بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش نمونههای کامپوزیتی کربن- اپوکسی بصورت خالص و همچنین تقویت شده با درصدهای وزنی کمی - 0/1، 0/5 و 0/9 درصد وزنی - از نانولوله های کربنی ساخته شد. پراکندهسازی نانولوله ها در بستر اپوکسی به روش التراسونیک و ساخت نمونه های چندلایه کامپوزیتی مورد نظر به کمک روش تزریق رزین در خلأ انجام گرفت. هدف از این پژوهش، تقویت ضریب اصطکاک و نرخ سایش کامپوزیت کربن- اپوکسی با استفاده از نانولوله های کربنی چند جداره بود.
رفتار سایشی این کامپوزیت ها به کمک آزمون پین روی دیسک مورد ارزیابی قرار گرفت و این نتیجه حاصل شد که نانولولههای کربنی به عنوان پرکننده می توانند بطور قابل توجهی ضریب اصطکاک کامپوزیت کربن- اپوکسی را کاهش و خواص ضد سایشی آن را بهبود دهند. این امر به دلیل عمل تقویت کنندگی بین سطحی نانوذرات به عنوان پرکننده بوده است.
همچنین نتایج نشان داد که ضریب اصطکاک و نرخ سایش این کامپوزیت ها به شدت به مقدار پرکننده آن ها وابسته است. بعلاوه، اثر هندسه جسم ساینده بر خواص اصطکاکی و سایشی کامپوزیت کربن- اپوکسی نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است. در بخش نتایج نیز، پس از ارایه نتایج عددی، تصاویر میکروسکوپی از سطوح ساییده شده برای بررسی دقیق مکانیزمهای اتفاق افتاده ارایه شده است.
.1 مقدمه
ایده اساسی استفاده از کامپوزیتها بهبود خواص مختلف مواد میباشد. درواقع کامپوزیتها موادی هستند که ضمن داشتن وزن کم، استحکام و سفتی بالایی دارند. از دیگر خواص منحصر بفرد کامپوزیتهای الیافی، داشتن خواص مختلف در راستاهای مختلف است.
امروزه کامپوزیتها جز مواد بسیار پرکاربرد در صنایع مختلف از جمله هوافضا، کشتی سازی، خودرو سازی، الکترونیک و ... به شمار می روند. به خصوص در بسیاری از موارد نظیر ساخت و طراحی یاتاقان ها و ترمزهای کامپوزیتی، کاربری سطحی و نزدیک سطحی از جمله رفتار سایشی و اصطکاکی این مواد مد نظر است. از این رو، پرداختن به بحث خواص سطحی و سایشی این مواد دارای اهمیت بسیار زیادی است.
راه کارهای متعددی در جهت بهبود رفتار سایشی پلیمرها و کامپوزیتها وجود دارد که برخی از آن ها عبارتند از: بکارگیری و تلفیق روانسازهای جامد همچون پلی تترا فلور اتیلن یا گرافیت، اضافه نمودن تقویت کننده های الیافی از جمله الیاف کربن یا شیشه به ماتریس پایه، استفاده از نانو یا میکرو ذرات و یا ترکیب های مختلف تقویت کننده های الیافی، ذره ای و روانساز های جامد در یک بستر ماتریسی.
از آن جا که افزودن برخی نانوذرات به زمینه های پلیمری می تواند رفتار تریبولوژی نانوکامپوزیتهای تولید شده را بطور قابل توجهی نسبت به فاز پلیمر قبلی بهبود دهد، می توان نتیجه گرفت که خواص تریبولوژی کامپوزیت هایی که فاز تقویت کننده آن ها الیافی می باشد را نیز می توان با اضافه نمودن برخی نانو ذرات به فاز زمینه آن ها بهبود بخشید، زیرا این نانو ذرات می توانند استحکام بین ماتریس و تقویت کننده الیافی را افزایش دهند. از این رو مقاوم سازی با ذرات نانو می تواند یک راه مناسب جهت دست یافتن به خواص مطلوب تر باشد.
استفاده از تقویت کننده های بزرگ مقیاس، نظیر پارچه یا الیاف تک جهته کربنی به عنوان تقویت کننده در ماتریس های ترموست، نه تنها به دلیل خواص مکانیکی بالای آن ها بلکه به دلیل مقاومت حرارتی این مواد، در کاربریهایی که کامپوزیت تحت سایش قرار می گیرد، رایج تر از تقویت کنندههای شیشهای یا آرامیدی است. از طرفی پارچههای بافتهشده کربنی به دلیل بالا بودن خواصشان در هر دو جهت طولی و عرضی، نسبت به الیاف تک جهته کربن ترجیح دادهمیشوند.
در این پژوهش هدف، ارزیابی رفتار سایشی و اصطکاکی کامپوزیت کربن بافته شده- اپوکسی و سپس بهبود آن به کمک نانولولههای کربنی است. بر این اساس در ادامه و به ترتیب، مبانی نظری این پژوهش و تعاریف و مفاهیم لازم در بحث مربوط به خواص سطحی و سایشی، برخی از تحقیقات پیشین در این زمینه، توضیح روش پژوهش و نحوه ساخت نمونه ها، تجزیه و تحلیل نتایج و نتیجه گیری به تفصیل توضیح داده شده است
.2 مبانی نظری پژوهش
تریبولوژی، علم و تکنولوژی است که به بررسی سطوح دو جسم در تماس در یک حرکت نسبی می پردازد و هدف از گسترش این علم، کاهش هزینه ناشی اصطکاک و سایش دو جسم در تماس و درنتیجه افزایش طول عمرشان میباشد. در تعاریف دیگری تریبولوژی علمی است که به بررسی اصطکاک، سایش و روانسازها میپردازد. اصطکاک مقاومت در برابر حرکت است و زمانی اتفاق می افتد که یک جسم جامد در تماس با جسم جامد دیگری باشد. سایش نیز همان آسیب سطحی یا از دست رفتن ماده در حرکت نسبی بین دو جسم است.
ضریب اصطکاک همان نسبت نیروی مماسی به نیروی عمودی در حرکت سایشی بین دو جسم است که توسط کامپیوتر متصل به دستگاه تعیین میشود. نرخ سایش نیز همانند رابطهای که جیانگ و همکارانش [2] در زیر استفاده کردند محاسبه می شود:
در این رابطه ∆ ، ، و به ترتیب جرم از دست رفته نمونه دیسکی کامپوزیتی، چگالی نمونه، مسافت پیموده شده و نیروی وارد بر نمونه می باشد. چگالی نمونه های کامپوزیتی مختلف نیزبا غوطه ور کردن آن ها در آّب محاسبه شد.
در حرکت نسبی سایشی بین دو جسم عوامل زیادی بر خواص سطحی مواد از جمله ضریب اصطکاک و نرخ سایش آن ها تاثیر گذار هستند.
به طور کلی برای ارزیابی و بررسی پایه ای خواص تریبولوژیکی نه تنها به ویژگی های ذاتی مواد استفاده شده، بلکه به تریبوسیستم کامل نیاز است. از یک طرف خواص مواد از جمله دمای انتقال شیشه ، خواص مکانیکی، وزن مولکولی ، جهت، سختی و انژی سطح، فاکتورهایی هستند که بر هر دو پارامتر نرخ سایش و ضریب اصطکاک کامپوزیت ها تاثیر گذار هستند.
از طرف دیگر سیستم تریبولوژی از جمله بار و سرعت اعمالی، ماده ساینده، دمای آزمایش، وجود یا نبود روانساز نقش بسزایی در خواص تریبولوژی خواهند داشت. در بررسی خواص تریبولوژیکی کامپوزیتها نیز، پس از انتخاب رزین، جنس - کربن، شیشه و.. - و نوع - تک جهته یا پارچه بافته شده - تقویت کننده الیافی، نانو ذرات تقویتکننده و روش پراکندهسازی آنها و ساخت کامپوزیت، تعیین شرایط آزمایش خود چالشی دیگر در بررسی خواص تریبولوژی کامپوزیت ها محسوب می شود. این چالش که در واقع همان عوامل خارجی موثر بر آزمون سایش می باشند عبارتند از:
✓ سرعت حرکت جسم ساینده
✓ بار اعمال شده به نمونه
✓ مسافت طی شده
✓ عوامل محیطی از جمله دما و رطوبت محیط آزمایش
✓ شرایط آزمایش - آزمایش در شرایط خشک یا با وجود روانساز خارجی -
✓ نحوه قرار گرفتن کامپوزیت تحت آزمون - موازی، غیرمواری و یا عمود بر راستای الیاف - .
با پیشرفتهای اخیر در دانش و تکنولوژی، نانو تقویتکنندههای نوینی به دنیای کامپوزیتها معرفیشدهاند. این نانو تقویت کنندهها نه تنها امکانات جدیدی را به دنیای مواد افزودند، بلکه بسیاری از مشکلات کامپوزیتهای موجود را برطرف ساختند. درواقع این ذرات نانو دارای خواص مکانیکی و فیزیکی بسیار بالاتری از الیاف پیش از خود هستند. افزون بر این، به دلیل ابعاد نانو درآنها، دارای سطوح واسط بسیار بزرگتری هستند و از تمرکز تنش در کامپوزیتها میکاهند. اضافه کردن مقدار کمی نانوذره به بستر پلیمر، میتواند بهطور قابل توجهی خواص مکانیکی مخصوصاً سفتی پلیمر پایه را بهبود بخشد .
یکی از پرکاربردترین و با ارزشترین این نانوذرات، نانو لوله های کربنی میباشد. نانو لوله های کربنی را میتوان به دو دسته نانو لوله های تکجداره و چندجداره طبقه بندی کرد. نانو لوله های تک جداره به شکل یک استوانه با قطری بین 1 تا 3 نانومتر و طولی در حدود چند میکرومتر میباشند. این نانولوله های تکجداره در اثر نورد یک تکورق گرافیت به درون یک لوله، شکل نانوساختار استوانهای به خود گرفتهاند.
نانولوله های کربن چند جداره از چندین نانولوله تکجداره هممحور و متحدالمرکز، شبیه حلقههای تنه یک درخت، تشکیل شده اند. قطر نانولوله های کربن چندجداره در حدود 2 تا 20 نانومتر میباشد. تولید نانولوله های کربن تک جداره و چند جداره، بهطور قابلتوجهی به شرایط و فرآیند سنتز بستگی دارد. در شکل 1 شماتیکی از نانو لوله های کربن تک جداره عامل دار شده به روشهای مختلف کووالانسی، غیرکوالانسی، ترمیمی و غیره نشان داده شده است.
