مقاله بررسی كامپوزیت‌ها و کاربرد آنها

مقاله بررسی كامپوزیت‌ها و کاربرد آنها در 117 صفحه ورد قابل ویرایش 

كامپوزیت‌ها چه هستند؟

ماده كامپوزیتی از تركیب دو یا چند ماده ساخته می شود تا خواص تركیبی بی نظیری را ایجاد كند . البته بیان فوق یك تعریف كلی است و می‌تواند آلیاژهای فلزی، پلیمرهیا پلاستیكی ،‌مواد معدنی . چوب را در بگیرد. «مواد كامپوزیتی مسلح شده با الیاف» با مواد فوق فرق دارند. زیرا اجزای سازنده‌ی این مواد از نظر مولكولی با هم فرق دارند و بصورت مكانیكی قابل جدا شدن هستند. بطور كلی اجزای تشكیل دهنده‌ی مسلح شده با عم عمل می‌كنند، اما در عین حال شكل اصلی خود را حفظ می كنند. خواص نهایی ماده‌‌ی كامپوزیتی از خواص مواد تشكیل دهنده‌ی آن به مراتب بهتر است.

ایده ساخت كامپوزیت‌ها توسط بشر كشف نشد، بلكه این مواد در طبیعت وجود دارند. برای مثال چوب كه از تركیبی از الیاف سلولزی در زمینه چسبی به نام لیگنین تشكیل شده است، یك كامپوزیت است. صدف جانوران بی‌مهره مثل حلزون و صدف خوراكی مثال دیگری از كامپوزیت‌ها است. بعضی از پوسته صدفها از كامپوزیت‌های پیشرفته‌ای كه بدست بشر ساخته شده، سختتر و محكمتر است. دانشمندان كشف كرده‌اند الیاف كه از شبكه تار عنكبوت بدست می‌آیند از الیافی كه بطور مصنوعی تولید می‌شوند، محكمتر است. در هند،‌یونان و دیگر كشورها، صدها سال بود كه از مخلوط سبوس یا كاه با خاك رس برای ساختمان‌سازی استفاده می شد. مخلوط سبوس و خاك اره با خاك رس مثالی از «كامپوزیت با ذرات ریز» و مخلوط خاك رس با كاه نمونه ای از «كامپوزیت‌ الیاف كوتاه» است. این مواد مسلح كننده برای بهبود كارائی كامپوزیت اضافه می شود.

مفهوم اصلی كامپوزیت به معنی دارا بودن یك ماده زمینه‌ای (ماتریس) مناسب است. معمولاً مواد كامپوزیتی بوسیله الیاف مسلح كننده دریك زمینه رزیتی ساخته می‌شوند. مسلح كننده‌ها می‌توانند الیاف، ویسكرها و .. بوده و زمینه می‌تواند از جنس فلزات، سرامیكها یا پلاستیك‌ها باشند.

مسلح كننده‌ها می‌توانند از پلیمرها،‌پلاستیكها، و فلزات ساخته شوند. الیاف می‌توانند بصورت بهم پیوسته، زنجیره‌های بلند یا كوتاه باشند. كامپوزیت‌هایی كه با زمینه پلیمری ساخته می‌شوند، رایج‌تر هستند و بطور وسیع در صنایع مختلف بكار می‌روند. در این كتاب كامپوزیت‌هایی كه زمینه‌ی آنها از جنس رزین برپایه پلیمری است، بررسی می شوند. این مواد می‌توانند جزء «رزیتهای ترموست» یا «رزینهای ترموپلاستیك» باشند.

بافت یا الیاف مسلح كننده باعث استحكام و سختی كامپوزیت می شود. در حالیكه زمینه سبب سختی و مقاومت به خوردگی كامپوزیت می گردد. الیاف مسلح كننده می‌تواند بصورت شكلهای مختلفی از الیاف پیوسته بلند با بافتهای موجدار تا الیاف كوتاه تكه‌تكه و حصیری (درهم گیركرده) وجود داشته باشند. هریك از این اشكال خواص مختلفی را ایجاد می‌كنند. این خواص شدیداً به روشی كه الیاف در كامپوزیت قرار داده می‌شوند، بستگی دارد. دریك كامپوزیت تمامی شكلهای فوق‌الذكر و یا یكی از آنها می‌تواندت مورد استفاده قرار گیرد. موضوع مهمی كه در مورد كامپوزیت‌ها بایستی در نظر گرفته شود این است كه الیاف نیرو تحمل می‌كند و لذا حداكثر استحكام كامپوزیت در راستای محور الیاف است. وجود الیاف بلند پیوسته در جهت اعمال نیرو باعث می شود كه خواص كامپوزیت كاملاً با خواص رزین متفاوت باشد. كامپوزیتی دارای الیاف به شكل بصورت تكه‌های كوچك است، خواص ضعیفتری نستب به كامپوزیتی كه الیاف آن بصورت پیوسته است، از خود نشان می‌دهد. شكل الیاف برحسب نوع كاربرد (مهندسی یا غیرمهندسی) و روش ساخت انتخاب می شود . برای كاربر دهای مهندسی (ساختمانی)، الیاف پیوسته یا بلند پیشنهاد می شود. در حالیكه برای كاربردهای غیرمهندسی (غیرساختمانی) الیاف كوتاه انتخاب می شود. در ریخته‌گری تزریقی و ریخته‌گری تحت فشار از الیاف كوتاه، در حالیكه در تابیدن تارها،‌بسته‌بندیهای رولری و پولتروژن از الیاف پیوسته استفاده می شود.

3-1 نحوه عملكرد الیاف و زمینه

ماده كامپوزیتی با مسلح كردن پلاستیك‌ها توسط الیاف تشكیل می‌شوند برای درك بهتر رفتار كامپوزیت‌ها، باید اطلاعات دقیقی از نقش الیاف و مواد زمینه در كامپوزیت‌ها در دسترس باشد،‌مهمترین وظایف الیاف و زمینه كامپوزیت‌ها بشرح زیر است:

وظایف مهم و اصلی الیاف در كامپوزیتها عبارتند از:

        §  تحمل بار و نیرو؛ در یك كامپوزیت ساختمانی(مهندسی) 70% تا 90% نیرو توسط الیاف تحمل می شود.

        § سختی، استحكام، پایداری گرمایی و بقیه‌ی خواص ساختاری در كامپوزیت‌ها به الیاف آن بستگی دارد.

        § هدایت الكتریكی یا عایق بودن كامپوزیت‌‌، به نوع الیاف مورد استفاده در آن بستگی دارد. 

زمینه (ماده‌ی زمینه‌) وظایف زیر را در ساختار كامپوزیت انجام می‌دهد. بسیاری از این وظایف برای عملكرد مطلوب یك ماده‌ی كامپوزیت ضروری است. الیاف موجد در زمینه و یا خود الیاف به تنهایی بدون حضور ماده‌ی زمینه و یا یك چسب بندرت استفاده می شود. وظایف مهم زمینه كامپوزیت شامل موارد زیر است.

    §  زمینه؛ الیاف را به هم پیوند می‌دهد و بار وارده به كامپوزیت را به الیاف را منتقل می‌كند. زمینه، به ساختار ماده ی كامپوزیتی سختی،‌یكپارچگی و شكل می‌بخشد.

    § زمینه؛ الیاف را ایزوله می‌كند. بطوریكه تكه‌تكه الیاف می‌توانند به طور جداگانه نقش خود را ایفا كنند. این عمل تجمع آنها را كاهش داد ویا آن را متوقف می‌كند.

        § زمینه؛ سطحی با كیفیت پرداخت خوب بوجود آورده و كمك می‌كند كه محصول دارای شكل نهایی یا نزدیك به آن باشد.

        § زمینه از الیاف در مقابل هجوم شیمیایی و آسیبهای مكانیكی (سایش) محافظت می‌كند.

    § خواص شكل دهد از قبیل : انعطاف پذیری، استحكام فشاری و … به نوع ماده زمینه بستگی دارد. زمینه انعطاف‌پذیر باعث افزایش چقرمگی ساختار می شود و در جائیكه به چقرمگی بیشتری نیاز باشد از كامپوزیت‌ها با زمینه ترموپلاستیك استفاده می شود.

    § نحوه شكست ماده‌ی كامپوزیت، نه تنها بشدت به نوع ماده‌ی زمینه‌ی بستگی دارد، بلكه به میزان سازگاری آن با الیاف نیز وابسته است.

  -5-8-6 مزایای فرآیند پولتروژن

پولتروژن یك فرآیند خودكار با مزایای زیر است:

1)  فرآیند پیوسته بوده و می توان آنرا را بدست آوردن قطعه نهایی بطور كامل خودكار كرد، كه برای تولید انبوه قطعه های كامپوزیت بسیار مناسب است. نمونه ای از سرعت تولید 2 تا 10 فوت بر دقیقه می باشد.

2)  این فرآیند، الیاف و سیستم های رزین كم هزینه را به مصرف می رساند. بنابراین تولید محصولات تجاری كم هزینه و كم قیمت فراهم می كند.

8-5-8-6 محدودیت های فرآیند پولتروژن

اجزا یا قطعات پولترود شده درمقیاس وسیع درزیر سازی، ساخت و محصولات مصرفی به دلیل هزینه كمتر استفاده می شد با این وجود پولتروژن دارای محدودیتهای زیر است:

1)  این فرآیند برای قطعاتی كه دارای سطح مقطع ثابت درطولشان می باشد، مناسب است . شكلهای مخروطی و پیچیده را نمی تواند با این روش تولید كرد.

2)     قطعات باتلرانس بسیار دقیق درابعاد داخلی و خارجی را نمی توان با استفاده از فرآیند پولتروژن تولید نمود.

3)     قطعات دیواره نازك را نمی توان تولید كرد.

4)  زاویه های الیاف درروی قطعات پولترود شده محدود به صفر درجه می  باشند. ازلایه های بافته شده برای بدست آوردن خواص دو جهته استفاده می  شود.

5)  سازه هایی كه به بارگیری پیچیده نیاز دارند، را نمی توان با این فرآیند تولید كرد، زیرا بیشتر خواص به جهت محوری محدود می شود.

6-8-6 فرآیند قالب گیری انتقالی رزین

 فرآیند قالب گیری انتقالی رزین (RTM) به عنوان فرایند قالب گیری انتقال مایع شناخته شده است. اگر چه فرایند های قالب گیری تزریقی و فشاری به عنوان روشهای تولید انبوه توسعه پیدا كرده اند. بیشتر كاربرد آنها به دلیل استفاده از قالب گیری مواد تركیبی (كامپوزیت های با الیاف كوتاه) به كاربردهای غیرساختاری محدود می  شد، درمقابل این فرآیند های قالب گیری، فرایند RTM، تولید قطعات ساختاری با هزینه مناسب درمقادیر با حجم متوسط با استفاده از ابزارهای ارزان قیمت را میسر می  سازد. RTM، ساخت قطعات پیچیده نزدیك به شكل با جهات الیاف كنترل شده را رائه می دهد. معمولاً از الیاف پیوسته درفرآیند RTM استفاده می‌شود.

درفرآ‎یند RTM، شكل دهی درمحفظه قالب انجام می شود، ابتدا، نیمه متناظر قالب با نیمه دیگر منطبق شده و به یكدیگر محكم بسته می  شود. سپس با استفاده از تجهیزات توزیع، تركیب فشرده شده از رزین ترموست، كاتالیزور، رنگ، پركنند و … با استفاده از راهكارهگاههای تكی یا چند گانه به درون قالب پمپ می‌شود. بعد از پخت (عمل آوری) به مدت 6 تا 30 دقیقه بسته به سرعت واكنش پخت (عمل آوری) تركیب، قطعه از درون قالب خارج می  شود. بنابراین، RTM منجر به تولید قطعات ساختاری با سطح نهایی خوب در هر دو طرف قطعه می‌شود.

موضوعات اصلی در فرآیند RTM، جریان رزین، پخت (عمل آوری)، انتقال حرارت دركانالهای تخلخل می ‌باشد. این فرآیند شامل تزریق رزین ترموست مخلوط شده  با كاتالیزور تحت فشار به محفظه قالب گرم كه حاوی الیاف قبلاً‌ شكل دهی شده است، می باشد. درطی پر شدن قالب،رزین به درون قالب جاری می شود و واكنش های گرماده پخت (عمل آوری) باعث می‌شود كه سرعت آن هر لحظه افزایش یابد و سرانجام منجمد می شود. بعد از اینكه الیاف بطور كامل با رزین اشباع شد، واكنش های پخت (عمل آوری) با گذشتن از نقطه ژلی ادامه می یابد تا پلیمر با زنجیرهای متقاطع تشكیل شود.

فرآیند RTM، یك عملیات قالب بسته است. دراین فرآیند، الیاف خشك قبلاً شكل داده شده را در داخل قالب قرار می  دهند و سپس رزین ترموست از طریق یك دهانه تزریق می  شود، تا قالب با رزین پر شود. پس از این كه رزین پخته شد، قطعه از درون قالب خارج می گردد.

1-6-8-6-كاربردهای اصلی

فرآیند RTM برای ساخت قطعات كوچك تا بزرگ درمقادیر باحجم كم تا متوسط مناسب است. RTM در صنایع اتومبیل سازی، هواپیما سازی (هوافضا)، كالاهای ورزشی و محصولات مصرفی استفاده می  شود. نمونه ای از قعطات ساخته شده عبارت از، كالاهای ایمنی آتش نشانها و كارگران، درها، چوب هاكی، بدنه دوچرخه، تیغه های آسیاب بادی، بدنه های اتومبیلهای ورزشی، بدنه های مستطیل شكل اتومبیل و قعطات هواپیما می  باشد. بعضی از قعطات هواپیما ساخته شده بوسیله فرآیند RTM، شامل تیرها  دیوارها، چرخدنده ها و محكم كننده های سطح كنترل، پوششهای روی بدنه هواپیما برای كاهش مقاومت هوا، بلوكهای جدا كننده می باشد. قالب های دوشاخه ازیك انطباق ضریب انبساط حرارتی صفحه نیكل و همچنین فراهم كردن هدایت حرارتی بالاتر فرموله می شوند. مجموعه های از گرم كننده های الكتریكی و سرد كننده آبی بمقدار زیادی چرخه حرارتی سریعی راتأمین می كند. از سرد كننده با هوا، جهت كنترل افزایش دما درطرفی كه دما به طور سریع بالا می رود، برای جلوگیری از افزایش بیش ازحد دما استفاده می‌شود.  از سرد كننده با آب برای سرد كردن سریع طرفی كه دمای بالاتری دارد، استفاده می  شود. قالبها دریك دستگاه پرس رفت و برگشتی با یك مجموعه از سیستم كنترل فرآیند بكار می روند.