مقاله بررسی کامپوزیتها و کاربرد آنها در 117 صفحه ورد قابل ویرایش
کامپوزیتها چه هستند؟
ماده کامپوزیتی از ترکیب دو یا چند ماده ساخته می شود تا خواص ترکیبی بی نظیری را ایجاد کند . البته بیان فوق یک تعریف کلی است و می‌تواند آلیاژهای فلزی، پلیمرهیا پلاستیکی ،مواد معدنی . چوب را در بگیرد. «مواد کامپوزیتی مسلح شده با الیاف» با مواد فوق فرق دارند. زیرا اجزای سازنده‌ی این مواد از نظر مولکولی با هم فرق دارند و بصورت مکانیکی قابل جدا شدن هستند. بطور کلی اجزای تشکیل دهنده‌ی مسلح شده با عم عمل می‌کنند، اما در عین حال شکل اصلی خود را حفظ می کنند. خواص نهایی مادهی کامپوزیتی از خواص مواد تشکیل دهنده‌ی آن به مراتب بهتر است.
ایده ساخت کامپوزیتها توسط بشر کشف نشد، بلکه این مواد در طبیعت وجود دارند. برای مثال چوب که از ترکیبی از الیاف سلولزی در زمینه چسبی به نام لیگنین تشکیل شده است، یک کامپوزیت است. صدف جانوران بی‌مهره مثل حلزون و صدف خوراکی مثال دیگری از کامپوزیتها است. بعضی از پوسته صدفها از کامپوزیت‌های پیشرفته‌ای که بدست بشر ساخته شده، سختتر و محکمتر است. دانشمندان کشف کرده‌اند الیاف که از شبکه تار عنکبوت بدست می‌آیند از الیافی که بطور مصنوعی تولید می‌شوند، محکمتر است. در هند،یونان و دیگر کشورها، صدها سال بود که از مخلوط سبوس یا کاه با خاک رس برای ساختمان‌سازی استفاده می شد. مخلوط سبوس و خاک اره با خاک رس مثالی از «کامپوزیت با ذرات ریز» و مخلوط خاک رس با کاه نمونه ای از «کامپوزیت الیاف کوتاه» است. این مواد مسلح کننده برای بهبود کارائی کامپوزیت اضافه می شود.
مفهوم اصلی کامپوزیت به معنی دارا بودن یک ماده زمینه‌ای (ماتریس) مناسب است. معمولاً مواد کامپوزیتی بوسیله الیاف مسلح کننده دریک زمینه رزیتی ساخته می‌شوند. مسلح کننده‌ها می‌توانند الیاف، ویسکرها و .. بوده و زمینه می‌تواند از جنس فلزات، سرامیکها یا پلاستیکها باشند.
مسلح کننده‌ها می‌توانند از پلیمرها،پلاستیکها، و فلزات ساخته شوند. الیاف می‌توانند بصورت بهم پیوسته، زنجیره‌های بلند یا کوتاه باشند. کامپوزیت‌هایی که با زمینه پلیمری ساخته می‌شوند، رایج‌تر هستند و بطور وسیع در صنایع مختلف بکار می‌روند. در این کتاب کامپوزیت‌هایی که زمینه‌ی آنها از جنس رزین برپایه پلیمری است، بررسی می شوند. این مواد می‌توانند جزء «رزیتهای ترموست» یا «رزینهای ترموپلاستیک» باشند.
بافت یا الیاف مسلح کننده باعث استحکام و سختی کامپوزیت می شود. در حالیکه زمینه سبب سختی و مقاومت به خوردگی کامپوزیت می گردد. الیاف مسلح کننده می‌تواند بصورت شکلهای مختلفی از الیاف پیوسته بلند با بافتهای موجدار تا الیاف کوتاه تکه‌تکه و حصیری (درهم گیرکرده) وجود داشته باشند. هریک از این اشکال خواص مختلفی را ایجاد می‌کنند. این خواص شدیداً به روشی که الیاف در کامپوزیت قرار داده می‌شوند، بستگی دارد. دریک کامپوزیت تمامی شکلهای فوق‌الذکر و یا یکی از آنها می‌تواندت مورد استفاده قرار گیرد. موضوع مهمی که در مورد کامپوزیتها بایستی در نظر گرفته شود این است که الیاف نیرو تحمل می‌کند و لذا حداکثر استحکام کامپوزیت در راستای محور الیاف است. وجود الیاف بلند پیوسته در جهت اعمال نیرو باعث می شود که خواص کامپوزیت کاملاً با خواص رزین متفاوت باشد. کامپوزیتی دارای الیاف به شکل بصورت تکه‌های کوچک است، خواص ضعیفتری نستب به کامپوزیتی که الیاف آن بصورت پیوسته است، از خود نشان می‌دهد. شکل الیاف برحسب نوع کاربرد (مهندسی یا غیرمهندسی) و روش ساخت انتخاب می شود . برای کاربر دهای مهندسی (ساختمانی)، الیاف پیوسته یا بلند پیشنهاد می شود. در حالیکه برای کاربردهای غیرمهندسی (غیرساختمانی) الیاف کوتاه انتخاب می شود. در ریخته‌گری تزریقی و ریخته‌گری تحت فشار از الیاف کوتاه، در حالیکه در تابیدن تارها،بسته‌بندیهای رولری و پولتروژن از الیاف پیوسته استفاده می شود.
3-1 نحوه عملکرد الیاف و زمینه
ماده کامپوزیتی با مسلح کردن پلاستیکها توسط الیاف تشکیل می‌شوند برای درک بهتر رفتار کامپوزیتها، باید اطلاعات دقیقی از نقش الیاف و مواد زمینه در کامپوزیتها در دسترس باشد،مهمترین وظایف الیاف و زمینه کامپوزیتها بشرح زیر است:
وظایف مهم و اصلی الیاف در کامپوزیتها عبارتند از:
§ تحمل بار و نیرو؛ در یک کامپوزیت ساختمانی(مهندسی) 70% تا 90% نیرو توسط الیاف تحمل می شود.
§ سختی، استحکام، پایداری گرمایی و بقیه‌ی خواص ساختاری در کامپوزیتها به الیاف آن بستگی دارد.
§ هدایت الکتریکی یا عایق بودن کامپوزیت، به نوع الیاف مورد استفاده در آن بستگی دارد.
زمینه (مادهی زمینه) وظایف زیر را در ساختار کامپوزیت انجام می‌دهد. بسیاری از این وظایف برای عملکرد مطلوب یک مادهی کامپوزیت ضروری است. الیاف موجد در زمینه و یا خود الیاف به تنهایی بدون حضور مادهی زمینه و یا یک چسب بندرت استفاده می شود. وظایف مهم زمینه کامپوزیت شامل موارد زیر است.
§ زمینه؛ الیاف را به هم پیوند می‌دهد و بار وارده به کامپوزیت را به الیاف را منتقل می‌کند. زمینه، به ساختار ماده ی کامپوزیتی سختی،یکپارچگی و شکل می‌بخشد.
§ زمینه؛ الیاف را ایزوله می‌کند. بطوریکه تکه‌تکه الیاف می‌توانند به طور جداگانه نقش خود را ایفا کنند. این عمل تجمع آنها را کاهش داد ویا آن را متوقف می‌کند.
§ زمینه؛ سطحی با کیفیت پرداخت خوب بوجود آورده و کمک می‌کند که محصول دارای شکل نهایی یا نزدیک به آن باشد.
§ زمینه از الیاف در مقابل هجوم شیمیایی و آسیبهای مکانیکی (سایش) محافظت می‌کند.
§ خواص شکل دهد از قبیل : انعطاف پذیری، استحکام فشاری و … به نوع ماده زمینه بستگی دارد. زمینه انعطاف‌پذیر باعث افزایش چقرمگی ساختار می شود و در جائیکه به چقرمگی بیشتری نیاز باشد از کامپوزیتها با زمینه ترموپلاستیک استفاده می شود.
§ نحوه شکست مادهی کامپوزیت، نه تنها بشدت به نوع مادهی زمینه‌ی بستگی دارد، بلکه به میزان سازگاری آن با الیاف نیز وابسته است.
-5-8-6 مزایای فرآیند پولتروژن
پولتروژن یک فرآیند خودکار با مزایای زیر است:
1) فرآیند پیوسته بوده و می توان آنرا را بدست آوردن قطعه نهایی بطور کامل خودکار کرد، که برای تولید انبوه قطعه های کامپوزیت بسیار مناسب است. نمونه ای از سرعت تولید 2 تا 10 فوت بر دقیقه می باشد.
2) این فرآیند، الیاف و سیستم های رزین کم هزینه را به مصرف می رساند. بنابراین تولید محصولات تجاری کم هزینه و کم قیمت فراهم می کند.
8-5-8-6 محدودیت های فرآیند پولتروژن
اجزا یا قطعات پولترود شده درمقیاس وسیع درزیر سازی، ساخت و محصولات مصرفی به دلیل هزینه کمتر استفاده می شد با این وجود پولتروژن دارای محدودیتهای زیر است:
1) این فرآیند برای قطعاتی که دارای سطح مقطع ثابت درطولشان می باشد، مناسب است . شکلهای مخروطی و پیچیده را نمی تواند با این روش تولید کرد.
2) قطعات باتلرانس بسیار دقیق درابعاد داخلی و خارجی را نمی توان با استفاده از فرآیند پولتروژن تولید نمود.
3) قطعات دیواره نازک را نمی توان تولید کرد.
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 که به بارگیری پیچیده نیاز دارند، را نمی توان با این فرآیند تولید کرد، 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 کرده اند. بیشتر کاربرد آنها به دلیل استفاده از قالب گیری مواد ترکیبی (کامپوزیت های با الیاف کوتاه) به کاربردهای 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 نزدیک به شکل با جهات الیاف کنترل شده را رائه می دهد. معمولاً از الیاف پیوسته درفرآیند RTM استفاده می‌شود.
درفرآیند RTM، شکل دهی درمحفظه قالب انجام می شود، ابتدا، نیمه متناظر قالب با نیمه دیگر منطبق شده و به یکدیگر محکم بسته می شود. سپس با استفاده از تجهیزات توزیع، ترکیب فشرده شده از رزین ترموست، کاتالیزور، رنگ، پرکنند و … با استفاده از راهکارهگاههای تکی یا چند گانه به درون قالب پمپ می‌شود. بعد از پخت (عمل آوری) به مدت 6 تا 30 دقیقه بسته به سرعت واکنش پخت (عمل آوری) ترکیب، 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 درکانالهای تخلخل می باشد. این فرآیند شامل تزریق رزین ترموست مخلوط شده با کاتالیزور تحت فشار به محفظه قالب گرم که حاوی الیاف قبلاً شکل دهی شده است، می باشد. درطی پر شدن قالب،رزین به درون قالب جاری می شود و واکنش های گرماده پخت (عمل آوری) باعث می‌شود که سرعت آن هر لحظه افزایش یابد و سرانجام منجمد می شود. بعد از اینکه الیاف بطور کامل با رزین اشباع شد، واکنش های پخت (عمل آوری) با گذشتن از نقطه ژلی ادامه می یابد تا پلیمر با زنجیرهای متقاطع تشکیل شود.
فرآیند RTM، یک عملیات قالب بسته است. دراین فرآیند، الیاف خشک قبلاً شکل داده شده را در داخل قالب قرار می دهند و سپس رزین ترموست از طریق یک دهانه تزریق می شود، تا قالب با رزین پر شود. پس از این که رزین پخته شد، قطعه از درون قالب خارج می گردد.
1-6-8-6-کاربردهای اصلی
فرآیند RTM برای ساخت قطعات کوچک تا بزرگ درمقادیر باحجم کم تا متوسط مناسب است. RTM در صنایع اتومبیل سازی، هواپیما سازی (هوافضا)، کالاهای ورزشی و محصولات مصرفی استفاده می شود. نمونه ای از قعطات ساخته شده عبارت از، کالاهای ایمنی آتش نشانها و کارگران، درها، چوب هاکی، بدنه دوچرخه، تیغه های آسیاب بادی، بدنه های اتومبیلهای ورزشی، بدنه های مستطیل شکل اتومبیل و قعطات هواپیما می باشد. بعضی از قعطات هواپیما ساخته شده بوسیله فرآیند RTM، شامل تیرها دیوارها، چرخدنده ها و محکم کننده های سطح کنترل، پوششهای روی بدنه هواپیما برای کاهش مقاومت هوا، بلوکهای جدا کننده می باشد. قالب های دوشاخه ازیک انطباق ضریب انبساط حرارتی صفحه نیکل و همچنین فراهم کردن هدایت حرارتی بالاتر فرموله می شوند. مجموعه های از گرم کننده های الکتریکی و سرد کننده آبی بمقدار زیادی چرخه حرارتی سریعی راتأمین می کند. از سرد کننده با هوا، جهت کنترل افزایش دما درطرفی که دما به طور سریع بالا می رود، برای جلوگیری از افزایش بیش ازحد دما استفاده می‌شود. از سرد کننده با آب برای سرد کردن سریع طرفی که دمای بالاتری دارد، استفاده می شود. قالبها دریک دستگاه پرس رفت و برگشتی با یک مجموعه از سیستم کنترل فرآیند بکار می روند.
-5-8-6 مزایای فرآیند پولتروژن
پولتروژن یک فرآیند خودکار با مزایای زیر است:
1) فرآیند پیوسته بوده و می توان آنرا را بدست آوردن قطعه نهایی بطور کامل خودکار کرد، که برای تولید انبوه قطعه های کامپوزیت بسیار مناسب است. نمونه ای از سرعت تولید 2 تا 10 فوت بر دقیقه می باشد.
2) این فرآیند، الیاف و سیستم های رزین کم هزینه را به مصرف می رساند. بنابراین تولید محصولات تجاری کم هزینه و کم قیمت فراهم می کند.
8-5-8-6 محدودیت های فرآیند پولتروژن
اجزا یا قطعات پولترود شده درمقیاس وسیع درزیر سازی، ساخت و محصولات مصرفی به دلیل هزینه کمتر استفاده می شد با این وجود پولتروژن دارای محدودیتهای زیر است:
1) این فرآیند برای قطعاتی که دارای سطح مقطع ثابت درطولشان می باشد، مناسب است . شکلهای مخروطی و پیچیده را نمی تواند با این روش تولید کرد.
2) قطعات باتلرانس بسیار دقیق درابعاد داخلی و خارجی را نمی توان با استفاده از فرآیند پولتروژن تولید نمود.
3) قطعات دیواره نازک را نمی توان تولید کرد.
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 که به بارگیری پیچیده نیاز دارند، را نمی توان با این فرآیند تولید کرد، 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 کرده اند. بیشتر کاربرد آنها به دلیل استفاده از قالب گیری مواد ترکیبی (کامپوزیت های با الیاف کوتاه) به کاربردهای 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 نزدیک به شکل با جهات الیاف کنترل شده را رائه می دهد. معمولاً از الیاف پیوسته درفرآیند RTM استفاده می‌شود.
درفرآیند RTM، شکل دهی درمحفظه قالب انجام می شود، ابتدا، نیمه متناظر قالب با نیمه دیگر منطبق شده و به یکدیگر محکم بسته می شود. سپس با استفاده از تجهیزات توزیع، ترکیب فشرده شده از رزین ترموست، کاتالیزور، رنگ، پرکنند و … با استفاده از راهکارهگاههای تکی یا چند گانه به درون قالب پمپ می‌شود. بعد از پخت (عمل آوری) به مدت 6 تا 30 دقیقه بسته به سرعت واکنش پخت (عمل آوری) ترکیب، 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 درکانالهای تخلخل می باشد. این فرآیند شامل تزریق رزین ترموست مخلوط شده با کاتالیزور تحت فشار به محفظه قالب گرم که حاوی الیاف قبلاً شکل دهی شده است، می باشد. درطی پر شدن قالب،رزین به درون قالب جاری می شود و واکنش های گرماده پخت (عمل آوری) باعث می‌شود که سرعت آن هر لحظه افزایش یابد و سرانجام منجمد می شود. بعد از اینکه الیاف بطور کامل با رزین اشباع شد، واکنش های پخت (عمل آوری) با گذشتن از نقطه ژلی ادامه می یابد تا پلیمر با زنجیرهای متقاطع تشکیل شود.
فرآیند RTM، یک عملیات قالب بسته است. دراین فرآیند، الیاف خشک قبلاً شکل داده شده را در داخل قالب قرار می دهند و سپس رزین ترموست از طریق یک دهانه تزریق می شود، تا قالب با رزین پر شود. پس از این که رزین پخته شد، قطعه از درون قالب خارج می گردد.
1-6-8-6-کاربردهای اصلی
فرآیند RTM برای ساخت قطعات کوچک تا بزرگ درمقادیر باحجم کم تا متوسط مناسب است. RTM در صنایع اتومبیل سازی، هواپیما سازی (هوافضا)، کالاهای ورزشی و محصولات مصرفی استفاده می شود. نمونه ای از قعطات ساخته شده عبارت از، کالاهای ایمنی آتش نشانها و کارگران، درها، چوب هاکی، بدنه دوچرخه، تیغه های آسیاب بادی، بدنه های اتومبیلهای ورزشی، بدنه های مستطیل شکل اتومبیل و قعطات هواپیما می باشد. بعضی از قعطات هواپیما ساخته شده بوسیله فرآیند RTM، شامل تیرها دیوارها، چرخدنده ها و محکم کننده های سطح کنترل، پوششهای روی بدنه هواپیما برای کاهش مقاومت هوا، بلوکهای جدا کننده می باشد. قالب های دوشاخه ازیک انطباق ضریب انبساط حرارتی صفحه نیکل و همچنین فراهم کردن هدایت حرارتی بالاتر فرموله می شوند. مجموعه های از گرم کننده های الکتریکی و سرد کننده آبی بمقدار زیادی چرخه حرارتی سریعی راتأمین می کند. از سرد کننده با هوا، جهت کنترل افزایش دما درطرفی که دما به طور سریع بالا می رود، برای جلوگیری از افزایش بیش ازحد دما استفاده می‌شود. از سرد کننده با آب برای سرد کردن سریع طرفی که دمای بالاتری دارد، استفاده می شود. قالبها دریک دستگاه پرس رفت و برگشتی با یک مجموعه از سیستم کنترل فرآیند بکار می روند.
2-6-8-6 مواد اولیه اصلی