In the present paper, a multilevel approach for the local nanobuckling analysis of carbon nanotube (CNT) based composite materials is proposed and described. The approach comprises four levels, all of them at nanoscale. The first level aims to propose the potential that describes the interatomic forces between carbon atoms. In the second level, molecular dynamics simulations are performed to extract the elastic properties of the CNT. The third level aims to determine the stiffness of the material that surrounds the CNT (matrix), using the annular membrane analysis. In the fourth level, finite strip analysis of the CNT elastically restrained by the matrix is performed to calculate the critical strain at which the CNT buckles locally. In order to achieve accurate results and take the CNT-matrix interaction into account, the $3^{rd}$ and $4^{th}$ steps may be repeated iteratively until convergence is achieved. The proposed multilevel approach is applied to several CNTs embedded in a cylindrical representative volume element and illustrated in detail. It shows that (i) the interaction between the CNT and the matrix should be taken into account and (ii) the buckling at nanoscale is sensitive to several types of local buckling modes.
Carbon fiber reinforced SiC composites (C/SiC) have high-temperature stability and excellent thermal shock resistance, and are currently being applied in extreme environments, for example, as aerospace propulsion parts or in high-performance brake systems. However, their low thermal conductivity, compared to metallic materials, are an obstacle to energy efficiency improvements via utilization of regenerative cooling systems. In order to solve this problem, the present study investigated the bonding strength between carbon fiber and matrix material within ceramic matrix composite (CMC) materials, demonstrating the relation between the microstructure and bonding, and showing that the mechanical properties and thermal conductivity may be improved by treatment of the carbon fibers. When fiber surface was treated with a nitric acid solution, the observed segment crack areas within the subsequently generated CMC increased from 6 to 10%; moreover, it was possible to enhance the thermal conductivity from 10.5 to 14 W/m·K, via the same approach. However, fiber surface treatment tends to cause mechanical damage of the final composite material by fiber etching.
The strong continuous fiber reinforced metal matrix composites (MMCs) are recently used in aerospace and transportation applications as an advanced material due to its high strength and light weight. Unidirectional fiber-metal matrix composites have superior mechanical properties along the longitudinal direction. However, the applicability of continuous fiber reinforced MMCs is somewhat limited due to their relatively poor transverse properties. Therefore, the transverse properties of MMCs are significantly influenced by the properties of the fiber/matrix interface. In order to be able to utilize these MMCs effectively and with safety, it must be determined their elastic plastic behaviors at the interface. In this study, the interfacial stress states of transversely loaded unidirectional fiber reinforced metal matrix composites investigated by using elastic-plastic finite element analysis. Different fiber volume fractions $(5-60\%)$ were studied numerically. The interlace was treated as three thin layer (with different properties) with a finite thickness between the fiber and the matrix. The fiber is modeled as transversely isotropic linear-elastic, and the matrix as isotropic elastic-plastic material. Using proposed model, the effects of the interface region and fiber arrangement in MMCs on the distributions of stress and strain are evaluated. The stress distributions of a thin multi layer interface have much less changes compared with conventional perfect interface. The analyses were based on a two-dimensional generalized plane strain model of a cross-section of an unidirectional composite by the ANSYS finite element analysis code.
A novel spherical carbon composite material, in which nanosized disordered carbons are dispersed in a soft carbon matrix, has been prepared and investigated for use as a potential anode material for lithium ion batteries. Disordered carbons were synthesized by ball milling natural graphite in air. The composite was prepared by mixing the ball-milled graphite with petroleum pitch powder, pelletizing the mixture, and pyrolyzing the pellets at $1200^{\circ}C$ in an argon flow. The ballmilled graphite consists of distorted nanocrystallites and amorphous phases. In the composite particle, nanosized flakes are uniformly distributed in a soft carbon matrix, as revealed by X-ray diffractometer (XRD) and transmission electron microscopy (TEM) experiments. The composite is compatible with a pure propylene carbonate (PC) electrolyte and shows high rate capability and excellent cycling performance. The electrochemical properties are comparable to those of hard carbon.
Metal Matrix Composite(MMC) material of 30% SiC particulate based on A1 matrix was machined by drilling and Electrical Discharge Machining (EDM) processes. When drilling process was executed, surface fracture due to brittle property near the bottom was found. It was also found the possiblity of difficult shape of EDM process for MMC material, but few the research about basic EDM characteristics. Material Removal Rate(MRR) was examined for different conditions and the surface morphology was evaluated by roughness values and Scanning Electron Microscopy(SEM) research. The higher the current is, the more MRR was obtained but the higher MRR was showed around 0.45 duty factor. The average roughness of EDMed surface was slightly changed with increased pulse current and increases with duty factor. The SEM photographs of EDMed surface showed recast region after melting.
The methodology of micromechanical finite element method (MFEM) is proposed to calculate the micromechanical strains on fiber and matrix under mechanical and thermal loadings. For micromechanical analysis, composite structure is idealized the square and hexagonal unit cells. Boundary conditions are determined to calculate the effective material properties of composites and the strain magnification matrix. And they are verified by comparing with the results from multi cells, and the strain distributions of the unit cells are in accordance with those of the multi cells. Finally, the effective material properties of composite structure are obtained with respect to its fiber volume fraction and compared with results from rules-of-mixture.
In various manufacturing industries including automotive industries, the use of lightweight materials is rapidly increasing. In the use of lightweight materials, it is obvious that enhancing their mechanical or material properties without significant weight increase is extremely beneficial. One method to enhance material properties of a lightweight material while maintaining its light weight is fabricating metal matrix composites (MMC) by adding reinforcements to the material. In the present study, recent trends in the manufacture of MMC by friction stir processing are briefly reviewed.
Fiber-reinforced concrete (FRC) is a material with increasing application in civil engineering. Here it is assumed that the material consists of a great number of rather small fibers embedded into the concrete matrix. It would be advantageous to predict the mechanical properties of FRC using nondestructive testing; unfortunately, many testing methods for concrete are not applicable to FRC. In addition, design methods for FRC are either inaccurate or complicated. In three-point bending tests of FRC prisms, it has been observed that fiber reinforcement does not break but simply pulls out during specimen failure. Following that observation, this work is based on an assumption that the main components of a simple and rather accurate FRC model are mechanical properties of the concrete matrix and fiber pullout force. Properties of the concrete matrix could be determined from measurements on samples taken during concrete production, and fiber pullout force could be measured on samples with individual fibers embedded into concrete. However, there is no clear relationship between measurements on individual samples of concrete matrix with a single fiber and properties of the produced FRC. This work presents an inverse model for FRC that establishes a relation between parameters measured on individual material samples and properties of a structure made of the composite material. However, a deterministic relationship is clearly not possible since only a single beam specimen of 60 cm could easily contain over 100000 fibers. Our inverse model assumes that the probability density function of individual fiber properties is known, and that the global sample load-displacement curve is obtained from the experiment. Thus, each fiber is stochastically characterized and accordingly parameterized. A relationship between fiber parameters and global load-displacement response, the so-called forward model, is established. From the forward model, based on Levenberg-Marquardt procedure, the inverse model is formulated and successfully applied.
Friction welding of $Al_2O_3$ particulate reinforced aluminum composites was performed and the following conclusions were drawn from the study of interfacial bonding characteristics and the relationship between experimental parameters of friction welding and interfacial bond strength. Highest bonded joint efficiency (HBJE) approaching $100\%$ was obtained from the post-brake timing, indicating that the bonding strength of the joint is close to that of the base material. For the pre-brake timing, HBJE was $65\%$. Most region of the bonded interface obtained from post-brake timing exhibited similar microstructure with the matrix or with very thin, fine-grained $Al_2O_3$ layer. This was attributed to the fact that the fine-grained $Al_2O_3$ layer forming at the bonding interface was drawn out circumferentially in this process. Joint efficiency of post-brake timing was always higher than that of pre-brake timing regardless of rotation speed employed. In order to guarantee the performance of friction welded joint similar to the efficiency of matrix, it is necessary to push out the fine-grained $Al_2O_3$ layer forming at the bonding interface circumferentially. As a result, microstructure of the bonded joint similar to that of the matrix with very thin, fine-grained $Al_2O_3$ layer can be obtained.
Furosemide retard tablets were prepared using hydroxyethylcellulose(HEC) as a matrix material. Dissolution of furosemide from this tablet was retarded significantly comparing with conventional tablets and greatly dependent on HEC concentration and pH of the dissolution medium. The mechanism of retarded release was supposed to be due to HEC gel formation and drug diffusion through the gel matrix.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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