Вплив вбудовування вуглецевих нанотрубок на механічні властивості деламінованих композитних пластин із полімеру з вуглецевим волокном

DOI https://doi.org/10.15407/pmach2026.01.016
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 29, № 1, 2026 (березень)
Сторінки 16–27

 

Автор

M.Imran, Міжнародний Ісламський університет (Ісламабад 44000, Пакистан), e-mail: imran@iiu.edu.pk, ORCID: 0000-0002-2704-6813

 

Анотація

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.

 

Ключові слова: вуглецева нанотрубка, полімер, армований вуглецевим волокном, розшарування, міжшарова в’язкість руйнування, короткопроменевий зсув, стиск після удару, цифрова кореляція зображень, механізм зміцнення, епоксидний нанокомпозит.

 

Література

  1. Soutis C. Carbon fiber reinforced plastics in aircraft construction. Materials Science and Engineering: A. 2005. Vol. 412. Iss. 1–2. P. 171–176. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.08.064.
  2. Mallick P. K. Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design. 3rd ed. CRC Press, 2007. 638p. https://doi.org/10.1201/9781420005981.
  3. Sayam A., Rahman A. N. M. M., Rahman M., Smriti S. A., Ahmed F., Rabbi M. F., Hossain M., Faruque M. O. A review on carbon fiber-reinforced hierarchical composites: mechanical performance, manufacturing process, structural applications and allied challenges. Carbon Letters. 2022. Vol. 32. P. 1173–1205. https://doi.org/10.1007/s42823-022-00358-2.
  4. Bolotin V. V. Delaminations in composite structures: Its origin, buckling, growth and stability. Composites Part B: Engineering. 1996. Vol. 27. Iss. 2. P. 129–145. https://doi.org/10.1016/1359-8368(95)00035-6.
  5. Abrate S. Impact on Composite Structures. Cambridge University Press, 1998. https://doi.org/10.1017/CBO9780511574504.
  6. Imran M., Khan R., Badshah S. A review on the effect of delamination on the performance of composite plate. Pakistan Journal of Scientific and Industrial Research Series A: Physical Sciences. 2018. Vol. 61. No. 3. P. 173–182. https://doi.org/10.52763/PJSIR.PHYS.SCI.61.3.2018.173.182.
  7. Sela N., Ishai O. Interlaminar fracture toughness and toughening of laminated composite materials: A review. Composites. 1989. Vol. 20. Iss. 5. P. 423–435. https://doi.org/10.1016/0010-4361(89)90211-5.
  8. Li Y., Wang B., Zhou L. Study on the effect of delamination defects on the mechanical properties of CFRP composites. Engineering Failure Analysis. 2023. Vol. 153. Article 107576. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107576.
  9. Calvo J. V., Feito N., Miguélez M. H., Giner E. Modeling the delamination failure under compressive loads in CFRP laminates based on digital image correlation analysis. Composite Structures. 2022. Vol. 287. Article 115265. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2022.115265.
  10. Imran M., Khan R., Badshah S. Vibration analysis of cracked composite laminated plate and beam structures. Romanian Journal of Acoustics and Vibration. 2018. Vol. 15. Iss. 1. P. 3–13.
  11. Imran M., Khan R., Badshah S. Investigating the effect of delamination size, stacking sequences and boundary conditions on the vibration properties of carbon fiber reinforced polymer composite. Materials Research. 2019. Vol. 22. Iss. 2. Article e20190478. 7 p. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2018-0478.
  12. Imran M., Khan R., Badshah S. Finite element analysis to investigate the influence of delamination size, stacking sequences and boundary conditions on the vibration properties of CFRP composite plate. Iranian Journal of Science and Technology. Transaction B: Technology. 2021. Vol. 28. Iss. 1. P. 231–240.
  13. Imran M., Khan R., Rafai A. Vibration study of delaminated carbon fibre reinforced polymer composite plate for clamped-clamped boundary conditions. Pakistan Journal of Scientific and Industrial Research Series A: Physical Sciences. 2022. Vol. 65. Iss. 2. P. 97–103. https://doi.org/10.52763/PJSIR.PHYS.SCI.65.2.2022.97.103.
  14. Mouritz A. P. Review of z-pinned composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2007. Vol. 38. Iss. 12. P. 2383–2397. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2007.08.016.
  15. Arai M., Noro Y., Sugimoto K., Endo M. Mode I and mode II interlaminar fracture toughness of CFRP laminates toughened by carbon nanofiber interlayer. Composites Science and Technology. 2008. Vol. 68. Iss. 2. P. 516–525. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2007.06.007.
  16. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature. 1991. Vol. 354. P. 56–58. https://doi.org/10.1038/354056a0.
  17. Treacy M. M. J., Ebbesen T. W., Gibson J. M. Exceptionally high Young’s modulus observed for individual carbon nanotubes. Nature. 1996. Vol. 381. P. 678–680. https://doi.org/10.1038/381678a0.
  18. Thostenson E. T., Chou T.-W. Aligned multi-walled carbon nanotube-reinforced composites: processing and mechanical characterization. Journal of Physics D: Applied Physics. 2002. Vol. 35. No. 16. L77–L80. https://doi.org/10.1088/0022-3727/35/16/103.
  19. Bekyarova E., Thostenson E. T., Yu A., Kim H., Gao J., Tang J., Hahn H. T., Chou T.-W., Itkis M. E., Haddon R. C. Multiscale carbon nanotube-carbon fiber reinforcement for advanced epoxy composites. Langmuir. 2007. Vol. 23. Iss. 7. P. 3970–3974. https://doi.org/10.1021/la062743p.
  20. Garcia E. J., Wardle B. L., Hart A. J., Yamamoto N. Fabrication and multifunctional properties of a hybrid laminate with aligned carbon nanotubes grown in situ. Composites Science and Technology. 2008. Vol. 68. Iss. 9. P. 2034–2041. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2008.02.028.
  21. Herceg T. M., Abidin M. S. Z., Greenhalgh E. S., Shaffer M. S. P., Bismarck A. Thermosetting hierarchical composites with high carbon nanotube loadings: En route to high performance. Composites Science and Technology. 2016. Vol. 127. P. 134–141. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2016.02.015.
  22. Kim M. T., Rhee K. Y., Lee J. H., Hui D., Lau A. K. T. Property enhancement of a carbon fiber/epoxy composite by using carbon nanotubes. Composites Part B: Engineering. 2011. Vol. 42. Iss. 5. P. 1257–1261. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2011.02.005.
  23. Sahu R., Ponnusami S. A., Weimer C., Harursampath D. Interface engineering of carbon fiber composites using CNT: A review. Polymer Composites. 2024. Vol. 45. Iss. 1. P. 9–42. https://doi.org/10.1002/pc.27772.
  24. Furtado C., Kopp R., Ni X., Sarrado C., Kalfon-Cohen E., Wardle B. L., Camanho P.P. J-integral experimental reduction reveals fracture toughness improvements in thin-ply carbon fiber laminates with aligned carbon nanotube interlaminar reinforcement. ACS Applied Materials & Interfaces. 2024. Vol. 16. Iss. 16. P. 20980–20989. https://doi.org/10.1021/acsami.3c17333.
  25. Dhanaraju G., Pittala R. K., Ben B. S., Atgur V., Banapurmath N. R., Umarfarooq M. A., Khan T., Singh B. Enhanced mechanical performance and damping behavior of CFRP composites through exfoliated MWCNT functionalization. Nanocomposites. 2024. Vol. 10. Iss. 1. P. 184–200. https://doi.org/10.1080/20550324.2024.2335698.
  26. Lai J., Yu Y., Zhang X., Qiang W., Zhang X. Interlaminar fracture toughness and impact resistance of carbon fiber reinforced composite with magnetic aligned CNTs. Composites Part B. 2024. Vol. 291. Article 112008. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.112008.
  27. Li Z., Liu H., Li Y. Study on mechanical properties of carbon nanotube reinforced composites. Polymers. 2023. Vol. 15. Iss. 16. Article 3362. https://doi.org/10.3390/polym15163362.
  28. Dondish A., Li L., Melenka G. W. Full-field deformation and failure analysis for compression after impact of carbon fibre reinforced polymer laminates. Composite Structures. 2023. Vol. 323. Article 117469. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2023.117469.
  29. Xie C., Zhao Z., Sun L., Wang J., Jiang J., Li Y. Uncertainty analysis of the influence of micro-defects and delamination on the mechanical properties of CFRP. Composite Structures. 2025. Vol. 354. Article 118828. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118828.
  30. Wang G., Liu X., Wang M., Yu M., Zhang H., He L. Enhancing interlaminar fracture toughness of carbon fiber/epoxy composites toughened by polyethersulfone resin and hybrid carbon nanotubes/graphene oxide. Polymer Composites. 2025. Vol. 46. Iss. 5. P. 4519–4533. https://doi.org/10.1002/pc.29256.
  31. Alsheghri A., Alhammadi A., Drakonakis V., Doumanidis H., Barsoum I., Maalouf M. Predicting mechanical properties of CFRP composites using data-driven models with comparative analysis. PLOS ONE. 2025. Vol. 20. Iss. 4. Article e0319787. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0319787.
  32. Cooper C. A., Cohen S. R., Barber A. H., Wagner H. D. Detachment of nanotubes from a polymer matrix. Applied Physics Letters. 2002. Vol. 81. Iss. 20. P. 3873–3875. https://doi.org/10.1063/1.1521585.
  33. Yenigun B., Chaudhry M. S., Gkouti E., Czekanski A. Characterization of Mode I and Mode II interlaminar fracture toughness in CNT-enhanced CFRP under various temperature and loading rates. Nanomaterials. 2023. Vol. 13. Iss. 11. Article 1729. https://doi.org/10.3390/nano13111729.
  34. Jen Y.-M., Chen Y.-J., Yu T.-H. Improving the impact resistance and post-impact tensile fatigue damage tolerance of carbon fiber reinforced epoxy composites by embedding the carbon nanoparticles in matrix. Polymers. 2024. Vol. 16. Iss. 24. Article 3589. https://doi.org/10.3390/polym16243589.
  35. Imran M., Khan R., Badshah S. Experimental investigation of the influence of stacking sequence and delamination size on the natural frequencies of delaminated composite plate. Pakistan Journal of Scientific and Industrial Research Series A: Physical Sciences. 2021. Vol. 64. Iss. 1. P. 76–83. https://doi.org/10.52763/PJSIR.PHYS.SCI.64.1.2021.76.83.
  36. Imran M., Khan R., Badshah S. Vibration analysis of cracked composite laminated plate: A review. Mehran University Research Journal of Engineering and Technology. 2019. Vol. 38. Iss. 3. P. 687–704. https://doi.org/10.22581/muet1982.1903.14.

 

Надійшла до редакції 18.02.2026
Прийнята 03.03.2026
Опублікована 30.03.2026