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Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 21101 (2022) Citar este artículo

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Detalles de métricas

El presente documento explora experimentalmente la influencia de la hibridación de la fibra y la secuencia de estratificación en el comportamiento de resistencia al choque y el historial de deformación de las tuberías de pared delgada de polímero/metal. Se prepararon tuberías de aluminio (Al) envueltas con epoxi reforzado con yute (J)/vidrio (G) mediante envoltura húmeda manual y luego se sometieron a cargas de compresión cuasiestáticas axiales. Los diagramas de carga versus desplazamiento e indicadores de aplastamiento, es decir, carga máxima de aplastamiento (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$), carga media de aplastamiento (${\mathrm{F}}_{ \mathrm{m}}$), absorción de energía total ($\mathrm{U})$, absorción de energía específica $\left(\mathrm{SEA}\right)$ y eficiencia de la fuerza de aplastamiento $ \left(\mathrm{CFE}\right)$. Los resultados experimentales revelaron que el $\left(\mathrm{SEA}\right)$ máximo se registró para la tubería Al/2J/4G/2J con un valor de aproximadamente 42,92 kJ/g, con una mejora del 20,56 % en \ (\left(\mathrm{SEA}\right)\) en comparación con tubos de aluminio puros. Los especímenes Al/2J/4G/2J muestran el máximo ($\mathrm{U})$, $\left(\mathrm{SEA}\right)$, y $\left(\mathrm{CFE} \right)$ y podrían emplearse como miembros absorbentes de energía en automóviles.

Recientemente, las secciones de paredes delgadas se han utilizado ampliamente como componentes resistentes a choques en las industrias de vehículos y ferrocarriles debido a sus numerosas ventajas, incluida la alta capacidad de absorción de energía, alta rigidez, alta resistencia, alta resistencia a la corrosión, bajo peso, bajo costo y facilidad. de fabricación1,2. La "capacidad de choque" se puede definir como la capacidad de un vehículo para soportar choques con lesiones o daños mínimos a cuerpos humanos o bienes3,4. El tipo de material es un factor importante que afecta el rendimiento de los dispositivos a prueba de choques5. Convencionalmente se pueden utilizar materiales metálicos debido a la deformación plástica controlable6. Por el contrario, los compuestos poliméricos se utilizan ampliamente debido a su respetable rigidez y/o resistencia específicas y su excelente capacidad de absorción de energía. Los composites no presentan deformación plástica debido a su fragilidad. Los materiales compuestos absorben energía por trituración y delaminación7,8.

Los híbridos se han adaptado en los absorbedores de energía al combinar la deformación plástica de los materiales metálicos y una mayor rigidez y/o resistencia específica de los composites9,10. Muchos estudiosos examinaron el rendimiento de colapso de las tuberías híbridas. Babbage y Mallick11 estudiaron experimentalmente el rendimiento de aplastamiento axial de tuberías de aluminio ($\mathrm{Al}$) recubiertas con vidrio y epoxi. El ángulo de orientación del vidrio E fue de ± 45° o ± 75° con respecto al eje de la tubería. Se adaptaron tuberías circulares y cuadradas ($\mathrm{Al}$). Algunas tuberías se llenaron con espuma epoxi. Los resultados indicaron que a medida que aumenta el número de capas de vidrio E, se mejorarán los parámetros de resistencia al impacto. Los parámetros de choque de los tubos híbridos redondos son mejores que los de los cuadrados. El ángulo de orientación de ± 45° proporciona mejores parámetros de colisión que los de ± 75°. Kalhor y Case12 descubrieron que envolver capas de epoxi reforzado con vidrio S2 en cilindros cuadrados de acero inoxidable (St) podría alterar el modo de colapso de división con baja energía total absorbida ($\mathrm{U})$ a modo simétrico o mixto con alta ($\mathrm{U})$ y baja oscilación en la etapa posterior al choque. El número de capas de vidrio/epoxi en los cilindros híbridos tiene un efecto importante en ($\mathrm{U})$. Se adaptó un nuevo mecanismo de activación que altera la respuesta de falla a un modo de colapso simétrico y, como consecuencia, mejora la eficiencia de la fuerza de aplastamiento $\left(\mathrm{CFE}\right)$ de los híbridos propuestos.

Liu et al.13,14 investigaron el comportamiento de choque de estructuras de nido de abeja de plástico reforzado con fibra de carbono ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) bajo carga axial. Los resultados indicaron que la fuerza de trituración máxima (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$) y ($\mathrm{U}$) de ($\mathrm{CFRP}$ ) las estructuras rellenas mejoran un 10 % en comparación con las no rellenadas. Al reducir $(\mathrm{Al})$ la longitud de la división de panal, $(\mathrm{U})$ aumenta gradualmente mientras que $\left(\mathrm{SEA}\right)$ disminuye. La resistencia al choque de los materiales híbridos se ha estudiado en la literatura. Zhu et al.15 estudiaron los indicadores de bloqueo, incluidos $(\mathrm{U})$, y la respuesta de falla de tres ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$ ) configuraciones sujetas a cargas axiales cuasiestáticas. A modo de comparación, se probaron cilindros vacíos ($\mathrm{Al}$) y ($\mathrm{CFRP}$). Los resultados experimentales indicaron que Hola, es decir, ($\mathrm{Al}$) cilindro con interior ($\mathrm{CFRP}$) cilindro logra los mejores resultados. Hola fue estudiado analíticamente desde los puntos de vista de costo y peso ligero. Se informó que para el mismo $(\mathrm{U})$, Hi reduce el costo en un 32,1 % en comparación con ($\mathrm{CFRP}$) cilindro y reduce el peso en un 33,6 % en comparación con (\ (\mathrm{Al}\)) cilindro. Hola podría adaptarse para la absorción de energía. Sun et al.16 estudiaron el rendimiento de trituración cuasiestática de ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) tuberías híbridas preparadas por el devanado de filamento. Se informó que el ángulo de bobinado y el espesor de la pared de la muestra tienen un efecto importante en el mecanismo de falla y los parámetros de aplastamiento. Aumentar el ángulo de bobinado disminuye $\left(\mathrm{SEA}\right)$, $(\mathrm{U})$, y $({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip }})$ de ($\mathrm{CFRP}$) y ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) tuberías híbridas. Aumentar ($\mathrm{CFRP}$) el grosor de la tubería mejora $\left(\mathrm{SEA}\right)$, $(\mathrm{U})$, y $({\mathrm {F}}_{\mathrm{ip}})$ de ($\mathrm{CFRP}$) y ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$ ) híbridos. Con un ángulo de giro de 25° y 9 capas de ($\mathrm{CFRP}$), $\left(\mathrm{SEA}\right)$ de ($\mathrm{CFRP}$) y Las tuberías ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) fueron las mejores (48,74 y 79,05 J/g). Además, $(\mathrm{U})$ de ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) tubería híbrida excede la suma de sus componentes.

Según Wang et al.17, el cambio en el modo de deformación de las tuberías híbridas ($\mathrm{Al}$)/($\mathrm{CFRP}$) mejora las energías internas $({\mathrm {U}}_{\mathrm{i}})$ de ($\mathrm{Al}$) y ($\mathrm{CFRP}$) tuberías por 43.6 y 17.8% en comparación con prístino (\ (\mathrm{Al}\)) y ($\mathrm{CFRP}$) tuberías, respectivamente; y mejora la energía de disipación por fricción $({\mathrm{U}}_{\mathrm{d}})$ en un 45,6% en comparación con la suma de la prístina ($\mathrm{Al}$) y ($\mathrm{CFRP}$) tuberías, mejorando en gran medida $(\mathrm{U})$ de ($\mathrm{Al}$)/($\mathrm{CFRP}$) tuberías híbridas. Para ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$), $({\mathrm{U}}_{\mathrm{i}})$ aumenta un 27,6% para tubería ($\mathrm{Al}$) pero disminuye un 31,9 % para tubería ($\mathrm{CFRP}$) en comparación con ($\mathrm{Al}$) y red ($ \mathrm{CFRP}$) tuberías, respectivamente; mientras que $({\mathrm{U}}_{\mathrm{d}})$ disminuye en un 47,6 % en comparación con la suma de las prístinas ($\mathrm{Al}$) y ($\ mathrm{CFRP}$) tuberías, lo que significa la importancia de la hibridación en $(\mathrm{U})$. También se consideró el impacto del grosor de la pared, las dimensiones y la forma de la sección en $(\mathrm{U})$, así como la relación de costo de los híbridos. Se registró que la tubería híbrida con tubería más gruesa ($\mathrm{CFRP}$) tiene mayor $(\mathrm{U})$; mientras que el híbrido con tubería más delgada ($\mathrm{Al}$) exhibe mejores características de absorción de energía rentables. Además, con peso constante, la tubería híbrida circular con un tamaño de sección más pequeño muestra el mejor rendimiento. Zang et al.18 investigaron el impacto de la forma de la sección transversal en el choque axial cuasiestático de ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) tuberías híbridas. $\left(\mathrm{SEA}\right)$ y la eficiencia de la fuerza de choque $\left(\mathrm{CFE}\right)$ del ($\mathrm{CFRP}$)/(\ (\mathrm{Al}\)) las tuberías con sección transversal circular resultaron ser las más grandes. Se descubrió que la longitud de las tuberías híbridas con la sección transversal circular no tiene un efecto sustancial en $(\mathrm{U})$, pero la relación de espesor de ($\mathrm{Al}$) a ( $\mathrm{CFRP}$) es decir, (tm/tc), el número de capas, la dirección de la fibra y la relación de fibra en la dirección axial/circunferencial tienen un impacto notable en el comportamiento de colisión.

Los compuestos reforzados con fibra muestran un buen desempeño específico de resistencia al choque que, dependiendo en gran medida de los materiales constituyentes y la disposición de las fibras, comúnmente superan a los de los metales19. Por otro lado, los metales ofrecen soluciones relativamente rentables con mecanismos de absorción de energía bien entendidos y estables20. La combinación de compuestos reforzados con fibra y metales en sistemas híbridos podría abrir nuevas posibilidades en términos de rendimiento funcional específico rentable bajo cargas de choque20. Se ha demostrado que una estructura híbrida de metal/compuesto correctamente diseñada es más liviana y segura que los metales y compuestos tradicionales con un costo adecuado. Esto admite estructuras híbridas de metal/compuesto para adaptarse como un excelente sustituto en las aplicaciones de choque Mahdi y El Kadi21. En este sentido, se ha hecho un esfuerzo por elegir los refuerzos en composites adecuados para absorber la energía extra en modo de trituración progresiva. Investigadores recientes intentaron mitigar la utilización de fibras sintéticas costosas adaptando fibras naturales ligeras, biodegradables y baratas Supian et al.22. Se han llevado a cabo varios estudios para explorar la resistencia a los choques de los compuestos reforzados con fibra natural23,24,25,26.

Debido a sus excepcionales cualidades polivalentes y a prueba de choques, las construcciones híbridas de compuestos metálicos se han vuelto más populares en la industria automotriz. En la literatura se encontraron muchos estudios sobre la resistencia a los choques de los híbridos compuestos de fibra sintética y metal. Sin embargo, muy pocos trabajos se han centrado en revelar los mecanismos de absorción de energía de las estructuras híbridas de compuesto de fibra sintética-metal-compuesto de fibra natural; y cómo controlar el rendimiento a la calidad de los costes de estas estructuras sigue siendo un problema sin resolver. Este estudio tiene como objetivo reducir el costo y aumentar la absorción de energía de diferentes configuraciones, es decir, aluminio ($\mathrm{Al}$)/yute ($\mathrm{J}$)/E-glass ($\ mathrm{G}$) tubos híbridos de epoxi reforzados. Se han investigado los impactos del proceso de hibridación de refuerzo y las secuencias de apilamiento de capas. Los especímenes se prepararon mediante un procedimiento de deformación manual en húmedo y se probaron bajo cargas axiales cuasiestáticas. Se determinaron los indicadores de resistencia al impacto y se examinó el historial de deformación. Se calculó y comparó la relación de costo de los elementos disipadores de energía propuestos. Se incluyeron imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) para mostrar los signos de falla en las muestras fallidas.

En este trabajo se adaptó una aleación de aluminio ($\mathrm{Al}6063$), suministrada por Military Production Co. Ltd. (Egipto), en forma de tubos con un diámetro exterior de 50 mm y un espesor de 2 mm. Hebei Yuniu Fiber Glass Manufacturing Co. Ltd., China y Zhong Xing Cotton and Jute Co. Ltd. (China), respectivamente, suministraron telas tejidas de vidrio E y yute con densidades superficiales de 200 g/m2. En la Fig. 1 se muestran imágenes de superficies de tuberías ($\mathrm{Al}6063$), tejido de yute y tejido de vidrio E. Kemapoxy 150RGL entregado por Chemicals for Modern Buildings Co. Ltd. (Egipto) fue nominado como matriz. La Tabla 1 demuestra las características mecánicas del vidrio E, yute, $\mathrm{Al}6063$ y Kemapoxy 150 RGL. La composición química de $\mathrm{Al}6063$ (porcentaje en peso, % en peso) se indica en la Tabla 2.

Imágenes de la superficie de (a) tuberías Al 6063, (b) tejido de fibra de vidrio E y (b) tejido de yute.

Se nominó el método de deformación manual en húmedo para fabricar las muestras de ensayo, Fig. 2. Debido a su facilidad y bajos requisitos, este método de fabricación fue empleado por diferentes investigadores en muchas becas4,5,27,28,29,30. Los pasos del proceso de fabricación se pueden resumir de la siguiente manera:

La mezcla manual y el remolino del epoxi y su endurecedor tomaron alrededor de 5 min. La mezcla se añadió uniformemente a los tejidos (Fig. 2a). Los tejidos saturados se envolvieron sobre un tubo de aluminio tratado de 50 mm con (Fig. 2b).

Las tuberías construidas requieren "7" días a 25 $^\circ$C para un curado completo de acuerdo con las recomendaciones del fabricante de la matriz31. Las tuberías fabricadas se revisaron visualmente para detectar imperfecciones después del curado (Fig. 2c). Los tubos consolidados se cortaron en 100 mm de longitud (Fig. 2d).

Se envolvieron ocho capas de tela con diferentes órdenes sobre los tubos de aluminio como se muestra en la Fig. 3. Las dimensiones geométricas de los especímenes de prueba se declaran en la Tabla 3.

Secuencia del proceso de fabricación.

Secuencias de apilamiento de los tubos híbridos fabricados.

Para garantizar una fuerte unión entre los tubos de aluminio, el yute y las telas de vidrio E, los tubos de aluminio se sometieron a tratamientos mecánicos y químicos. En primer lugar, las tuberías de aluminio se sometieron a un tratamiento mecánico mediante un enjuague con acetona, luego se alisaron con papel de lija de grano # 400, luego se lavaron con agua destilada y finalmente se secaron en un horno. En segundo lugar, las tuberías de aluminio tratadas mecánicamente se lavaron con ácido utilizando HCl con una concentración volumétrica del 11 % durante 30 minutos a temperatura ambiente. Luego, las tuberías de aluminio se sumergieron durante 5 min a 70 ° C en un solvente de NaOH al 5% en peso. Finalmente, las tuberías de aluminio tratadas se lavaron y secaron para ser utilizadas en la fabricación de compuestos híbridos32. Esta técnica fue adaptada por muchos investigadores33,34,35,36,37 que confirmaron el éxito de esta técnica para mejorar la unión entre la interfaz de metal y polímero.

Se seleccionó una máquina de ensayo universal de 100 kN (Tipo: Jinan WDW, China) para realizar los ensayos cuasiestáticos a una velocidad de cruceta de 10 mm/min. La figura 4 muestra el montaje experimental utilizado en este trabajo. Los especímenes de prueba se colocaron entre dos placas de acero planas que estaban paralelas entre sí antes de que comenzara la prueba. El sistema automático de adquisición de datos se implementó directamente para registrar los datos de carga y desplazamiento. Muchos autores en sus estudios sobre resistencia al choque confirmaron este método38,39,40. Las historias de deformación de los especímenes de prueba fueron rastreadas e informadas. Se registraron las curvas de carga-desplazamiento para tres especímenes en cada caso, y se proporcionó y dibujó el promedio de las tres curvas. El espécimen cuya curva está más cerca de la curva promedio se consideró el más representativo y se presentó en las Figs. 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11 como se muestra en la copia revisada. Mientras que los datos mostrados en las Figs. 12, 13, 14 y 15 representan los valores medios. Las curvas de carga-desplazamiento producidas se pueden utilizar para cuantificar el rendimiento de las muestras de compuestos metálicos resistentes a choques. Los siguientes son los parámetros críticos de trituración: carga máxima de trituración (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$), carga media de trituración (${\mathrm{F}}_{\mathrm {m}}$), absorción de energía total ($\mathrm{U})$, absorción de energía específica $\left(\mathrm{SEA}\right),$ y eficiencia de la fuerza de aplastamiento $\left (\mathrm{CFE}\right)$

La carga máxima de trituración (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})$ se registra directamente a partir de la gráfica de carga versus desplazamiento obtenida. Se recomienda que sea lo suficientemente compacto para evitar que el absorbedor de energía transmita la fuerza de la colisión al automóvil29.

La absorción de energía total ($\mathrm{U})$ muestra cuánta energía se desperdició durante el proceso de colisión, ecuación. (1).

donde, $\mathrm{F}\left(\updelta \right)\mathrm{ y }{\delta }_{\mathrm{max}}$ son la fuerza de trituración inmediata y el desplazamiento total de trituración, respectivamente.

La carga de aplastamiento media (${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}$) se puede determinar mediante el desplazamiento de aplastamiento total y la energía absorbida.

La eficiencia de la fuerza de aplastamiento $\left(\mathrm{CFE}\right)$ es la relación entre la carga de aplastamiento media y la carga de aplastamiento máxima. Cuando el porcentaje de eficiencia de la fuerza de aplastamiento es alto, el EAC efectivo de la estructura también es alto.

La absorción de energía específica $\left(\mathrm{SEA}\right)$ se calcula dividiendo la energía absorbida (U) por la masa del absorbedor de energía (${\mathrm{m}}_{\mathrm{c} }$):

donde $\mathrm{M}/\mathrm{L}$ es la masa del absorbedor de energía por unidad de longitud.

Montaje experimental utilizado en este trabajo.

Historial de carga-desplazamiento y aplastamiento para la muestra de prueba de aluminio.

Historial de carga-desplazamiento y aplastamiento para la muestra de ensayo Al-8J.

Historial de carga-desplazamiento y aplastamiento para muestras de prueba de Al/4J/4G.

Historial de carga-desplazamiento y aplastamiento para la muestra de ensayo Al/4G/4J.

Historial de carga-desplazamiento y aplastamiento para muestras de prueba de Al/2G/4J/2G.

Historial de carga-desplazamiento y aplastamiento para la muestra de ensayo Al/2J/4G/2J.

Historial de carga-desplazamiento y aplastamiento de la probeta de ensayo de Al/8G.

Cargas de aplastamiento iniciales y medias para probetas ensayadas.

Absorción de energía total para especímenes ensayados.

Absorción de energía específica para especímenes ensayados.

Eficiencia de la fuerza de trituración para muestras ensayadas.

En las Figs. 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11. Los resultados, declarados en las Figs. 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 11, son para la muestra más representativa de cada configuración.

Está claro en la Fig. 5 que $(\mathrm{Al})$ la muestra se comporta de forma lineal hasta que se acerca a la carga máxima de 61,87 kN a 3,97 mm y luego hay una disminución repentina a 25,23 kN a 10,32 mm. Con el aumento del desplazamiento, el espécimen puro de $(\mathrm{Al})$ se deforma plásticamente regularmente y produce un perfil de carga-desplazamiento de alta amplitud de oscilaciones en el área posterior al choque hasta que alcanza el inicio de la densificación en aproximadamente 79,41 mm. El historial de aplastamiento de la tubería $(\mathrm{Al})$ muestra el plegado y el pandeo general de la tubería.

Está claro en la Fig. 6 que la muestra de Al/8J se comporta de forma lineal hasta que se acerca a 80,88 kN a 8,06 mm, luego hay una caída abrupta de la carga a 49,65 kN a 18,56 mm. La caída de la carga se acompaña de un agrietamiento de la matriz que comienza a ocurrir en el lado superior de la tubería debido a la concentración de tensiones. La gráfica de carga-desplazamiento luego comenzó a oscilar levemente en la etapa de post-trituración hasta llegar al inicio del área de compactación en 64,65 mm. La carga sube rápidamente al inicio del área de compactación. Este resultado está en línea con lo señalado por Abdewi et al.41. Se pueden notar torsiones y plegados. Como resultado del pandeo de la fibra, se registró el pandeo total de la tubería.

La gráfica de carga versus desplazamiento y el historial de distorsión para el espécimen de Al/4J/4G bajo carga cuasiestática se muestran en la Fig. 7. La tubería tiene un comportamiento lineal hasta que se aproxima a ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip }}$ de 86,55 kN a 5,74 mm, luego una fuerte caída en la carga a aproximadamente 46,59 kN a 18,41 mm. Después de eso, se observaron bajas fluctuaciones en la zona de post trituración hasta el comienzo de la zona de densificación en 65,01 mm. Se pueden notar arrugas, flexión de paredes y pandeo global acompañado de grietas.

La figura 8 indica la respuesta de fuerza frente al movimiento y el historial de aplastamiento de la muestra de Al/4G/4J obtenida a partir de la prueba de compresión cuasiestática. La tubería tiene una tendencia lineal hasta que se acerca a ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ de 87,57 kN a 3,76 mm, seguida de una fuerte caída de carga a aproximadamente 46,19 kN. Después de la caída de la carga, la gráfica de carga versus desplazamiento osciló en la zona posterior al aplastamiento hasta que ingresa al comienzo de la zona de compactación en 63,01 mm. Se puede notar el agrietamiento de la matriz en el fondo de la tubería.

La Figura 9 ilustra la gráfica de carga versus desplazamiento y el historial de deformación para el espécimen de Al/2J/4G/2J obtenido de la prueba cuasiestático. La tubería tiene una línea de dirección hasta que se aproxima a ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ de 79,33 kN a 4,59 mm, la curva de carga-desplazamiento osciló en la zona posterior al aplastamiento alrededor de la carga media hasta entrar en el inicio de la zona de compactación en 65,01 mm. Se puede notar el agrietamiento de la matriz en el fondo de la tubería.

La Figura 10 muestra la gráfica de carga versus desplazamiento y el historial de deformación para el espécimen de Al/2G/4J/2G. El tubo se comporta linealmente hasta que se acerca a ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ de 81,29 kN a 8,59 mm, seguido de una fuerte caída de carga a unos 20,89 kN. Después de la caída de la carga, la curva carga-desplazamiento osciló en la etapa de post-aplastamiento hasta llegar al inicio de la zona de compactación a 70,29 mm. Se puede notar el agrietamiento de la matriz en el fondo de la tubería.

La curva de carga versus desplazamiento y el historial de distorsión para el espécimen de Al/8G se muestran en la Fig. 11. Se observó que la tubería se comporta linealmente hasta que se mueve hacia una carga de 77,54 kN a 4,95 mm, seguido de una fuerte caída de la carga a casi 32,31 kN a 18,37 mm. Después de la caída de la carga, la gráfica de carga versus desplazamiento osciló en la zona de post-aplastamiento hasta el comienzo de la zona de densificación a 72,00 mm. Se puede notar pandeo global con fractura de fibra para la muestra de Al/8G.

La Tabla 4 indica los parámetros de resistencia a choques para todas las tuberías de metal/polímero probadas. También muestra la repetibilidad de todos los datos. Está claro que el coeficiente de variación (CV) de todos los resultados es inferior al 10 %, lo que confirma la repetibilidad de los resultados y refleja su precisión visible.

Como se muestra en la Fig. 12, el ${(\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})$ más bajo se registró para la tubería $(\mathrm{Al})$ con un valor de 61,87 kN. La hibridación de tubería $(\mathrm{Al})$ con ocho capas de yute/epoxi y vidrio/epoxi proporciona una mejora de, respectivamente, 30,73 y 28,56 % en ${\mathrm{F}}_{\mathrm {ip}}$ de $(\mathrm{Al})$ tubería. ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ de Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2J/4G/2J y Al/2G/4J/2G son, respectivamente, aproximadamente 1,40, 1,42, 1,28 y 1,31 veces la de la tubería de aluminio. Esto significa que hibridar $(\mathrm{Al})$ con yute y vidrio tiene un efecto positivo visible en el valor de ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$.

La hibridación de tubería $(\mathrm{Al})$ con ocho capas de yute/epoxi y vidrio/epoxi da una mejora de, respectivamente, 38.91 y 39.68% en $({\mathrm{F}}_{\ mathrm{m }})$ de la tubería $\left(\mathrm{Al}\right)$. ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ de Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2J/4G/2J y Al/2G/4J/2G son, respectivamente, alrededor de 1,60, 1,61, 1,70 y 1,42 veces la de la tubería $(\mathrm{Al})$. Esto significa que hibridar $(\mathrm{Al})$ con fibras J y G tiene un efecto positivo visible en el valor de ${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}$.

Como se representa en la Fig. 13, la mayor absorción de energía $\left(\mathrm{U}\right)$ se observó para la tubería Al/2J/4G/2J con un valor de aproximadamente 3885,55 kJ, mientras que la menor $ \left(\mathrm{U}\right) \mathrm{fue}$ observado para la tubería $(\mathrm{Al})$ con un valor de aproximadamente 2791,84 kJ, con una mejora del 39,18 % en $\left (\mathrm{U}\right)$ en comparación con la tubería $(\mathrm{Al})$ pura. Además, el valor $\left(\mathrm{U}\right)$ de las tuberías Al/8J, Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2G/4J/2G y Al/8G son, respectivamente , alrededor de 1,13, 1,27, 1,28, 1,21 y 1,11 veces la de la tubería $\left(\mathrm{Al}\right)$. Esto significa que hibridar $(\mathrm{Al})$ con yute y vidrio tiene un efecto positivo visible en el valor de $\left(\mathrm{U}\right)$.

Como se demuestra en la Fig. 14, el valor $\left(\mathrm{SEA}\right)$ de absorción de energía específica más alto se registró para la tubería Al/2J/4G/2J con un valor de aproximadamente 42,92 kJ/g, con mejora del 20,56 % en $\left(\mathrm{SEA}\right)$ en comparación con la tubería de aluminio puro. Mientras que el $\left(\mathrm{SEA}\right)$ más bajo se detectó para la tubería Al-8J con un valor de aproximadamente 30,08 kJ/g. $\left(\mathrm{SEA}\right)$ de las tuberías Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2G/4J/2G y Al/8G son, respectivamente, aproximadamente 1,10, 1,15, 0,99 y 0,98 veces el de la tubería $\left(\mathrm{Al}\right)$. Está claro que envolver capas híbridas de yute/epoxi reforzado con vidrio sobre tubería $\left(\mathrm{Al}\right)$ mejora $\left(\mathrm{SEA}\right)$ de $(\ matemáticas{Al})$ tuberías.

Como se representa en la Fig. 15. El valor más alto de $\mathrm{CFE}$ se registró para la tubería Al/2J/4G/2J con un valor de aproximadamente 0,75, mientras que el valor más bajo de $\mathrm{CFE}$ fue detectado para $(\mathrm{Al})$ y tubería Al/8G con un valor de alrededor de 0.57. Hibridación de tubería $(\mathrm{Al})$ con ocho capas de yute/epoxi 7.01 y % en $\mathrm{CFE}$ de tubería $\left(\mathrm{Al}\right)$ . $\mathrm{CFE}$ de las tuberías Al/4J/4G, Al/4G/4J y Al/2G/4J/2G son, respectivamente, alrededor de 1,14, 1,14 y 1,07 veces mayor que $(\mathrm{ Al})$ tubería. Esto significa que hibridar $(\mathrm{Al})$ con yute y vidrio tiene un efecto positivo visible en el valor de $\mathrm{CFE}$.

Por lo general, los absorbedores de energía están hechos para absorber la energía de aplastamiento. Un factor crucial a considerar cuando se examina el EAC de tuberías híbridas de metal-compuesto es el mecanismo de falla42. En la Fig. 16 se incluyen fotos de muestras típicas de las vistas superiores del espécimen triturado. Es posible ver dos modos de daño. Se dividen en las siguientes categorías:

Vistas superiores de especímenes fallidos.

Enfoque I: El espécimen prístino $(\mathrm{Al})$ registró un modo asimétrico o de anillo.

Enfoque II: Inicialmente, se formaron macrofisuras en la matriz y las tuberías híbridas comenzaron a pandearse. Luego, las grietas se extienden en una dirección que se aleja de la tubería. La propagación adicional del agrietamiento de la matriz da como resultado la flexión de la lámina, la formación de pliegues internos y externos, la delaminación interlaminar, la rotura de fibras y el microagrietamiento del epoxi, como se muestra en las imágenes SEM de las muestras fallidas presentadas en la Fig. 17.

SEM para especímenes fallidos.

Cuando se diseñan tuberías híbridas de compuestos metálicos, el costo es un factor crítico en el que influyen tanto los factores de diseño como los de producción. En este estudio, los precios de los materiales usados son 5,0 $/kg para el Al 6063, 2,0 $/kg para el tejido E-glass, 1,0 $/kg para el tejido de yute y 2,0 $/kg para la resina epoxi usada. En este estudio, la relación de costo se evaluó como $\left(\mathrm{SEA}\right)$ dividido por el costo de la tubería (Al, fibra y matriz). Es obvio a partir de la Fig. 18 que las tuberías Al/2J/4G/2J, Al y Al/4G/4J lograron la relación de costo más alta con valores de 77.33, 74.01 y 73.42J.$/g, respectivamente. Las tuberías Al/2J/4G/2J, Al y Al/4G/4J son las más efectivas y podrían usarse en aplicaciones automotrices como componentes de absorción de energía. La Tabla 3 incluye el costo de cada tubo fabricado y los valores normalizados del costo de los especímenes.

Relación de costes de los ejemplares híbridos estudiados.

La Tabla 5 enumera algunos datos publicados anteriormente para $\left(\mathrm{SEA}\right)$ de absorbedores de energía hechos de compuestos reforzados naturales/sintéticos y materiales metálicos para evaluar la resistencia al impacto del material propuesto. Está claro a partir de la Tabla 4 que la combinación de envoltura de fibras híbridas naturales/sintéticas sobre tuberías de $(\mathrm{Al})$ puede mejorar el rendimiento de resistencia a choques de los absorbedores de energía de $(\mathrm{Al})$. Además, en comparación con los metales tradicionales, los compuestos reforzados con fibra y las tuberías híbridas, las tuberías propuestas demostraron un mejor rendimiento de resistencia a los choques y, como resultado, el innovador absorbedor de energía se puede emplear como componentes de absorción de energía en las estructuras de vehículos orientadas hacia adelante, es decir. , varillas resistentes a los impactos o una caja de choque y también se puede adaptar en el fuselaje de los aviones. Las cajas de choque fabricadas con los compuestos híbridos de metal/polímero propuestos se pueden diseñar para un tipo específico de carga para aplicaciones de alto rendimiento y equipos de seguridad en las industrias del transporte, como las industrias marina, aeroespacial y automotriz, como se muestra en la Fig. 19.

Aplicación recomendada para el componente de metal/polímero propuesto y cómo incorporarlo.

Este artículo explora el efecto de las secuencias de estratificación en la resistencia a choques y el mecanismo de daño de las tuberías híbridas compuestas de metal/polímero. Los tubos circulares se prepararon mediante un procedimiento de envoltura manual en húmedo y se sometieron a cargas axiales. Se han documentado las siguientes observaciones:

El proceso de secuencias de hibridación y estratificación tiene un efecto sustancial en los mecanismos de resistencia a choques y daños de las estructuras compuestas de metal/polímero. La hibridación de tuberías de $(\mathrm{Al})$ con capas de epoxi reforzado con yute y vidrio conduce a un aumento de (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$), ( ${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}})$,$(\mathrm{U})$, y $(\mathrm{CFE})$. El más alto (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$) se registró para Al/4G/4J con un valor de 87,56. El más alto (${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}})$, $(\mathrm{U})$, \(\left(\mathrm{SEA}\right)\ ), CFE y relación de costo se registraron para Al/2J/4G/2J con valores de 59.76 kN, 3885.55 J y 42.92 J/g, 0.75 y 77.33 J.$/g, respectivamente. La excepcional capacidad de absorción de energía, el bajo peso y la alta relación de costo hacen que el Al/2J/4G/2J sea adecuado para su uso como componentes de disipación de energía en automóviles.

La hibridación de tuberías $(\mathrm{Al})$ con epoxi reforzado con vidrio y yute cambia el mecanismo de falla de modo asimétrico o de anillo a pandeo, formación de macrofisuras en la matriz, propagación de grietas en la dirección periférica de la tubería. La propagación adicional de grietas conduce a la flexión de la lámina y la formación de pliegues internos y externos, deslaminación, rotura de fibras y extracción de fibras.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Financiamiento de acceso abierto proporcionado por The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en cooperación con The Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Departamento de Ingeniería de Producción y Diseño Mecánico, Universidad de Zagazig, Zagazig, 44519, Egipto

Marwa A. Abd El-Baky, Mahmoud M. Awd Allah y Walaa Abd-Elaziem

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad del Canal de Suez (SCU), Ismailia, Egipto

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MAAE: Idea, redacción-conceptualización y metodología, redacción original, investigación, redacción-revisión y edición, supervisión. MMAA: Trabajo experimental, redacción-conceptualización y metodología, elaboración de borradores originales, investigación, redacción-revisión y edición. MK: Redacción-preparación de borrador original, preparación de figuras. WA: Redacción-preparación de borrador original, preparación de figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia con Marwa A. Abd El-baky.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Elbaky, MAA, Allah, MMA, Kamel, M. et al. Materiales híbridos ligeros y rentables para aplicaciones de absorción de energía. Informe científico 12, 21101 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25533-3

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Recibido: 28 de septiembre de 2022

Aceptado: 30 de noviembre de 2022

Publicado: 06 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25533-3

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