Published April 7, 2023 | Version v1
Publication Open

Fabrication and mechanical properties of metakaolin‐based geopolymer composites reinforced with auxetic fabrics

Creators

  • 1. University of Illinois Urbana-Champaign
  • 2. Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro
  • 3. American Ceramic Society

Description

Abstract This work presents a novel experimental study on the use of auxetic fabrics as the main reinforcement in geopolymer composites, aiming at higher energy dissipation in impact demanding applications. For this, a potassium‐based geopolymer was reinforced with an auxetic fabric consisting of basalt fiber fillings positioned between helical auxetic yarns (HAY) made of a thermoplastic polyester core, and a stiffer liquid‐crystal polymer wrap, which dispersed the load demands into several single elements having different capabilities. The composites were investigated under quasi‐static flexural and tensile loadings, in both longitudinal and transverse directions. The latter showed increased mechanical strengths, up to 26 MPa in tension, and 12.8 MPa in flexural strength. Each fiber portion was tested in tension separately, reaching flexible (core) and stiffer (wrap and basalt) responses, whereas HAYs displayed combined performances due to a suitable auxeticity effect, that is, a negative Poisson's ratio. The pullout investigation justified the cracking and delamination of the composites, due to its cyclic lateral area modification, which created a load demand much higher than what the brittle geopolymer can sustain in this type of solicitation. Thermogravimetric analyses helped to predict the use of such configurations under thermal exposure, pointing out that the geopolymer material could be a suitable thermal barrier to prevent sudden degradation of the fabric under these conditions.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص يقدم هذا العمل دراسة تجريبية جديدة حول استخدام الأقمشة المساعدة باعتبارها التعزيز الرئيسي في مركبات البوليمر الأرضي، بهدف تبديد طاقة أعلى في التطبيقات التي تتطلب التأثير. ولهذا الغرض، تم تعزيز بوليمر جيولوجي قائمعلى البوتاسيوم بنسيج مساعد يتكون من حشوات ألياف بازلتية موضوعة بين خيوط مساعدة حلزونية (HAY) مصنوعة من قلب بوليستر لدن بالحرارة، ولف بوليمر بلوري سائل أكثر صلابة، مما أدى إلى تشتيت متطلبات الحمل إلى عدة عناصر مفردة لها قدرات مختلفة. تم فحص المواد المركبة تحت أحمال ثني وشد شبهثابتة، في كل من الاتجاهين الطولي والعرضي. أظهر الأخير زيادة في القوة الميكانيكية، تصل إلى 26 ميجا باسكال في الشد، و 12.8 ميجا باسكال في قوة الانحناء. تم اختبار كل جزء من الألياف في التوتر بشكل منفصل، والوصول إلى استجابات مرنة (أساسية) وأكثر صلابة (التفاف والبازلت)، في حين أظهرت HAYs أداءً مشتركًا بسبب تأثير زيادة مناسبة، أي نسبة بواسون السلبية. برر تحقيق الانسحاب تكسير وفصل المواد المركبة، بسبب تعديل المنطقة الجانبية الدورية، مما خلق طلبًا على الحمل أعلى بكثير مما يمكن أن يتحمله البوليمر الجيولوجي الهش في هذا النوع من الالتماس. ساعدت التحليلات الحرارية على التنبؤ باستخدام هذه التكوينات تحت التعرض الحراري، مشيرة إلى أن مادة البوليمر الأرضي يمكن أن تكون حاجزًا حراريًا مناسبًا لمنع التدهور المفاجئ للنسيج في ظل هذه الظروف.

Translated Description (French)

Résumé Ce travail présente une nouvelle étude expérimentale sur l'utilisation des tissus auxétiques comme principal renfort dans les composites géopolymères, visant à une dissipation d'énergie plus élevée dans les applications exigeantes en impact. Pour cela, un géopolymère à base de potassium a été renforcé avec un tissu auxétique composé de garnitures en fibres de basalte positionnées entre des fils auxétiques hélicoïdaux (FOIN) faits d'un noyau de polyester thermoplastique, et une enveloppe polymère à cristaux liquides plus rigide, qui dispersait les demandes de charge en plusieurs éléments uniques ayant des capacités différentes. Les composites ont été étudiés sous des charges de flexion et de traction quasi statiques, dans les directions longitudinale et transversale. Ce dernier présentait des résistances mécaniques accrues, jusqu'à 26 MPa en traction, et 12,8 MPa en résistance à la flexion. Chaque portion de fibre a été testée en tension séparément, atteignant des réponses flexibles (cœur) et plus rigides (enveloppement et basalte), tandis que les HAY ont affiché des performances combinées en raison d'un effet d'auxéticité approprié, c'est-à-dire un rapport de Poisson négatif. L'enquête de retrait a justifié la fissuration et le délaminage des composites, en raison de sa modification cyclique de la zone latérale, qui a créé une demande de charge beaucoup plus élevée que ce que le géopolymère fragile peut supporter dans ce type de sollicitation. Les analyses thermogravimétriques ont permis de prédire l'utilisation de telles configurations sous exposition thermique, soulignant que le matériau géopolymère pourrait être une barrière thermique appropriée pour empêcher une dégradation soudaine du tissu dans ces conditions.

Translated Description (Spanish)

Resumen Este trabajo presenta un nuevo estudio experimental sobre el uso de tejidos auxéticos como el principal refuerzo en compuestos geopoliméricos, con el objetivo de una mayor disipación de energía en aplicaciones exigentes de impacto. Para esto, se reforzó un geopolímero a base de potasio con un tejido auxético que consiste en rellenos de fibra de basalto colocados entre hilos auxéticos helicoidales (HENO) hechos de un núcleo de poliéster termoplástico y una envoltura de polímero decristal líquido más rígida, que dispersó las demandas de carga en varios elementos individuales que tienen diferentes capacidades. Los compuestos se investigaron bajo cargas de flexión y tracción casi estáticas, tanto en dirección longitudinal como transversal. Estos últimos mostraron mayores resistencias mecánicas, hasta 26 MPa en tensión, y 12,8 MPa en resistencia a la flexión. Cada porción de fibra se probó en tensión por separado, alcanzando respuestas flexibles (núcleo) y más rígidas (envoltura y basalto), mientras que los HAY mostraron rendimientos combinados debido a un efecto de auxeticidad adecuado, es decir, una relación de Poisson negativa. La investigación de extracción justificó el agrietamiento y la delaminación de los compuestos, debido a su modificación cíclica del área lateral, lo que creó una demanda de carga mucho más alta de lo que el quebradizo geopolímero puede sostener en este tipo de solicitud. Los análisis termogravimétricos ayudaron a predecir el uso de tales configuraciones bajo exposición térmica, señalando que el material geopolimérico podría ser una barrera térmica adecuada para evitar la degradación repentina del tejido en estas condiciones.

Files

jace.19105.pdf

Files (15.9 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:91a19e7923da0d446dad822561db4187
15.9 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التصنيع والخصائص الميكانيكية لمركبات البوليمر الجيولوجي القائمةعلى metakaolin والمدعومة بأقمشة مساعدة
Translated title (French)
Fabrication et propriétés mécaniques des composites géopolymères àbase de métakaolin renforcés de tissus auxétiques
Translated title (Spanish)
Fabricación y propiedades mecánicas de compuestos geopoliméricos abase de metacaolín reforzados con telas auxéticas

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4360860191
DOI
10.1111/jace.19105

Is supplement to
https://openalex.org/W3009746194 (Other)
https://openalex.org/W2944045227 (Other)
https://openalex.org/W2795554382 (Other)
https://openalex.org/W2789571739 (Other)
https://openalex.org/W2729932191 (Other)
https://openalex.org/W2369502194 (Other)
https://openalex.org/W2116664297 (Other)
https://openalex.org/W2089085266 (Other)
https://openalex.org/W2025687592 (Other)
https://openalex.org/W1523347879 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Brazil

References

  • https://openalex.org/W142573031
  • https://openalex.org/W1500361959
  • https://openalex.org/W1558793866
  • https://openalex.org/W1964198884
  • https://openalex.org/W1968283876
  • https://openalex.org/W1970464918
  • https://openalex.org/W1976126033
  • https://openalex.org/W1982019601
  • https://openalex.org/W2001421984
  • https://openalex.org/W2011177372
  • https://openalex.org/W2046427086
  • https://openalex.org/W2049286683
  • https://openalex.org/W2061850349
  • https://openalex.org/W2085825406
  • https://openalex.org/W2088267461
  • https://openalex.org/W2113418088
  • https://openalex.org/W2151182298
  • https://openalex.org/W2217975486
  • https://openalex.org/W2525779146
  • https://openalex.org/W2604266762
  • https://openalex.org/W2783713542
  • https://openalex.org/W2931052713
  • https://openalex.org/W2931201015
  • https://openalex.org/W2999498538
  • https://openalex.org/W3007089105
  • https://openalex.org/W3013800591
  • https://openalex.org/W3030024051
  • https://openalex.org/W3037568798
  • https://openalex.org/W3081991874
  • https://openalex.org/W3114096151
  • https://openalex.org/W3183463743
  • https://openalex.org/W3197572258
  • https://openalex.org/W3216374174
  • https://openalex.org/W4200421021
  • https://openalex.org/W4220708246