Mori-Tanaka homogenization method and the Halpin-Tsai model to further understand the impact of nanosized inclusions on the mechanical properties of the composites. The results from the mechanical tests provide insights into the materials’ performance under varying strain rates, with tensile tests conducted under uniaxial tension and three-point bending tests assessing bending behavior. Charpy impact tests are also included to evaluate resistance to sudden loading, culminating in a comprehensive analysis of the nanocomposites’ mechanical behavior across different loading conditions.
Results
In the Results and Discussion section, the authors present findings from both experimental and numerical studies on the mechanical properties of manufactured samples. The initial focus is on the outcomes of tensile tests, three-point bending tests, and Charpy impact tests, which yield critical insights into the samples’ mechanical characteristics. A comparative analysis of fracture surfaces, examined through a stereo microscope, complements these findings.
Further, the section includes a detailed analysis of scanning electron microscopy (SEM) images, which elucidate the internal structure of each sample combination, offering a microscopic perspective on their mechanical properties. The discussion culminates in an integration of the numerical investigation results with the experimental data, thereby providing a comprehensive understanding of the material behavior across various testing conditions.
Discussion
In this section, the authors discuss the preparation and mechanical characterization of epoxy matrix composites reinforced with halloysite nanotubes (HNT) and carboxyl-terminated butadiene acrylonitrile (CTBN) rubber. The manufacturing process involves a standardized procedure to ensure consistent material properties, utilizing MGS L 285 epoxy resin and MGS H 287 hardener. The study investigates the effects of varying mass fractions of HNT and CTBN rubber on mechanical properties such as elasticity modulus, tensile strength, and elongation at break, assessed through tensile, three-point bending, and Charpy impact tests. The results indicate that HNT reinforcement enhances stiffness, while CTBN rubber improves ductility, leading to complex interactions in mechanical behavior when both reinforcements are combined.
The tensile test results reveal that the elasticity modulus increases with strain rate and HNT content, while elongation at break shows a nuanced response, increasing at lower strain rates but decreasing at higher rates. Conversely, rubber-reinforced samples exhibit lower stiffness and tensile strength but higher ductility compared to pure epoxy. The three-point bending tests corroborate these findings, showing that HNT reinforcement increases stiffness while rubber reduces it, with elongation at break values favoring rubber inclusions. The authors highlight the significant differences in mechanical properties observed between tensile and bending tests, attributing these discrepancies to the distinct loading conditions and inherent material behaviors under tension and compression. The analysis underscores the intricate balance between stiffness and ductility in composite materials, particularly when employing multiple reinforcement types.