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Jul 20, 2023

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 21101 (2022) Cita este artículo 1261 Accesos 8 Citas 1 Detalles de Altmetric Metrics El presente artículo explora experimentalmente la influencia de la fibra

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

1261 Accesos

8 citas

1 altmétrica

Detalles de métricas

El presente artículo explora experimentalmente la influencia de la hibridación de fibras y la secuencia de capas en el comportamiento a prueba de choques y el historial de deformación de tuberías de paredes delgadas de polímero/metal. Se prepararon tubos de yute (J)/vidrio (G) reforzados con epoxi sobre aluminio (Al) envueltos mediante envoltura húmeda manual y luego se sometieron a cargas de compresión axiales cuasiestáticas. Las gráficas de carga versus desplazamiento y los indicadores de choque, 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)$ fueron determinados. Los resultados experimentales revelaron que el máximo $\left(\mathrm{SEA}\right)$ se registró para tuberías de 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 las tuberías de aluminio puras. Las muestras de 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 a prueba de choques en las industrias de vehículos y ferrocarriles debido a sus numerosos beneficios, incluyendo 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 “resistencia al choque” puede definirse como la capacidad de un vehículo para resistir choques con lesiones o daños mínimos a personas o bienes3,4. El tipo de material es un factor importante que afecta el rendimiento de los dispositivos a prueba de choques5. Se pueden utilizar materiales metálicos convencionales 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 a su excelente capacidad de absorción de energía. Los composites no presentan deformación plástica debido a su fragilidad. Los materiales compuestos absorben energía mediante trituración y deslaminación7,8.

Los híbridos se han adaptado en los absorbentes de energía ya que combinan la deformación plástica de los materiales metálicos y una mayor rigidez y/o resistencia específica de los compuestos9,10. Muchos estudiosos examinaron el comportamiento ante el colapso de las tuberías híbridas. Babbage y Mallick11 estudiaron experimentalmente el rendimiento de trituración 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 rellenaron 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 colisión 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 reforzadas con vidrio S2 sobre cilindros cuadrados de acero inoxidable (St) podría alterar el modo de colapso, desde una división con baja energía total absorbida ($\mathrm{U})$ hasta un modo simétrico o mixto con alta ($\mathrm{U})$ y baja oscilación en la etapa posterior al accidente. La cantidad de capas de vidrio/epóxido 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 alveolares de plástico reforzado con fibra de carbono ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) bajo carga axial. Los resultados indicaron que la fuerza de aplastamiento máxima (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$) y ($\mathrm{U}$) de ($\mathrm{CFRP}$ ) las estructuras rellenas mejoran un 10% en comparación con las no rellenas. Al reducir $(\mathrm{Al})$ la longitud de la división del panal, $(\mathrm{U})$ aumenta gradualmente mientras que $\left(\mathrm{SEA}\right)$ disminuye. La resistencia al choque de materiales híbridos se ha estudiado en la literatura. Zhu et al.15 estudiaron los indicadores de colisión, incluido $(\mathrm{U})$, y la respuesta de falla de tres ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$ ) configuraciones sometidas a cargas axiales cuasiestáticas. A modo de comparación, se probaron cilindros vacíos ($\mathrm{Al}$) y ($\mathrm{CFRP}$). Los resultados experimentales indicaron que el cilindro Hi, es decir, ($\mathrm{Al}$) con el cilindro interior ($\mathrm{CFRP}$) 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 el cilindro ($\mathrm{CFRP}$) 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 cuasiestático de tubos híbridos ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) preparados mediante el devanado de filamento. Se informó que el ángulo de bobinado y el espesor de la pared de la muestra tienen un efecto importante sobre el mecanismo de falla y los parámetros de aplastamiento. Al aumentar el ángulo de bobinado se reduce $\left(\mathrm{SEA}\right)$, $(\mathrm{U})$ y $({\mathrm{F}}_{\mathrm{ip). }})$ de ($\mathrm{CFRP}$) y ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$) tuberías híbridas. Aumentar el espesor de la tubería ($\mathrm{CFRP}$) mejora $\left(\mathrm{SEA}\right)$, $(\mathrm{U})$ y $({\mathrm {F}}_{\mathrm{ip}})$ de ($\mathrm{CFRP}$) y ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$ ) híbridos. En un ángulo de bobinado 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 en 43,6 y 17,8 % en comparación con las prístinas (\ (\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 en un 31,9 % para tubería ($\mathrm{CFRP}$) en comparación con la prístina ($\mathrm{Al}$) y neta ($ \mathrm{CFRP}$) tuberías, respectivamente; mientras que $({\mathrm{U}}_{\mathrm{d}})$ disminuye en un 47,6% en comparación con la suma de la prístina ($\mathrm{Al}$) y ($\ mathrm{CFRP}$) tuberías, lo que significa la importancia de la hibridación en $(\mathrm{U})$. También se consideró el impacto del espesor de la pared, las dimensiones y la forma de la sección en $(\mathrm{U})$, así como la relación de costos 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 características de absorción de energía más rentables. Además, con un 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 tuberías híbridas ($\mathrm{CFRP}$)/($\mathrm{Al}$). $\left(\mathrm{SEA}\right)$ y eficiencia de la fuerza de choque $\left(\mathrm{CFE}\right)$ del ($\mathrm{CFRP}$)/(\ Se encontró que las tuberías (\mathrm{Al}\)) con sección transversal circular eran 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 fibras muestran un buen comportamiento específico de resistencia al choque que, dependiendo en gran medida de los materiales que los componen y de la disposición de las fibras, comúnmente supera a los de los metales19. Por otro lado, los metales ofrecen soluciones relativamente rentables con mecanismos de absorción de energía estables y bien comprendidos20. La combinación de metales y compuestos reforzados con fibra 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 ligera y segura que los metales y compuestos tradicionales con un coste adecuado. Esto admite estructuras híbridas de metal/compuesto que se adaptarán como un excelente sustituto en aplicaciones de choque Mahdi y El Kadi21. En este sentido, se han realizado esfuerzos para elegir los refuerzos adecuados en los composites para absorber energía extra en el modo de trituración progresiva. Investigadores recientes intentaron mitigar la utilización de fibras sintéticas costosas adaptando fibras naturales baratas, biodegradables y livianas Supian et al.22. Se han llevado a cabo varios estudios para explorar la resistencia a los choques de los compuestos reforzados con fibras naturales23,24,25,26.

Debido a sus excepcionales cualidades polivalentes y resistentes a los impactos, las construcciones híbridas de metal-compuesto se han vuelto más populares en la industria automotriz. En la literatura se encuentran muchos estudios sobre la resistencia a los choques de híbridos compuestos de metal y fibras sintéticas. Sin embargo, muy pocos trabajos se han centrado en revelar los mecanismos de absorción de energía de estructuras híbridas de compuesto de metal-fibra sintética-compuesto de fibra natural; y cómo controlar la relación calidad-precio de estas estructuras sigue siendo una cuestión 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-vidrio ($\ mathrm{G}$) tuberías híbridas epoxi reforzadas. Se han investigado los impactos del proceso de hibridación de refuerzo y las secuencias de apilamiento de capas. Las muestras se prepararon mediante deformación húmeda mediante un procedimiento de colocación manual y se probaron bajo cargas axiales cuasiestáticas. Se determinaron los indicadores de resistencia al impacto y se examinó el historial de deformaciones. Se calculó y comparó la relación de costos 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 50 mm de diámetro exterior y 2 mm de espesor. 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 de área de 200 g/m2. En la Fig. 1 se muestran imágenes de la superficie de tuberías ($\mathrm{Al}6063$), tela de yute y tela tejida de vidrio E. Kemapoxy 150RGL entregado por Chemicals for Modern Buildings Co. Ltd. (Egipto) fue nominado como una matriz. La Tabla 1 demuestra las características mecánicas del vidrio E, el 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 de Al 6063, (b) tela tejida de vidrio E y (b) tela tejida de yute.

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

Mezclar y agitar a mano el epoxi y su endurecedor tomó alrededor de 5 minutos. La mezcla se añadió uniformemente a las telas (Fig. 2a). Las telas saturadas se envolvieron sobre un tubo de aluminio tratado de 50 mm (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 una longitud de 100 mm (Fig. 2d).

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

Secuencia del proceso de fabricación.

Secuencias de apilamiento de las tuberías híbridas fabricadas.

Para garantizar una unión fuerte entre los Al-pipes, el yute y los tejidos de vidrio E, los Al-pipes se sometieron a tratamientos mecánicos y químicos. En primer lugar, las tuberías de aluminio se sometieron a un tratamiento mecánico enjuagándolas con acetona, luego alisándolas con papel de lija de grano 400, luego lavándolas con agua destilada y finalmente secándolas en un horno. En segundo lugar, las tuberías de Al tratadas mecánicamente se lavaron con ácido usando HCl con una concentración volumétrica del 11% durante 30 minutos a temperatura ambiente. Luego se sumergieron los tubos de Al durante 5 minutos a 70 °C en un disolvente de NaOH al 5% en peso. Finalmente, las tuberías de Al tratadas se lavaron y secaron para usarlas 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 metal y polímero.

Se seleccionó una máquina de prueba universal de 100 kN (Tipo: Jinan WDW, China) para realizar las pruebas cuasiestáticas a una velocidad de cruceta de 10 mm/min. La Figura 4 muestra la configuración experimental utilizada en este trabajo. Las probetas se colocaron entre dos placas planas de acero paralelas entre sí antes de comenzar la prueba. Se implementó directamente un sistema automático de adquisición de datos para registrar datos de carga-desplazamiento. Muchos autores en sus estudios sobre la resistencia al impacto confirmaron este método38,39,40. Se rastrearon e informaron los historiales de deformación de las muestras de prueba. Se registraron las curvas de carga-desplazamiento para tres muestras en cada caso, y se proporcionó y dibujó el promedio de las tres curvas. El ejemplar cuya curva se acerca más a 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. Si bien 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 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 $\left (\mathrm{CFE}\derecha)$

La carga máxima de aplastamiento (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}})$ se registra directamente a partir del gráfico de carga versus desplazamiento obtenido. Se aconseja que sea lo suficientemente compacto para evitar que el amortiguador transmita la fuerza de la colisión al coche29.

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 aplastamiento inmediata y el desplazamiento de aplastamiento completo, respectivamente.

La carga de aplastamiento media (${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}}$) puede determinarse mediante el desplazamiento total del aplastamiento 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 absorbente de energía (${\mathrm{m}}_{\mathrm{c} }$):

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

Configuración experimental utilizada en este trabajo.

Historial de carga, desplazamiento y trituración de la muestra de prueba de Al.

Historial de carga, desplazamiento y aplastamiento de la muestra de prueba de Al-8J.

Historial de carga, desplazamiento y aplastamiento para la muestra de prueba de Al/4J/4G.

Historial de carga, desplazamiento y aplastamiento para la muestra de prueba de Al/4G/4J.

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

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

Historial de carga, desplazamiento y aplastamiento de la muestra de prueba de Al/8G.

Cargas de aplastamiento iniciales y medias para probetas ensayadas.

Absorción total de energía para las probetas ensayadas.

Absorción de energía específica para las probetas ensayadas.

Eficiencia de la fuerza de trituración para muestras ensayadas.

Las gráficas de carga versus desplazamiento y las historias de deformación para tuberías $(\mathrm{Al})$ reforzadas con epoxi J/G sobre envolturas se muestran 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 el ejemplar más representativo de cada configuración.

De la Fig. 5 se desprende claramente que la muestra $(\mathrm{Al})$ se comporta linealmente hasta que se acerca a la carga máxima de 61,87 kN a 3,97 mm, luego hay una disminución repentina a 25,23 kN a 10,32 mm. Al aumentar el desplazamiento, la muestra $(\mathrm{Al})$ pura 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.

De la Fig. 6 se desprende claramente que la muestra de Al/8J se comporta linealmente hasta que se acerca a 80,88 kN a 8,06 mm, luego hay una carga abrupta que disminuye a 49,65 kN a 18,56 mm. La caída de carga va acompañada de un agrietamiento de la matriz que comienza a ocurrir en el lado superior de la tubería debido a la concentración de tensiones. Luego la gráfica carga-desplazamiento comenzó a oscilar ligeramente en la etapa post-trituración hasta llegar al inicio del área de compactación a 64.65 mm. La carga sube rápidamente al inicio de la zona de compactación. Este resultado está en línea con lo observado por Abdewi et al.41. Se pueden notar torsiones y pliegues. Como resultado del pandeo de la fibra, se registró el pandeo general de la tubería.

En la Fig. 7 se muestra el gráfico de carga versus desplazamiento y el historial de distorsión para la muestra de Al/4J/4G bajo carga cuasiestática. La tubería tiene un comportamiento lineal hasta que se acerca 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 pequeñas fluctuaciones en la zona posterior al aplastamiento hasta el comienzo de la zona de densificación a 65,01 mm. Se pueden notar arrugas, flexión de la pared y pandeo global acompañado de grietas.

La Figura 8 indica la respuesta de fuerza versus movimiento y el historial de aplastamiento para la muestra de Al/4G/4J obtenida a partir de una 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, seguido de una fuerte caída de carga a aproximadamente 46,19 kN. Luego de la caída de carga, la gráfica carga versus desplazamiento osciló en la zona post-aplastamiento hasta ingresar al inicio de la zona de compactación a 63.01 mm. Se puede notar una grieta en la matriz en el fondo de la tubería.

La Figura 9 ilustra la gráfica de carga versus desplazamiento y el historial de deformación para la muestra de Al/2J/4G/2J obtenida a partir de una prueba cuasiestática. La tubería tiene una dirección lineal hasta que se acerca a ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ de 79,33 kN a 4,59 mm, la curva carga-desplazamiento osciló en la zona posterior al aplastamiento alrededor de la carga media. hasta ingresar al inicio de la zona de compactación a 65.01 mm. Se puede notar una grieta en la matriz en el fondo de la tubería.

La Figura 10 muestra la gráfica de carga versus desplazamiento y el historial de deformación para la muestra de Al/2G/4J/2G. La tubería funciona 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 aproximadamente 20,89 kN. Después de la caída de la carga, la curva carga-desplazamiento osciló en la etapa posterior al aplastamiento hasta llegar al inicio de la zona de compactación a 70,29 mm. Se puede notar una grieta en la matriz en el fondo de la tubería.

La curva de carga versus desplazamiento y el historial de distorsión para la muestra 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, seguida de una fuerte caída de 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 posterior al aplastamiento hasta el comienzo de la zona de densificación a 72,00 mm. Se puede observar pandeo global con fractura de fibra en la muestra de Al/8G.

La Tabla 4 indica los parámetros de resistencia al choque para todas las tuberías probadas de metal/polímero. 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 revela 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 da una mejora de, respectivamente, 30,73 y 28,56% en ${\mathrm{F}}_{\mathrm {ip}}$ de la tubería $(\mathrm{Al})$. ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$ de las tuberías 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 mayor que el de la tubería de Al. Esto significa que la hibridación de $(\mathrm{Al})$ 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 las tuberías de Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2J/4G/2J y Al/2G/4J/2G son, respectivamente, aproximadamente 1,60, 1,61, 1,70 y 1,42 veces el de la tubería $(\mathrm{Al})$. Esto significa que la hibridación de $(\mathrm{Al})$ 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 absorción de energía más alta $\left(\mathrm{U}\right)$ se observó para la tubería de Al/2J/4G/2J con un valor de aproximadamente 3885,55 kJ, mientras que la más baja $ \left(\mathrm{U}\right) \mathrm{was}$ notado 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 de Al/8J, Al/4J/4G, Al/4G/4J, Al/2G/4J/2G y Al/8G son, respectivamente , aproximadamente 1,13, 1,27, 1,28, 1,21 y 1,11 veces el de la tubería $\left(\mathrm{Al}\right)$. Esto significa que la hibridación de $(\mathrm{Al})$ 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 más alto de absorción de energía específica $\left(\mathrm{SEA}\right)$ se registró para tuberías de 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 Al puro. Mientras que el $\left(\mathrm{SEA}\right)$ más bajo se detectó para tuberías de Al-8J con un valor de aproximadamente 30,08 kJ/g. $\left(\mathrm{SEA}\right)$ de las tuberías de 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/epóxido reforzado con vidrio sobre tuberías $\left(\mathrm{Al}\right)$ mejora $\left(\mathrm{SEA}\right)$ de $(\ mathrm{Al})$ tuberías.

Como se representa en la Fig. 15. El valor $\mathrm{CFE}$ más alto se registró para tuberías de Al/2J/4G/2J con un valor de aproximadamente 0,75, mientras que el $\mathrm{CFE}$ más bajo fue detectado para tuberías $(\mathrm{Al})$ y Al/8G con un valor de aproximadamente 0,57. Hibridando 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 de Al/4J/4G, Al/4G/4J y Al/2G/4J/2G son, respectivamente, aproximadamente 1,14, 1,14 y 1,07 veces más que las de $(\mathrm{ Al})$ tubería. Esto significa que la hibridación de $(\mathrm{Al})$ con yute y vidrio tiene un efecto positivo visible en el valor de $\mathrm{CFE}$.

Normalmente, los absorbentes de energía están diseñados para absorber la energía del aplastamiento. Un factor crucial a considerar al examinar el EAC de tuberías híbridas de metal-compuesto es el mecanismo de falla42. En la Fig. 16 se incluyen fotografías de muestras típicas de las vistas superiores del espécimen aplastado. 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 axisimétrico o de anillo.

Enfoque II: Inicialmente, se formaron macrofisuras en la matriz y las tuberías híbridas comenzaron a pandearse. Luego, las grietas se extendieron en dirección opuesta a 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 microfisura epoxi, como se muestra en las imágenes SEM de las muestras fallidas presentadas en la Fig. 17.

SEM para muestras fallidas.

Al diseñar tuberías híbridas de metal y compuesto, el costo es un factor crítico influenciado tanto por factores de diseño como de producción. En este estudio, los precios de los materiales usados son 5,0 $/kg para Al 6063, 2,0 $/kg para el tejido de vidrio E, 1,0 $/kg para el tejido de yute y 2,0 $/kg para la resina epoxi usada. En este estudio, la relación de costos se evaluó como $\left(\mathrm{SEA}\right)$ dividido por el costo de la tubería (Al, fibra y matriz). De la Fig. 18 se desprende claramente que las tuberías de Al/2J/4G/2J, Al y Al/4G/4J alcanzaron la relación de costos más alta con valores de 77,33, 74,01 y 73,42 J.$/g, respectivamente. Las tuberías de Al/2J/4G/2J, Al y Al/4G/4J son las más efectivas y podrían usarse en aplicaciones automotrices como componentes absorbentes de energía. La Tabla 3 incluye el costo de cada tubería fabricada y los valores normalizados del costo de las muestras.

Relación de costos de los ejemplares híbridos estudiados.

La Tabla 5 enumera algunos datos publicados anteriormente para $\left(\mathrm{SEA}\right)$ de absorbentes de energía hechos de compuestos reforzados naturales/sintéticos y materiales metálicos para evaluar la resistencia al choque del material propuesto. De la Tabla 4 se desprende claramente que la combinación de envoltura de fibras híbridas naturales/sintéticas sobre tuberías $(\mathrm{Al})$ puede mejorar el rendimiento de resistencia a choques de los absorbentes de energía $(\mathrm{Al})$. Además, en comparación con los metales tradicionales, los compuestos reforzados con fibra y los tubos híbridos, los tubos propuestos demostraron un rendimiento mejorado en cuanto a resistencia a los choques y, como resultado, el innovador absorbente de energía se puede emplear como componente de absorción de energía en la parte delantera de las estructuras de los vehículos, es decir, , varillas resistentes a impactos o una caja de choque y también se puede adaptar al fuselaje de los aviones. Las cajas protectoras fabricadas a partir de 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 industrias de transporte como la marina, aeroespacial y automotriz, como se muestra en la Fig. 19.

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

Este artículo explora el efecto de las secuencias de capas sobre la resistencia al choque y el mecanismo de daño de 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:

Los procesos de hibridación y secuencias de estratificación tienen un efecto sustancial sobre la resistencia a los choques y los mecanismos de daño de las estructuras compuestas de metal/polímero. La hibridación de tuberías $(\mathrm{Al})$ con capas de epoxi reforzadas con yute y vidrio conduce a un aumento en (${\mathrm{F}}_{\mathrm{ip}}$), ( ${\mathrm{F}}_{\mathrm{m}})$,$(\mathrm{U})$, 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 costos se registraron para Al/2J/4G/2J con valores, respectivamente, de 59.76 kN, 3885.55 J y 42.92 J/g, 0.75 y 77.33 J.$/g. La excepcional capacidad de absorción de energía, el bajo peso y la alta relación de costos hacen que 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 yute de vidrio cambia el mecanismo de falla del modo simétrico o anular al pandeo, la formación de macrogrietas en la matriz y la propagación de grietas en la dirección periférica de la tubería. La propagación adicional de grietas conduce a la flexión de la lámina y a la formación de pliegues internos y externos, delaminación, rotura de fibras y desprendimiento de fibras.

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

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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

Madeha Kamel

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MAAE: Idea, redacción-conceptualización y metodología, elaboración de borradores originales, investigación, redacción-revisión y edición, supervisión. MMAA: Trabajo experimental, redacción-conceptualización y metodología, elaboración de borradores originales, investigación, redacción-revisión y edición. MK: Redacción-elaboración de borradores originales, elaboración de figuras. WA: Redacción-preparación de borradores originales, 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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El-baky, MAA, Allah, MMA, Kamel, M. et al. Materiales híbridos livianos y rentables para aplicaciones de absorción de energía. Representante 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 de diciembre de 2022

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

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