Utafiti huu umetengeneza kompoziti ya sandwich yenye vipengele vingi inayounganisha geli inayonenepa kwa shear, ambayo inaweza kuwa ngumu chini ya athari, na nyuzi za kaboni pamoja na kiunzi cha seli cha pande tatu chenye uwiano hasi wa Poisson. Geli inayonenepa kwa shear, ambayo ni sehemu laini ya kiini cha mfumo, inaweza kubadilika umbo katika viwango vya chini vya upakiaji; katika viwango vya juu huonyesha tabia yenye unyumbufu na ukinzani zaidi. Watafiti walitumia nyuzi fupi za kaboni zilizofunikwa polydopamine ili kupunguza matatizo ya kutiririka kwa kasi ndogo na uwezo mdogo wa kubeba mzigo wa geli, kisha wakaweka kompoziti iliyopatikana ndani ya kiunzi chenye uwiano hasi wa Poisson kilichotengenezwa kwa uchapishaji wa pande tatu.

Kufunika nyuzi za kaboni kwa polydopamine kuliunda tabaka lenye ukwaru zaidi na chembechembe juu ya uso. Ilitathminiwa kuwa tabaka hili linaweza kuboresha ulowevu na uhamishaji wa mkazo kati ya nyuzi za kaboni na geli. Kati ya viwango tofauti vya nyuzi, 2CFP-STG yenye %2 CF@PDA kwa uzito ilionyesha moduli ya hifadhi ya juu zaidi katika masafa ya chini. Katika 0,01 Hz moduli ya hifadhi ilifikia 0,186 MPa; hii ilikuwa ongezeko la takribani %1.048 ikilinganishwa na 0,0162 MPa ya geli isiyo na nyongeza.

Katika viini vilivyochapishwa kwa pande tatu, jiometria mbili tofauti zililinganishwa. Seli za NPR zenye uwiano hasi wa Poisson, yaani auxetic, hukunjamana kuelekea ndani kwa upande wakati wa kubanwa na kubana nyenzo ya kujaza kuelekea eneo la athari. Seli za udhibiti za PPR zenye uwiano chanya wa Poisson hupanuka kwa upande kwa namna ya kawaida. Katika strain ya kubanwa ya %5,32, stress ya seli ya NPR-2CFP-STG ilipimwa kuwa 0,151 MPa, huku stress ya seli ya PPR-2CFP-STG ikiwa 0,067 MPa. Kwa hivyo mfumo wa NPR ulibeba mzigo wa takribani mara 2,25 zaidi katika strain ileile.

Katika jaribio la uzito unaoanguka la 10 J, NPR-2CFP-STG ilionyesha nguvu ya mwitikio ya juu zaidi na kuzama kidogo kuliko mfumo sambamba wa PPR. Nguvu ya kilele iliongezeka kutoka 1.861,1 N hadi 3.122,9 N, wakati uhamisho wa juu zaidi ulipungua kutoka 8,83 mm hadi 5,98 mm na muda wa mgusano kutoka 14,70 ms hadi 9,83 ms. Kwa upande mwingine, thamani ya nishati inayoonekana iliyofyonzwa ya sampuli ya PPR ilikuwa 8,44 J na ufanisi %85,21; kwa sampuli ya NPR thamani hizo zilikuwa 8,32 J na %78,94. Matokeo haya yanaonyesha kwamba NPR si lazima itumie nishati zaidi, bali hutoa msaada mkubwa wa kimuundo unaopunguza kuzama kwa eneo na kupenya.

Chini ya athari ya 30 J, tofauti ya uharibifu kati ya jiometria hizo mbili ilionekana wazi zaidi. Uhamisho uliorekodiwa katika PPR-2CFP-STG ulifikia 41,21 mm na sampuli yenye unene wa takribani 27 mm iligawanyika kabisa vipande viwili. Katika NPR-2CFP-STG uhamisho ulisalia 23,43 mm; licha ya kutokea kwa nyufa katika kiini, kompoziti iliendelea kudumisha uadilifu wake wa jumla. Baada ya athari tatu mfululizo za 10 J kwenye sehemu ileile, mfumo wa NPR ulihifadhi thamani ya nishati inayoonekana iliyofyonzwa katika kiwango cha 7,97–8,34 J, lakini kupungua kwa nguvu ya kilele na kuongezeka kwa uhamisho katika athari ya tatu kulionyesha mwanzo wa kupotea kwa ugumu.

Hitimisho kuu la utafiti ni kwamba nyuzi za kaboni zilizofunikwa polydopamine huboresha tabia ya kubeba mzigo ya geli, huku kiunzi chenye uwiano hasi wa Poisson kikiwa na jukumu muhimu katika kubanwa kwa kijiometria, kupunguza uhamisho na kuchelewesha uharibifu chini ya athari. Hata hivyo, nguvu kubwa ya kilele si matokeo yanayotakiwa katika kila matumizi ya kinga. Mfumo huu unaonekana kufaa zaidi kwa matumizi yanayohitaji upinzani dhidi ya kutobolewa, msaada wa uso na uhamisho mdogo kuliko yale yanayohitaji kutenganisha nguvu.

Kwa upande wa Türkiye: Mbinu hii ina thamani ya utafiti kwa maendeleo ya vipengele vya anga na nafasi, makasha ya betri za magari, paneli za mifumo ya reli, walinzi wa mashine za viwandani, vifungashio vya vifaa nyeti na kompoziti nyepesi zinazostahimili athari nchini Türkiye. Kwa matumizi nchini Türkiye, inahitajika kuzalisha tena kwa resini, nyuzi za kaboni na nyenzo za utengenezaji wa kuongeza zinazopatikana nchini; kulinganisha NPR-PPR kwa wingi wa seli na msongamano wa jamaa ulio sawa; kupima katika hali mbalimbali za joto na unyevunyevu; kufanya vipimo vya kuzeeka, uchovu na athari katika sehemu nyingi; kutumia sampuli kubwa zaidi; kufanya uundaji wa finite element na marudio huru ya maabara. Kutokana na utafiti huu haiwezi kuhitimishwa moja kwa moja kwamba mfumo huu unatoa ulinzi wa balistiki, usalama dhidi ya mlipuko, nguvu salama inayohamishiwa kwa mwili wa binadamu, gharama inayofaa kwa uzalishaji wa wingi au uthibitisho wa matumizi katika sehemu halisi za ndege na magari.

Geli inayonenepa kwa shear ni nini?

Geli inayonenepa kwa shear ni nyenzo laini ambayo tabia yake ya kimitambo hubadilika kulingana na kasi ya deformation inayotumika. Katika viwango vya chini vya upakiaji inaweza kutenda kama kioevu au muundo unaonyumbulika, lakini chini ya kubanwa, kuvutwa au shear ya kasi kubwa, upinzani wake wa ndani huongezeka haraka. Kwa hiyo nyenzo inaweza kuwa inayonyumbulika na kubadilika umbo wakati wa matumizi ya kawaida, lakini kutoa mwitikio mgumu zaidi wakati wa athari ya ghafla.

Katika utafiti, STG ilitayarishwa kwa kuchanganya mafuta ya dimethyl silicone na asidi ya boric kwa uwiano wa wingi wa 10:1 na kuingiza mchanganyiko huo katika mmenyuko wa 240 °C. Katika mfumo huu, inadhaniwa kwamba vifungo vya nguvu hutokea kati ya atomi za boroni na vikundi vyenye oksijeni katika minyororo ya mafuta ya silicone. Vifungo vinaweza kutengana na kuunda tena chini ya deformation ya polepole, huku katika upakiaji wa haraka mwendo wa minyororo ya molekuli ukizuiliwa na kuunda kwa muda mtandao mgumu zaidi.

STG yenyewe ina mapungufu mawili ya msingi:

• Inaweza kutiririka baada ya muda katika kasi za chini na kushindwa kuhifadhi umbo lake.
• Haiwezi kubeba peke yake mizigo mikubwa ya kimuundo katika muundo wa sandwich.

Watafiti walilenga kupunguza tatizo la kwanza kwa kuimarisha kwa nyuzi za kaboni, na la pili kwa kutumia kiunzi cha seli cha pande tatu.

Kwa nini nyuzi za kaboni zilifunikwa polydopamine?

Nyuzi za kaboni hutumiwa sana kuimarisha kompoziti kwa sababu ya moduli ya juu ya elasticity, nguvu kubwa na msongamano mdogo. Hata hivyo, uso wa nyuzi za kaboni hauna shughuli kubwa ya kikemia. Ikiwa mwingiliano wa kutosha wa interface hautatokea kati ya nyuzi na geli laini, uhamishaji wa mzigo kutoka matriksi kwenda kwenye nyuzi unaweza kuwa mdogo na nyuzi zishindwe kuonyesha kikamilifu uwezo wake wa kuimarisha.

Polydopamine ni nyenzo ya mipako yenye kunata iliyoongozwa na miundo ya kikemia inayowezesha kome kushikamana na nyuso, na inaweza kutua juu ya nyenzo mbalimbali. Kwa sababu ya vikundi vya catechol, amine na vikundi vingine vya polar, inaweza kufanya uso wa nyuzi za kaboni kuwa na shughuli zaidi.

Nyuzi fupi za kaboni zilizotumiwa katika utafiti zilikuwa na:

• Urefu wa 1 mm,
• Kipenyo cha 7 µm,
• Daraja la bidhaa Toray T700.

Katika mchakato wa mipako, nyuzi za kaboni zilisambazwa katika suluhisho la buffer la Tris-HCl kwa dakika 10. Kisha suluhisho la dopamine liliongezwa tone kwa tone, mazingira ya alkali yakatayarishwa kwa 2 mL ya suluhisho la NaOH lenye mkusanyiko wa 0,5 mol/L na mchanganyiko ukakorogwa kwa saa 24. Nyuzi za kaboni zilizofunikwa polydopamine ziliitwa “CF@PDA” au kwa kifupi “CFP”.

Maandishi yanatoa thamani ya pH ya suluhisho kuwa 8, huku mchoro wa maandalizi katika Kielelezo 3 cha ukurasa wa 7 ukiandika pH 8,5. Zaidi ya hayo, viwango vya suluhisho za dopamine na Tris-HCl havijaripotiwa. Mapungufu haya mawili yanafanya iwe vigumu kupata tena unene uleule wa mipako katika maabara nyingine.

Picha za SEM zinaonyesha nini?

Kielelezo 3(b) katika ukurasa wa 7 wa utafiti kinalinganisha nyuzi za kaboni ambazo hazijachakatwa na nyuzi zilizofunikwa polydopamine. Uso wa nyuzi ambazo hazijachakatwa una mifereji laini sambamba na mwelekeo wa uzalishaji. Baada ya mipako, uso umekuwa mkwaruzo zaidi na umefunikwa na tabaka lenye chembechembe nyingi.

Picha hizi zinaunga mkono kuundwa kwa tabaka la polydopamine. Kuongezeka kwa ukwaru wa uso kunaweza kutoa eneo kubwa zaidi la kushikamana kimitambo kati ya geli na nyuzi. Hata hivyo, katika utafiti:

• Unene wa mipako,
• Pembe ya mgusano wa uso,
• XPS kwa kemia ya uso,
• Nguvu ya shear ya interface ya nyuzi-geli,
• Uthabiti wa mipako chini ya mzigo wa mzunguko

havijapimwa moja kwa moja. Kwa hiyo hitimisho kwamba “mshikamano wa interface umeimarika” linategemea tafsiri ya pamoja ya picha za uso na matokeo ya rheology na compression ya kiwango kikubwa.

Kompoziti za CFP-STG zilitayarishwaje?

Nyuzi zilizofunikwa zilisambazwa ndani ya STG kwa kutumia kichanganyaji cha rollers mbili. Kompoziti zilipewa majina kwa muundo XCFP-STG; thamani ya X ilionyesha asilimia ya nyongeza ya nyuzi za kaboni kwa wingi. Uwiano uliochunguzwa ulikuwa:

• 1CFP-STG: %1 CF@PDA kwa wingi,
• 2CFP-STG: %2 CF@PDA kwa wingi,
• 4CFP-STG: %4 CF@PDA kwa wingi,
• 6CFP-STG: %6 CF@PDA kwa wingi.

Katika maandishi makuu haijafafanuliwa wazi ikiwa asilimia ya nyongeza ilihesabiwa kwa msingi wa wingi wa STG pekee au wingi wa jumla wa kompoziti. Muda wa kuchanganya kwa rollers mbili, kasi ya rollers, nafasi kati ya rollers na joto pia havijatolewa.

Tabia ya STG inayotegemea masafa

Kielelezo 3(c) katika ukurasa wa 7 kinaonyesha moduli ya hifadhi G′ na moduli ya upotevu G″ ya STG katika kiwango cha masafa cha 0,01–100 Hz.

• Moduli ya hifadhi G′: Inawakilisha nishati inayohifadhiwa kwa elasticity na tabia inayofanana na imara ya nyenzo.
• Moduli ya upotevu G″: Inawakilisha nishati inayopotea kupitia mtiririko wa mnato na msuguano wa ndani.

Kadiri masafa yalivyoongezeka, moduli ya hifadhi ya STG iliongezeka. Juu ya takribani 3 Hz, G′ ilizidi G″ na nyenzo ikabadilika kutoka hali yenye tabia ya mnato inayotawala hadi hali yenye tabia ya elastic inayotawala.

Onyesho la kiwango kikubwa katika Kielelezo 3(d) pia linaonyesha utegemezi huu wa kasi. Nyenzo inaweza kunyooshwa kama utepe mrefu inapovutwa polepole, lakini huvunjika kwa urahisi zaidi inapovutwa haraka. Uchunguzi huu unaonyesha kwamba mtandao wa molekuli hauna muda wa kutosha kujipanga upya wakati wa deformation ya haraka.

Kiasi cha nyuzi za kaboni kilibadilishaje moduli ya hifadhi?

Kielelezo 4 katika ukurasa wa 8 kinalinganisha moduli za hifadhi za STG isiyo na nyongeza na kompoziti nne za CFP-STG. Sampuli zote zenye nyuzi za kaboni zilionyesha moduli ya hifadhi ya juu kuliko geli isiyo na nyongeza katika kiwango chote cha masafa kilichochunguzwa.

Mabadiliko katika masafa ya chini hayakuwa ya mstari. Badala ya uwiano wa juu zaidi wa nyuzi, 2CFP-STG yenye %2 nyongeza ilitoa moduli ya juu zaidi katika masafa ya chini.

Tabia ya masafa ya chini inahusishwa na uwezo wa nyenzo kuhifadhi umbo lake chini ya mzigo wa muda mrefu au polepole. Kuonyesha moduli ya juu katika eneo hili kwa 2CFP-STG kunaonyesha kwamba nyuzi zimeunda mtandao mzuri wa kuimarisha.

Ingawa nyongeza za %4 na %6 ziliunda moduli za juu zaidi katika masafa ya kati na ya juu, faida ya masafa ya chini haikuendelea kwa namna ileile. Watafiti wanaeleza hili kwa ugumu wa kusambaza nyuzi katika kiasi kikubwa, mkusanyiko wa nyuzi au kupungua kwa ufanisi wa mtandao. Hata hivyo, hakuna picha ya pande tatu ya usambazaji wa nyuzi au uchambuzi wa ukubwa wa mkusanyiko uliofanywa.

Ni uwiano gani wa nyuzi wenye nguvu zaidi katika tabia ya compression?

Kielelezo 5 katika ukurasa wa 9 kinaonyesha mikunjo ya stress-strain kwa uwiano tofauti wa nyuzi katika kasi ya compression ya 100 mm/dakika. Sampuli zote za CFP-STG zilibeba stress ya juu kuliko geli isiyo na nyongeza.

Kadiri uwiano wa nyuzi ulivyoongezeka kutoka %1 hadi %6, stress ya compression kwa ujumla iliongezeka; sampuli zenye %4 na %6 zilionyesha maadili ya juu zaidi katika sehemu kubwa ya kiwango cha strain. Matokeo haya yanaonyesha kwamba uthabiti wa juu zaidi wa masafa ya chini na nguvu ya juu zaidi ya compression ya muda mfupi havikutokea katika fomula ileile:

• 2CFP-STG ilijitokeza katika uthabiti wa umbo wa masafa ya chini.
• 4CFP-STG na 6CFP-STG zilitoa maadili ya juu katika kubeba mzigo wa compression.

Watafiti walichagua 2CFP-STG kwa majaribio ya muundo wa sandwich. Uchaguzi unaonekana kufanywa kwa kuzingatia uwiano kati ya moduli ya masafa ya chini, upinzani dhidi ya kutiririka polepole na uwezo wa kupenya kwenye mapengo ya seli ndani ya saa 24–48. Hata hivyo, kwa sababu uwiano wote wa nyuzi haukulinganishwa katika majaribio ya athari ya sandwich, haijathibitishwa kwamba %2 ndio optimum kamili kwa utendaji wa athari kwa ujumla.

Kasi ya upakiaji iliathirije tabia ya compression?

Katika Kielelezo 6 cha ukurasa wa 10, STG na 2CFP-STG zililinganishwa katika kasi za compression za 50, 100 na 200 mm/dakika. Katika nyenzo zote mbili, stress katika strain ileile iliongezeka kadiri kasi ya compression ilivyoongezeka.

2CFP-STG ilibeba stress ya juu kuliko STG isiyo na nyongeza katika kasi zote. Hivyo, kuimarisha kwa nyuzi za kaboni kuliboresha uwezo wa kubeba mzigo si katika kasi moja tu ya upakiaji bali katika kasi zote zilizochunguzwa.

Hata hivyo, 200 mm/dakika bado inaweza kuwa chini sana kuliko viwango vya deformation vya eneo wakati wa athari halisi. Majaribio haya ya compression yanaonyesha utegemezi wa kasi, lakini hayatoi sheria kamili ya nyenzo ya dynamic wakati wa uzito unaoanguka.

Uwiano hasi wa Poisson ni nini?

Nyenzo ya kawaida inapobanwa kwa mwelekeo wa wima hupanuka kwa upande. Tabia hii huelezwa kwa uwiano chanya wa Poisson. Muundo wa seli wenye uwiano hasi wa Poisson au “auxetic” unaweza, unapobanwa kwa wima, pia kujikaza kuelekea ndani kwa mwelekeo wa upande.

Kielelezo 1 katika ukurasa wa 5 wa utafiti kinaonyesha seli moja iliyojikunja ndani ikizungushwa ili kuunda muundo wa seli wa pande tatu. Kielelezo 2 kinalinganisha seli ya NPR na seli ya udhibiti ya PPR.

Athari zinazotarajiwa za tabia ya NPR katika kinga dhidi ya athari ni:

• Kukunjamana kwa upande kuelekea eneo la athari.
• Kubanwa kwa eneo kwa ujazo wa geli.
• Kusambaza mzigo wa athari kwenye eneo pana zaidi la kiunzi.
• Kupunguza kuzama na kupenya.
• Deformation ya pamoja kati ya seli na ujazo.

Viini vya NPR na PPR vilitengenezwaje?

Muundo wa NPR uliundwa na seli 6×6 katika ndege na tabaka tatu katika mwelekeo wa unene. Katika muundo wa PPR, pembe ya seli ilibadilishwa kutoka 60° hadi 120°. Kwa sababu kubadilika kwa pembe huongeza vipimo vya nje kwa ujumla, sampuli ya PPR ilitayarishwa kwa mpangilio wa seli 5×5×3.

Viunzi vyote viwili vilitengenezwa kwa nyenzo ya nailoni Future 7500 kwa njia ya selective laser sintering. 2CFP-STG iliwekwa juu ya kiunzi na, kwa kutumia mtiririko wake wa polepole, ikaachwa kwa saa 24–48 ili iingie kwenye mapengo. Sahani za polima zilizoimarishwa kwa nyuzi za kaboni zenye unene wa 1 mm ziliunganishwa kwenye nyuso za juu na chini ili kupata sampuli za sandwich.

Urefu halisi wa seli, unene wa vijiti, vipimo vya nje na msongamano wa jamaa umetolewa katika Kielelezo S7 na Jedwali S1 ambavyo havipo katika faili iliyopakiwa. Zaidi ya hayo, haijaripotiwa ikiwa NPR na PPR zilisawazishwa kwa:

• Wingi wa jumla,
• Ujazo wa nailoni,
• Kiasi cha ujazo,
• Msongamano wa jamaa,
• Eneo la jumla lililounganishwa na sahani za uso

Kwa hiyo katika ulinganisho, si uwiano wa Poisson pekee bali pia idadi ya seli na usambazaji wa nyenzo vinaweza kuwa na athari.

Tabia ya compression ya seli zilizojazwa na zisizojazwa

Kielelezo 7 katika ukurasa wa 11 kinalinganisha 2CFP-STG pekee, seli tupu za NPR na PPR, pamoja na seli za NPR na PPR zilizojazwa geli.

2CFP-STG pekee ilibeba stress ya chini zaidi. Viunzi vya seli tupu vilionyesha ugumu mkubwa zaidi. Miundo iliyojazwa ilikuwa na nguvu zaidi kuliko geli, lakini ilionyesha stress ya chini kuliko seli tupu sambamba.

Katika strain ya %5,32:

Katika strain ndogo sana, miundo ya PPR ilionyesha stress ya juu kidogo. Kadiri strain ilivyoongezeka, seli za NPR zilizidi seli za PPR na tofauti ikaendelea kuongezeka. Mwelekeo huu unaonyesha kuwa seli ya NPR hutoa kizuizi cha kijiometria chenye ufanisi zaidi katika hatua zinazoendelea za compression kuliko katika mgusano wa awali.

Kwamba seli zilizojazwa zilibeba stress ya chini kuliko viunzi tupu kunaonyesha kwamba ujazo haukuongeza moja kwa moja ugumu wa statiki. Kulingana na utafiti, geli hushiriki hasa katika deformation ya eneo, hubadilisha uhamishaji wa mzigo kati ya seli na hutoa damping inayotegemea kasi chini ya mzigo wa dynamic.

Jaribio la uzito unaoanguka lilifanywaje?

Majaribio ya athari yalifanywa kwa kifaa cha Instron 9350. Masharti ya msingi ya jaribio yalikuwa:

Kazi ilirekodi mikunjo ya nguvu-muda na nguvu-uhamisho. Nishati inayoonekana iliyopotezwa ilihesabiwa kutoka kwenye mkunjo wa nguvu-uhamisho, na ufanisi unaoonekana wa ufyonzaji wa nishati ulifafanuliwa kama:

\[ \eta_{\mathrm{app}} = \frac{E_{\mathrm{diss}}} {E_{\mathrm{imp,act}}} \times 100\% \]

Hapa \(E_{\mathrm{diss}}\) ni nishati inayoonekana iliyopotezwa iliyohesabiwa kutoka kwenye mkunjo, na \(E_{\mathrm{imp,act}}\) ni nishati halisi ya athari inayoingia iliyopatikana kutoka kwa data ya kifaa.

Ni muhimu kwamba watafiti walitumia mahsusi neno “inayoonekana”. Thamani iliyohesabiwa haitenganishi kikamilifu nishati inayotumika ndani ya kompoziti kwa joto, kupasuka na hasara za mnato; ni kiashiria cha jumla kinachotokana na tabia iliyopimwa ya nguvu-uhamisho ya mpigaji.

Athari ya nyongeza ya nyuzi za kaboni katika athari ya 10 J

Kielelezo 8(a-b) katika ukurasa wa 12 kinalinganisha viini vya STG isiyo na nyongeza na 2CFP-STG katika sandwich zisizo na kiunzi.

Nyongeza ya nyuzi za kaboni iliongeza nguvu ya kilele kwa takribani %4 na kupunguza uhamisho wa juu zaidi kwa takribani %6,7. Kwa hiyo athari ya kuimarisha kwa CF@PDA peke yake inapimika, lakini ni ndogo sana kuliko mabadiliko yanayotokana na kiunzi cha seli.

Athari ya kiunzi cha NPR katika athari ya 10 J

Wakati sandwich ya STG isiyo na kiunzi ililinganishwa na NPR-STG, nguvu ya kilele iliongezeka kutoka 1.579,6 N hadi 3.034,3 N na uhamisho wa juu zaidi ukapungua kutoka 12,52 mm hadi 6,42 mm.

Wakati 2CFP-STG isiyo na kiunzi ililinganishwa na NPR-2CFP-STG, nguvu ya kilele iliongezeka kutoka 1.642,7 N hadi 3.122,9 N na uhamisho wa juu zaidi ukapungua kutoka 11,68 mm hadi 5,98 mm.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba kipengele kikuu kinachopunguza uhamisho wakati wa athari ni kiunzi cha NPR zaidi kuliko nyongeza ya nyuzi za kaboni. Nyongeza ya nyuzi za kaboni huboresha uwezo wa msaada wa kiini, huku muundo wa seli ukibeba mzigo na kupunguza mwendo wa upande wa ujazo.

Ulinganisho wa miundo ya NPR na PPR katika 10 J

Kielelezo 9 katika kurasa 13–14 kinalinganisha jiometria mbili za seli chini ya ujazo uleule wa 2CFP-STG na nishati ileile ya athari ya nominal.

Muundo wa NPR ulitoa nguvu ya kilele ya takribani %67,8 zaidi na kupunguza uhamisho wa juu zaidi kwa takribani %32,3. Hii inaonyesha kwamba ulitoa mwitikio wa mapema na wenye nguvu zaidi dhidi ya mpigaji.

Muundo wa PPR uliweza kupoteza nishati inayoonekana kidogo zaidi katika umbali mrefu wa mwendo na muda mrefu wa mgusano. Miundo hii miwili inawakilisha mikakati tofauti ya kinga:

• NPR: Msaada mkubwa, kuzama kidogo, kupunguza kupenya kwa eneo.
• PPR: Matumizi ya nishati kupitia deformation kubwa zaidi.

Ikiwa kigezo cha kinga ni “nishati iliyofyonzwa” pekee, PPR ina faida ndogo katika matokeo ya 10 J. Ikiwa kigezo ni kupunguza mwendo wa uso wa nyuma, kutobolewa au kukaribia kwa mpigaji kwenye kipengele nyeti ndani ya nafasi, NPR ina faida zaidi.

Kwa nini nguvu kubwa ya kilele si faida kila wakati?

Paneli inayompinga mpigaji kwa nguvu kubwa inaweza kupunguza kutobolewa na umbali wa kuzama. Hata hivyo, nguvu hiyo kubwa inaweza pia kuhamisha acceleration kubwa zaidi kwa msaada, kifaa au mtu aliye nyuma ya paneli.

Katika utafiti huu, nguvu ya uso wa nyuma, mwitikio wa msaada, acceleration ya kitu kinacholindwa au usalama wa binadamu havikupimwa. Kwa hiyo, maelezo sahihi zaidi kwa NPR-2CFP-STG ni “uwezo mkubwa zaidi wa kubeba mzigo na kupunguza uhamisho”. Kauli kwamba ina “utengaji bora wa athari katika kila hali” haijaungwa mkono na utafiti.

Matokeo ya athari ya 20 J

Vielelezo 10 na 11 katika kurasa 14–15 vinaonyesha nguvu, uhamisho na uharibifu uliotokea nishati ya athari ilipoongezwa hadi 20 J.

Muundo wa NPR ulipunguza uhamisho wa juu zaidi kwa takribani %16. Baada ya athari, kiini cha NPR kilisalia kikiwa na uadilifu kiasi, huku kiini cha PPR kikionyesha nyufa zilizo wazi zaidi na nyenzo kusukumwa kuelekea kingo.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba seli za NPR hazitoi ugumu katika nishati ya chini tu; pia huchelewesha kuendelea kwa uharibifu wa kiini nishati ya athari inapoongezeka.

Matokeo ya athari ya 30 J

Mwendo wa 41,21 mm wa sampuli ya PPR ulizidi unene wa awali wa takribani 27 mm. Watafiti walitafsiri matokeo haya kama kupenya kwa eneo au kuvunjika kabisa kwa kimuundo badala ya compression ya kawaida.

Sampuli ya NPR pia ilipata nyufa kubwa katika kiini. Hata hivyo, nyuso na kiini havikutengana kabisa na muundo wa sandwich uliendelea kuwa kipande kimoja. Uhamisho wa NPR ulikuwa takribani %43 chini ya PPR.

Vilele viwili katika mikunjo ya 30 J vilihusishwa na hatua mbili zifuatazo:

1. Kubeba mzigo kwa mara ya kwanza na sahani ya uso wa juu, kiunzi cha seli na ujazo.
2. Baada ya kuzama au kupenya zaidi, mgusano wa pili wa mpigaji na kiini kilichobanwa au sahani ya uso wa chini.

Utaratibu huu unaendana na mikunjo ya nguvu na picha za uharibifu wa mwisho. Hata hivyo, kwa sababu kamera ya kasi kubwa, picha za sehemu ya ndani au uchambuzi wa mgusano ndani ya kifaa haukufanywa, chanzo halisi cha kilele cha pili hakikupimwa moja kwa moja.

Tabia chini ya athari zinazojirudia

Katika Kielelezo 12 cha ukurasa wa 16, athari tatu mfululizo za 10 J zilitumika kwenye sehemu ileile ya sampuli moja ya NPR-2CFP-STG.

Viwango vya nguvu katika athari ya kwanza na ya pili vilibaki karibu. Katika athari ya tatu, kupungua kwa nguvu ya kilele, kuongezeka kwa kuzama na kuongezeka kwa muda wa mgusano kulionyesha kwamba muundo ulikuwa umeanza kupoteza ugumu.

Katika athari zote tatu, nishati inayoonekana iliyopotezwa ilisalia 7,97–8,34 J na ufanisi unaoonekana wa ufyonzaji wa nishati %74,70–%78,93. Kwa hiyo muundo ulihifadhi sehemu kubwa ya uwezo wake wa kutumia nishati licha ya mkusanyiko wa uharibifu.

Mkunjo wa nguvu wa athari ya kwanza ulionyesha mtikisiko zaidi, huku mikunjo iliyofuata ikiwa laini zaidi. Mabadiliko haya yanaweza kuhusishwa na kuvunjika kwa eneo kwa seli, kusambazwa upya kwa ujazo au mabadiliko ya kudumu katika njia za uhamishaji wa mzigo katika athari ya kwanza.

Hata hivyo, jaribio hili si ulinganisho wa sampuli tatu huru. Linaonyesha mkusanyiko wa uharibifu kwenye sehemu ileile ya sampuli moja. Kwa uthabiti wa kitakwimu, mfululizo uleule wa majaribio unahitaji kufanywa kwa sampuli nyingi.

Utaratibu wa pamoja wa kinga uliopendekezwa

Utaratibu uliopendekezwa na watafiti unaweza kuelezwa katika viwango vitatu:

1. Kiwango cha nyenzo: STG huwa ngumu chini ya shear ya haraka na hutoa matumizi ya nishati ya viscoelastic.
2. Kiwango cha interface: Nyuzi za kaboni zilizofunikwa polydopamine hubeba mzigo ndani ya geli na kupinga deformation.
3. Kiwango cha muundo: Seli za NPR hukunjamana kuelekea ndani wakati wa athari, huizuia geli, huongeza compression ya eneo na kupunguza mwendo wa mpigaji.

Kukunjamana kwa seli ya NPR kuelekea ndani kunaweza kuiweka 2CFP-STG mapema katika hali iliyobanwa na inayokumbwa na kasi kubwa ya shear. Hivyo geli inaweza kuanza kuonyesha tabia ngumu haraka zaidi na uhamishaji wa mzigo wa pamoja na kiunzi cha seli kutokea.

Utaratibu huu unaungwa mkono na mikunjo ya compression ya statiki, nguvu za athari, kuzama kidogo na picha za uharibifu. Hata hivyo, deformation ya ndani ya seli haikupigwa picha wakati wa utafiti; digital image correlation, X-ray tomography au modeli ya finite element iliyothibitishwa haikutumiwa. Utaratibu wa compression ya kijiometria unaendana na majaribio, lakini haujathibitishwa moja kwa moja kwa kipimo cha full-field.

Nguvu za utafiti

• Unaunganisha muundo wa interface ya nyenzo na muundo wa seli katika kompoziti moja ya sandwich.
• Unaonyesha uso wa nyuzi za kaboni zilizofunikwa polydopamine kwa SEM.
• Unalinganisha viwango vinne tofauti vya nyuzi za kaboni kwa majaribio ya masafa na compression.
• Unachunguza seli za NPR na PPR zikiwa na ujazo uleule wa geli.
• Unalinganisha hatua kwa hatua sampuli zisizo na kiunzi, zisizo na nyongeza, zilizoimarishwa kwa nyuzi na za seli.
• Unatumia nishati tatu za athari: 10, 20 na 30 J.
• Unatathmini kwa pamoja nguvu, uhamisho, muda wa mgusano, upotevu unaoonekana wa nishati na uharibifu wa kimwili.
• Unachunguza mkusanyiko wa uharibifu kwa athari tatu mfululizo katika sehemu ileile.
• Unaonyesha wazi katika jaribio la 30 J kwamba muundo wa NPR huchelewesha kutengana kabisa.

Mapungufu ya utafiti

• Utafiti ni preprint ambayo haijapitia peer review.
• Vielelezo S1–S7 na Jedwali S1 havipo katika faili iliyopakiwa.
• Muda halisi wa mmenyuko wa STG katika 240 °C haujaelezwa.
• Viwango vya suluhisho za Tris-HCl na dopamine havijatolewa.
• pH ya mipako imeonyeshwa kuwa 8 katika maandishi na 8,5 katika mchoro wa maandalizi.
• Vigezo vya mchakato wa kuchanganya kwa rollers mbili havijaelezwa.
• Msingi wa hesabu wa uwiano wa nyuzi haujafafanuliwa kikamilifu.
• Unene na muundo wa kikemia wa mipako ya polydopamine havijapimwa.
• Nguvu ya interface haijajaribiwa moja kwa moja.
• Usambazaji wa nyuzi na agglomeration havijapigwa picha kwa kiasi.
• Uwiano wa %2 wa nyuzi haujalinganishwa na uwiano mwingine katika hali zote za athari.
• Idadi ya seli katika sampuli za NPR na PPR si sawa.
• Wingi na msongamano wa jamaa wa miundo ya NPR na PPR havijaripotiwa.
• Jiometria sahihi za seli zipo tu katika taarifa za ziada ambazo hazipo.
• Vipimo vyote vya nje vya sampuli havijaelezwa katika maandishi makuu.
• Gundi ya sahani za uso na utaratibu wa kuunganisha havijatolewa.
• Idadi ya marudio huru ya majaribio ya athari haijaelezwa.
• Matokeo hayana error bars, standard deviation au kipimo cha statistical significance.
• Athari zinazojirudia zilifanywa kwenye sehemu ileile ya sampuli moja tu.
• Deformation ya uso wa nyuma na nguvu ya msaada iliyohamishwa hazikupimwa tofauti.
• Mwendo wa seli za ndani wakati wa athari haukupigwa picha.
• Specific energy absorption au utendaji kwa unit mass haukuhesabiwa.
• Joto, unyevunyevu, UV, maji, mazingira ya kikemia na kuzeeka kwa muda mrefu havijachunguzwa.
• Tabia ya moto na usalama wa moshi havijachunguzwa.
• Mizigo ya kasi kubwa, balistiki au mlipuko haikujaribiwa.
• Gharama ya uzalishaji, uwezo wa kukarabati na urejelezaji havijatathminiwa.

Utafiti unaunga mkono nini?

Utafiti unaunga mkono kwamba nyuzi fupi za kaboni zilizofunikwa polydopamine zinaweza kuboresha uthabiti wa umbo wa STG katika masafa ya chini na upinzani wa compression katika viwango tofauti vya upakiaji. Pia unaonyesha kwamba seli zilizochapishwa kwa 3D zenye uwiano hasi wa Poisson hupunguza uhamisho chini ya athari za kasi ndogo za 10–30 J katika sampuli ndogo za sandwich zilizochunguzwa, na katika nishati ya juu huchelewesha kutengana kabisa kwa kimuundo ikilinganishwa na muundo wa udhibiti wa PPR.

Utafiti hauthibitishi nini?

Utafiti hauthibitishi kwamba NPR-2CFP-STG ndiyo muundo bora kwa kila aina ya kinga dhidi ya athari. Nguvu kubwa ya kilele inaweza kuwa isiyofaa katika matumizi yanayohitaji kutenganisha nguvu. Matokeo hayamaanishi upinzani wa balistiki, kinga dhidi ya mlipuko, usalama wa binadamu, usalama wa mgongano wa magari au matumizi ya anga yaliyothibitishwa. Pia haiwezi kusemwa kwamba tofauti zote zilizoonekana zilitokana tu na uwiano hasi wa Poisson; idadi ya seli, wingi unaowezekana na msongamano wa jamaa wa sampuli za NPR na PPR haukusawazishwa kikamilifu.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa nyenzo

Hatua za kuandaa sampuli

1. Mafuta ya dimethyl silicone na asidi ya boric yalichanganywa kwa uwiano wa wingi wa 10:1.
2. Mchanganyiko uliingizwa katika mmenyuko wa 240 °C na kupozwa ili kutayarisha STG.
3. Nyuzi fupi za kaboni zilisambazwa katika buffer ya Tris-HCl.
4. Dopamine na NaOH ziliongezwa na mipako ya saa 24 ikafanywa.
5. CF@PDA iliongezwa kwenye STG kwa %1, %2, %4 au %6 kwa kutumia kichanganyaji cha rollers mbili.
6. Kiunzi cha NPR kilichapishwa kwa mpangilio wa seli 6×6×3, na kiunzi cha PPR kwa 5×5×3.
7. 2CFP-STG iliruhusiwa kupenya polepole katika mapengo ya kiunzi kwa saa 24–48.
8. Sahani za kompoziti za nyuzi za kaboni za 1 mm ziliunganishwa kwenye nyuso za juu na chini.

Tabia na mpangilio wa majaribio

Matokeo makuu ya nyenzo

Ulinganisho wa pamoja wa matokeo ya athari ya 10 J

Ulinganisho wa NPR-PPR katika nishati kubwa

Maana ya kiuhandisi ya matokeo

Uthibitishaji unaohitajika kabla ya matumizi ya eneo au bidhaa

• Taarifa za ziada zinazokosekana na vigezo vyote vya uzalishaji vinapaswa kuchapishwa.
• Sampuli za NPR na PPR zinapaswa kubuniwa upya kwa wingi na msongamano wa jamaa sawa.
• Majaribio ya athari yanapaswa kurudiwa kwa sampuli huru nyingi kwa kila hali.
• Standard deviation, confidence interval na significance tests zinapaswa kutolewa.
• Uhamisho wa uso wa nyuma, reaction ya msaada na acceleration ya kitu kinacholindwa zinapaswa kupimwa.
• Deformation ya seli inapaswa kufuatiliwa kwa kamera ya kasi kubwa na digital image correlation.
• Uharibifu wa ndani baada ya athari unapaswa kuchunguzwa kwa X-ray tomography au ultrasound.
• Utendaji wa athari wa sandwich zenye %1, %2, %4 na %6 nyuzi unapaswa kulinganishwa moja kwa moja.
• Jiometria tofauti za mpigaji na masharti tofauti ya mpaka zinapaswa kutumiwa.
• Athari zinazojirudia katika sehemu nyingi na kwa nafasi tofauti zinapaswa kujaribiwa.
• Joto, unyevunyevu, kuzeeka na tabia ya moto vinapaswa kubainishwa.
• Mwingiliano wa seli-ujazo-uso unapaswa kuthibitishwa kwa modeli ya finite element.
• Ufyonzaji wa nishati kwa unit mass na uchambuzi wa gharama-utendaji unapaswa kufanywa.
• Majaribio ya paneli za kiwango cha pilot kwa magari, anga au viwanda yanapaswa kufanywa.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina kamili la asili la utafiti:Polydopamine-Functionalized Carbon Fiber Reinforced Shear Thickening Gel/NPR Sandwich Composites for Impact Resistance

Waandishi na mpangilio wao: Haonan Suo; Ke Zhang; Kaifa Wang; Sheng Wang; Yao Li.

Taarifa ya mchango sawa: Utafiti hauna tamko la waandishi wenye mchango sawa au waandishi wa kwanza wa pamoja.

Taarifa ya mwandishi wa mawasiliano: Alama ya nyota katika orodha ya waandishi inaonyesha Ke Zhang kama mwandishi wa mawasiliano. Hata hivyo, katika mstari wa mawasiliano zimeorodheshwa pamoja anwani mbili za barua pepe za Ke Zhang na Yao Li. Haijaonyeshwa wazi ikiwa Yao Li ni mwandishi mwenza wa mawasiliano.

Anwani za mawasiliano: zhangke@hit.edu.cn; liyao@hit.edu.cn.

Ulinganifu wa mwandishi-taasisi:

1. Haonan Suo: MIIT Key Laboratory of Critical Materials Technology for New Energy Conversion and Storage; School of Chemistry and Chemical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, China.
2. Ke Zhang: MIIT Key Laboratory of Critical Materials Technology for New Energy Conversion and Storage; School of Chemistry and Chemical Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin, China.
3. Kaifa Wang: School of Science, Harbin Institute of Technology, Shenzhen, Guangdong, China.
4. Sheng Wang: CAS Key Laboratory of Mechanical Behavior and Design of Materials; Department of Modern Mechanics, University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui, China.
5. Yao Li: Center for Composite Materials and Structure, Harbin Institute of Technology, Harbin, China.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti ya majaribio ya preprint inayojumuisha usanisi wa nyenzo, functionalization ya uso, rheology, compression na majaribio ya uzito unaoanguka wa kasi ndogo.

Eneo la mada: Geli zinazonenepa kwa shear, kompoziti za nyuzi za kaboni, interfaces za polydopamine, metamaterials za auxetic, miundo ya sandwich na upinzani dhidi ya athari.

Hali ya peer review: Utafiti haujapitia peer review. Kila ukurasa wa faili iliyopakiwa una onyo la preprint na peer review.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mtoa huduma wa jukwaa: Elsevier SSRN Preprint Services.

Nambari ya usajili ya SSRN: 7203447.

DOI:10.2139/ssrn.7203447

Kiungo rasmi:Ukurasa wa usajili wa SSRN

Mwaka wa uchapishaji: 2026.

Jarida: Haijathibitishwa kuwa imechapishwa katika jarida lenye peer review.

Mchapishaji wa jarida asilia: Hakuna jarida au mchapishaji wa jarida lenye peer review aliyethibitishwa. SSRN ni jukwaa la preprint na halipaswi kuwasilishwa kama jarida lenye peer review.

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono na Aeronautical Science Foundation of China na Chinese Aeronautical Establishment Project kupitia mradi nambari 2023Z055077007.

Mgongano wa maslahi: Katika maandishi makuu yaliyopakiwa hakuna tamko tofauti na la wazi la mgongano wa maslahi.

Michango ya waandishi: Hakuna taarifa ya kina ya michango ya waandishi kwa mfumo wa CRediT au mfumo sawa.

Upatikanaji wa data na msimbo: Hakuna kiungo cha hifadhi wazi ya data, data ghafi ya rheometer, faili ya data ya kifaa cha athari, faili ya modeli ya pande tatu au msimbo wa uchambuzi.

Taarifa za ziada zinazokosekana: Vielelezo S1–S7 na Jedwali S1 vinavyorejelewa katika maandishi makuu havipo katika faili iliyopakiwa. Kwa hiyo, uboreshaji wa muda wa mmenyuko wa STG, baadhi ya uthibitishaji wa spectroscopy, jaribio la kuhifadhi urefu na vipimo sahihi vya kijiometria vya seli havikuweza kutathminiwa kwa kujitegemea.

Kutolingana kuu kwa taarifa: pH ya mazingira ya mipako ya polydopamine imeonyeshwa kuwa 8 katika maandishi ya mbinu, lakini 8,5 katika mchoro wa maandalizi wa Kielelezo 3. Thamani hii inahitaji kurekebishwa kwa ajili ya reproducibility.

Maelezo haya ya Kiswahili yaliandaliwa baada ya kuchunguza maandishi yote makuu ya utafiti uliopakiwa, vielelezo vikuu 12, taratibu za kuandaa nyenzo, mikunjo ya rheology, majaribio ya compression, data ya athari ya 10–30 J, picha za uharibifu na matokeo ya athari zinazojirudia. Maudhui ya kisayansi yamewekewa mipaka kwa majaribio na tafsiri zilizowasilishwa katika utafiti pekee. Vyanzo vya nje vilitumiwa tu kwa uthibitishaji wa bibliografia wa usajili wa SSRN, DOI, jukwaa, barua pepe na utambulisho wa taasisi.

Matokeo yanapaswa kutafsiriwa kwa kuzingatia kwamba utafiti haujapitia peer review, taarifa za ziada hazipo, sampuli za NPR-PPR hazikusawazishwa kikamilifu kwa idadi ya seli na huenda kwa wingi, marudio ya majaribio na kutokuwa na uhakika wa kitakwimu hakujafafanuliwa, nguvu kubwa ya kilele haimaanishi ubora kwa kila lengo la kinga, na matokeo yanategemea tu hali za athari za kasi ndogo katika sampuli ndogo.