بخشی از مقاله
چکیده: آلیاژهای فلزی در برخی موارد گزینه مناسبی برای استفاده در طراحی قطعات میباشند اما وزن و هزینه زیاد آنها، طولانی و پیچیده بودن فرآیند ساخت این آلیاژها و از طرفی پیچیدگی طراحیهای امروزه شرایطی را به وجود آورده که کاربرد آنها در برخی از صنایع محدود شود. به همین علت جایگزین کردن آلیاژهای فلزی با مواد مناسبتری از نظر مقاومت، وزن، قیمت، فرآیند ساخت و غیره از اهمیت خاصی برخوردار است.
امروزه کامپوزیت ها، به ویژه کامپوزیتهای الیافی نه تنها جوابگوی مناسبی بوده و مشکل را برطرف کرده، بلکه مهندسان را به ورای دنیای فولادی هدایت کرده است. ساختار این کامپوزیتها که از ادغام دو ماده زمینه و مادهپُ رکننده تشکیل میشود، به لحاظ ساختار فیزیکی و مقاومتی بسیار محکمتر از هر کدام از مواد اولیه میباشد. در این مطالعه کامپوزیتهای پلیمری - الیافی - و خصوصیاتساختاریِ آن مورد بررسی قرار گرفته است.
-1 مقدمه
در مهندسی مواد، اصطلاح کامپوزیتمعمولاً به موادی گفته می شود که از یک فاز زمینه - ماتریکس - و یک تقویت کننده - پرکننده - تشکیل شده باشند. بنا بر تعریف انجمن متالورژی آمریکا به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند ماده مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته میشود .[1] استقبال و استعمال بیش از حد این محصول نشان دهنده کیفیت مناسب و عدم وجود هرگونه محدودیت در طراحی و اجرای این مصالح است، چراکه بشر به وسعت کاربرد این ترکیبات پی برده و لزوم استفاده از آنها را درک نموده است.
برای تولید یک ماده کامپوزیتی فاز تقویت کننده درون ماتریس پخش میشود و فاز ماتریکس فاز دیگر را در بر میگیرد که یک پلیمر گرماسخت یا گرمانرم می باشد و گاهی قبل از سخت شدن آنرا رزین می نامند. آشناترین مثال برای کامپوزیت، دیوار کاه گلی است. در گذشته بشر کاه و گل را با هم ترکیب کرد و ماده ای ساخت که از لحاظ خواص فیزیکی با هر دو آنها متفاوت بود. این ترکیب، ترکیبی است فیزیکی و این مواد با هم آلیاژ نشده اند، بلکه در کنار هم قرار گرفتهاند. چیزی که امروز آن را به نام کامپوزیت یا مواد مهندسی شده میشناسیم در واقع ترکیبی از مواد مختلف در سه زیر شاخه پایه پلیمر، پایه سرامیک و پایه فلزی است.
در پایه پلیمر به جای گل از رزین استفاده میشود که پلاستیک است. پلاستیک زنگ نمی زند، سبک است، به راحتی شکل میگیرد، ریختهگری میشود، میتوان آن را ذوب کرد و قابل بازیافت میباشد ولی یکی از معایب آن عدم استحکام آن است. بنابراین برای استحکام بخشیدن به آن ترکیب دیگری مورد نیاز است. به جای کاه از نوعی الیاف مثل الیاف شیشه، کربن، کولار و... استفاده می شود و در نهایت تمام این الیاف با یک رزین ترکیب میشوند و محصولی به نام کامپوزیت الیافی تولید می شود .[2]
زمانی که بشر برای ساخت بناهای تاریخی از کاه استفاده کرده است در واقع شروع استفاده از کامپوزیت ها میباشد. در قرن دوازدهم مغولها تیر و کمان هایی از زردپی احشام، شاخ و بامبو و ابریشم ساخته بودند که با کلوفون طبیعی پیچیده میشد. اخیراً برخی از آنها در یک موزه تست شده اند که از نظر قدرت 0,80 کمانهای مدرن بودند. این نشان میدهد که طراحان مغولی به درستی با اصول طراحی کامپوزیت آشنا بودهاند.
در سال 1930 در شرکت DUPONT و MERICAN CYNAMID در یک زمان به طور مستقل به فرمول ساخت رزین پلی استر دست یافتند. شرکت شیشه Owens Illinois شروع به ساخت الیاف شیشه به صورت پارچههای نساجی نمود. در سال 1934 محققی در اوهایو این دو را با هم ترکیب کرد و شروع به قالبگیری قالبهای کوچک کرد .[3] در این پژوهش کامپوزیتهای پلیمری - الیافی - و خصوصیات فیزیکی آن مورد بررسی قرار گرفته است.
-2 محاسبات و روشها
اغلب کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف استحکام، مقاومت به خستگی، سفتی و استحکام ویژه - نسبت استحکام به وزن - با در آمیختن الیاف قوی، سفت، اما تُرد به زمینه نرم و انعطاف پذیرتر، بهبود می یابند. در این نوع کامپوزیتها ماده زمینه تنش اعمالی را به الیاف منتقل میکند. در نهایتا استحکام کامپوزیت میتواند هم در دمای معمولی محیط و هم در دماهای بالا در حد بالایی باشد. در کامپوزیتها حداقل دو جزء فاز وجود دارد. فاز تقویت کننده که درون ماتریس پخش می شود. فاز ماتریس که فاز دیگر را در بر می گیرد و یک پلیمر گرماسخت یا گرمانرم می باشد که گاهی قبل از سخت شدن آن را رزین مینامند.
خواص کامپوزیتها به عوامل مختلفی از قبیل نوع مواد تشکیل دهنده و ترکیب درصد آنها، شکل و آرایش تقویت کننده و اتصال دو جزء به یکدیگر بستگی دارد ولی در بهترین حالت وزن مخصوص کم، پایداری حرارتی خوب، توانایی بالا در جذب انرژیها، ظرفیت دمپینگ بالا، سهولت در تولید و مقاومت خستگی خوب برقرار میشود. الیاف میتوانند کوتاه و ناپیوسته، بلند، یا حتی پیوسته باشند. اغلب ابعاد از لحاظ نسبت - طول و قطر الیاف - مشخص شدهاندقطر. ابعاد نوعاً از 10 میکرون تا 150 میکرون - - تغییر میکند.
در این صورت به الیاف کوتاهی که در ماده اصلی قرار گرفتهاند، تنش عمودی و تنش برشی اعمال میشود. درحالتیکه نیروی برشی - - بزرگتر از نیروی عمودی - - وارد به هر یک از الیاف باشد، ماده در نتیجه پاره شدن الیاف می شکند، در این حالت رابطه زیر شرط بحرانی را برای پاره شدن الیاف برقرار میسازد: و یا اگر دو طرف این نامعادله را برابر در نظر بگیریم، میتوانیم طول بحرانی الیاف را بدست آوریم. شکل نمایش شماتیکی تنشهای کششی و برشی در ماده مختلطی که نیرو در امتداد الیاف به آن وارد میشود را نشان میدهد که در آن تنش کششی در الیاف و تنش برشی در سطح تماس الیاف با ماتریکس است.
-3 نتایج و بحث
مقدار الیاف هر چقدر مقدار کسر حجمی الیاف زیادتر باشد استحکام و مدول الاستیکی کامپوزیت افزایش مییابد. اما حداکثر حجمی الیاف 0/80است و با فراتر رفتن از این حد زمینه نمیتواند تمامی الیاف را احاطه کند و از طرف دیگر با افزایش کسر حجمی الیاف، انعطاف پذیری کامپوزیت کاهش می یابد. در خصوص جهت الیاف؛ الیاف تقویتکننده میتوانند در جهات گوناگونی در زمینه قرار داده شوند. الیاف کوتاه با امتداد تصادفی گونه در زمینه، مانندفایبرگلاس با تولید آسان، رفتار نسبتاً یکنواخت و همسانگردی را در کامپوزیت ایجاد می کند.
الیاف دراز یا حتی پیوسته و با آرایش تک جهتی، خواص ناهمسانگرد، با استحکام و مدول الاستیکی خوبی را در امتداد الیاف به وجود میآورند. این الیاف در امتداد تنش اعمالی بوده، به طوری که زاویه با آن میسازد در این حالت اگر تنش در جهت عمود به الیاف به کامپوزیت اعمال شود استحکام و مدول الاستیکی آن ضعیف خواهد بود. مواد تقویت شده با الیاف، اغلب شامل الیافی با مدول الاستیکی بالا و شکلپذیری پایین هستند.
برعکس ماده اصلی یا ماده زمینه باید شکل پذیر بوده و مدول الاستیکی پایینی داشته باشد، به طوری که در صورت شکست، الیاف بتوانند به طور موضعی تغییر شکل پلاستیکی دهند. چنانچه کامپوزیت در دمای بالا بکار رود، نقطه ذوب الیاف باید بالا باشد. همچنین استحکام ویژه - نسبت استحکام به چگالی که میتواند استحکام تسلیم یا استحکام کششی باشد - و مدول ویژه - نسبت مدول الاستیکی به چگالی ، بخصوص برای کامپوزیتهایی که در وسایل حمل و نقل، اعم از زمینی، هوایی و هوا فضا کاربرد دارند، اهمیت فراوانی دارند.معمولاً بین بالاترین مدول ویژه در موادی مانند کربن - C - و بُر - B - یافت میشود که عدد اتمی پایین و پیوند کووالانسی دارند.
این دو عنصر استحکام و نقطه ذوب بالایی دارند. کارایی کامپوزیتهای پلیمری مهندسی توسط خواص اجزاء آنها تعیین میشود. اغلب آنها دارای الیاف با مدول بالا هستند که در ماتریسهای پلیمری قرار داده شدهاند و فصل مشترک خوبی نیز بین این دو جزء وجود دارد. ماتریس پلیمری دومین جزء عمده کامپوزیتهای پلیمری است. این بخش عملکردهای بسیار مهمی در کامپوزیت دارد. اول اینکه به عنوان یک چسب الیاف تقویت کننده را نگه میدارد.
دوم، ماتریس تحت بار اعمالی تغییر شکل میدهد و تنش را به الیاف محکم و سفت منتقل میکند. سوم، رفتار پلاستیک ماتریس پلیمری، انرژی را جذب کرده، موجب کاهش تمرکز تنش میشود که در نتیجه، رفتار چقرمگی در شکست را بهبود میبخشد. الیاف اصلیترین المان در مواد مرکب لیفی هستند که بالاترین کسر حجمی را در ساختار کامپوزیت دارند. انتخاب صحیح نوع، مقدار و جهت بسیار مهم بوده و تاثیر زیادی در جرم مخصوص، استحکام کششی، مدول کششی، استحکام فشار، استحکام خستگی، قیمت، خواص حرارتی و الکتریکی دارند.
-4 بحث و نتیجهگیری
در مراکز تحقیقاتی سال هاست که بررسیها برای دستیابی به مواد جدیدتر با خواص مکانیکی بهتر انجام میگیرد و هنوز هم همگام با پیشرفتهای سریع صنعتی دنبال میشود. هدف این تحقیقات غالباً تولید موادی با نسبت مناسب از استحکام کششی به چگالی، استحکام حرارتی بالا و خواص ویژه سطح خارجی - مانند مقاومت سایشی بالا - است. کامپوزیتها با توجه به خصوصیاتی که دارند - آسان بودن فرآیند تولید نسبت به آلیاژهای فلزی، هزینه پایین تولید، سبکی وزن و استحکام زیاد - موادی هستند که تا حد زیادی نیازهای مهندسی را برطرف میکنند. اما نکته قابل توجهی که در این مواد وجود دارد این است که استحکام آنها در راستای عمود بر الیافشان کم است و این یک ضعف در کامپوزیتها محسوب میشود.
