بخشی از مقاله
چکیده
مهمترین بحث در رابطه با کامپوزیتها و سازههای تقویتشده، توجه به کاهش وزن آنها است. امروزه، بکارگیری منسوجات در تقویت پانلهای کامپوزیتی، جایگاه قابل توجهی را بهخود اختصاص داده است. در این مقاله، ساختار جدیدی از منسوجات با پتانسیل بالا جهت ساخت قطعات کامپوزیتی بسیارسبک و با مقاومت فشاری و خمشی خوب، مورد توجه هستند. این دسته از منسوجات، به صورت پارچههای سهبعدی با مقطع هندسی خاص، به کمک ماشینآلات بافندگی حلقوی پودی، به راحتی طراحی و تولید میشوند. هندسهی منحصر بفرد این منسوجات، به گونهای است که کاهش وزن سازه توأمان با بهبود خواص استحکامی آن را فراهم میسازد.
.1 مقدمه
سازههای کامپوزیتی، بهواسطهی ماهیت ساختاری خود و اجزای تشکیلدهنده، حوزههای کاربردی وسیعی را در صنایع مختلف اعم از ساختمانسازی، خودروسازی، کشتیسازی و بهویژه در حوزههای نظامی و امنیتی از قبیل هوافضا، به خود اختصاص دادهاند .4[-1] قطعات کامپوزیتی، عمدتاً به صورت چندلایه تحت عنوان ساختارهای ساندویچی و با هدف کاهش وزن سازهی نهایی، مورد استفاده قرار میگیرند. انعطافپذیری در طراحی این نوع سازهها، مهمترین نکتهای است که در کاهش هزینهی ساخت قطعهای متناسب با نوع مصرف نهایی، بسیار تأثیرگذار است .[3-2]
کامپوزیتهای ساندویچی، به طور عمده از سه جزء اصلی تشکیل میشوند؛ دو جزءِ تشکیلدهندهی یک ورقهی کامپوزیتی با ساختار ساندویچی، در واقع همان لایههای سطحی رو و زیر هستند که در شکلدهی آنها بهطور متداول از فلز یا منسوج استفاده میشود، در حالیکه هستهی قرار گرفته مابین لایههای سطحی، به عنوان جزء سوم، میتواند در انواع مختلف پلیمری یا چوبی و به شکل قطعات لانهزنبوری بکار رود 1]، 3، .[5 این قطعات، به موجب ساختار منحصر بفرد و وزن کمتر خود در مقایسه با سایر قطعات کامپوزیتی، میتوانند در مواردی مورد استفاده قرار گیرند که ویژگیهایی از قبیل کاهش وزن، استحکام مخصوص بالا و سختی خمشی قابلقبول برای سازهی نهایی بسیار حائز اهمیت است.
در نوع متداول کامپوزیتهای ساندویچی،معمولاً از فوم یا ساختارهای لانهزنبوری به عنوان جزء تشکیلدهندهی هسته استفاده میشود. اما این نوع ساختارها تنها میتوانند در مواردی بکار گرفته شوند که بحث تحمل نیرو مورد توجه نباشد. در واقع ویژگیهای مکانیکی این نوع ساختارها، در حدی نیست که بتوان آنها را به عنوان قطعات ساختاری با قابلیت تحمل نیرو در موارد کاربردی فنی، مورد استفاده قرار داد .[6]
به این دلیل که لایههای سطحی و هستهی میانی در این نوع از ساختارهای سهبعدی، معمولاً به کمک چسب به یکدیگر متصل میشوند؛ به موجب همین امر، در شرایط مختلف محیطی از نقطهنظر رطوبت و حرارت، اثر چندلایهشدگی این ساختارها منجر به کاهش عمکلرد مکانیکی آنها میشود .[7] شماتیکی از این ساختارها در شکل 1 به تصویر کشیده شده است.
معایب مطرح شده در رابطه با کامپوزیتهای ساندویچی متداول، موجب گردید تا استفاده از منسوجات به عنوان جزء تقویتکننده در سازههای کامپوزیتی، توجه ویژهای را به خود جلب کند. امکان طراحی و تولید منسوجاتی با اشکال هندسی متنوع و ساختارهای نسبتاً پیچیده در کنار بهرهمندی از الیاف یا نخهای با استحکام بسیار بالا، سبب شده است تا کاربردهای فنی گستردهای به ویژه در حوزهی ساخت قطعات کامپوزیتی، برای محصولات نساجی در نظر گرفته شود .[5] ثابت شده است که کامپوزیتهای تقویت شده با منسوجات به دلیل داشتن مزایای متعددی، میتوانند قابل رقابت با سایر کامپوزیتها باشند. برخی از این مزایا عبارت است از :[9-8]
-1 استحکام بالا در عین سبکوزن بودن - بهواسطهی ساختار الیاف یا نخهای تشکیلدهنده - ؛
-2 یکنواختی ساختار و امکان ایجاد خواص همسانگرد - ایزوتروپ - کنترل شده توسط منسوج تقویتکننده؛
-3 امکان انتقال کرنشهای ایجادشدهی ناشی از بارگذاریهای در کل ساختار به واسطهی وجود ماتریس پلیمری؛
-4 قابلیت حفظ یکپارچگی ساختار و رفتار مکانیکی، تحت هر گونه شرایط بد محیطی؛
-5 بهبود مقاومت سازه در برابر خستگی ناشی از بارگذاریهای مکرر.
مجموعهی این عوامل سبب شدهاست تا طراحان و مهندسان در حوزهی ساخت قطعات کامپوزیتی، همواره به دنبال یافتن ساختارهای جدیدی از منسوجات با هدف بهبود کارآیی و خواص مکانیکی سازهی نهایی باشند .[9] مهمترین دلیل عمومیت یافتن منسوجات در کاربرد به عنوان اجزای تقویتکنندهی ساختارهای کامپوزیتی، به روند روبهرشد حوزههای کاربردی با فناوری بالا نسبت داده میشود؛ بهطوری که در آنها، طراحی و توسعهی ساختارهایی با اشکال هندسی پیچیده، از جمله اصلیترین نیاز بهشمار میرود.
در میان تنوعی از منسوجات و روشهای تولید آنها از قبیل منسوجات تاریپودی، حلقوی، قیطانبافی - Braid - و بیبافت، فرآیند بافت منسوجات حلقوی از پتانسیل بالایی در طراحی و ساخت منسوجات پیششکلیافته متناسب با نوع مصرف نهایی برخوردار است. اصلیترین مریت این دسته از سازههای نساجی پیششکلیافته، کاهش ضایعات تولید و افزایش سطح کیفی محصول متناسب با استانداردهای قابلقبول در عین کاهش هزینه و زمان تولید میباشد .[10]
متداولترین و پرکاربردترین این نوع منسوجات، اسپیسرهای سهبعدی هستند که علاوه بر کاهش فوقالعادهای در وزن سازه، خواص مکانیکی مطلوبی به لحاظ استحکام کششی، سختی خمشی، مقاومت در برابر ضربه و رفتار فشردگی در اثر اعمال بارهای عمود بر سطح از خود به نمایش میگذارند 1]، .[5 نمونهی معمولی پارچههای اسپیسر، شامل ساختارهای متشکل از دو لایه پارچهی رو و زیر است که توسط نخهای خاب اتصالدهندهی آرایشیافته در راستای ضخامت منسوج، بهیکدیگر پیوند داده میشوند.
این ساختارها، طبیعتی الاستیک دارند و ضخامت آنها نیز نسبتاً محدود است؛ از این رو نمیتوان این دسته منسوجات را برای کاربردهای فنی خاص در رابطه با استفاده از ساختارهای سهبعدی در ساخت قطعات کامپوزیتی پیشرفته، مناسب دانست. برای رفع چنین محدودیتی، ساختارهای جدیدی شکل یافتهاند که بهجای وجود نخهای خاب عمودی بین لایههای بیرونی منسوج، از لایههای پارچهای جهت اتصال لایههای سطحی استفاده میشود 5]، 9، .[10 مناسبترین و سادهترین روش تولیدی این نوع پارچهها، استفاده از فناوری بافت پارچههای حلقوی بهویژه روش حلقوی پودی است.
ادعا شده است که کامپوزیتهای تقویتشده با پارچههای حلقوی پودی در مقایسه با سایر کامپوزیتهای منسوج، از بالاترین سطح تغییرشکلپذیری و مقاومت در برابر ضربات خارجی برخوردار هستند 1]، .[5 در این باره، محققان بسیاری در صدد دستیابی به منسوجات پیششکلیافته با هدف ساخت سازههای کامپوزیتی پیشرفته، اقدام به بافت این نوع پارچههای اسپیسر سهبعدی خاص با کیفیت مطلوب کردند که تنها عدهی محدودی از آنها، به این مهم دست یافتند. آرائوجو و همکارانش [11]، با هدف تولید منسوجاتی با قابلیت عملکردی بالا، بافت پارچههای سهبعدی اسپیسر با اتصالات پارچهای را مورد توجه قرار دادند.
آنها دریافتند که دستیابی به شرایط بهینه بافت از نقطهنظر تراکم پارچه، طول حلقهها، سرعت ماشین و ظرافت نخ مصرفی، بهشدت کیفیت محصول نهایی را تحت تأثیر قرار میدهند. در همین راستا، سیوبانو [12] نیز بافت چنین پارچههایی را از سر گرفت و موفق به تولید نمونههای اولیه با کیفیت قابلقبول شد اما نمونههای حاصل همچنان قابلیت کاربرد صنعتی را نداشتند. بعدها، اونال [13] نیز اقدام به بافت پارچههای اسپیسر سهبعدی خاص کرد و نمونههایی با کیفیت بهتر را به دست آورد؛ هرچند که نمونههای حاصل باز هم توانایی کاربرد در حوزههای فنی خاص را دارا نبودند.
ابونعیم و همکارانش [14] با استفاده از نخهای هیبریدی شیشه/پلیپروپیلن موفق به بافت منسوجات اسپیسر سهبعدی متشکل از لایههای اتصالدهندهی پارچهای شدند. آنها به منظور تکمیل تحقیقات خود، رفتار مکانیکی منسوجات را نیز مورد بررسی قرار دادند و نتایج قابلقبولی را بهلحاظ پتانسیل بالای این منسوجات جهت کاربرد در حوزههای فنی خاص بهدست آوردند. لی و همکارانش [15] نیز موفق به طراحی و تولید پارچههای اسپیسر سهبعدی با شکل هندسی خمیده - نیمدایره - شدند و خواص مکانیکی آنها را مورد بررسی قرار دادند.
نکتهی مهم دیگر در رابطه با تولید قطعات کامپوزیتی تقویتشده با پارچههای اسپیسر، نحوهی قالبگیری نمونه است که شرایط بسیار خاصی را طلب میکند. ساخت قالبی متناسب با نمونههای بافتهشده و مهمتر از آن، استفاده از یک روش مناسب قالبگیری، به نحوی که در حین فرآیند ساخت کامپوزیت، فضاهای خالی ایجاد شده در نمونهی پارچه بدون تغییر باقی بماند، توجه خاصی را بهخود معطوف میکند. استفاده از روش قالبگیری انتقال رزین به کمک کیسه خلاء، طی چند دههی گذشته، مقبولیت قابلتوجهی را به خود اختصاص داده است.
کاهش هزینه قطعهی تولید شده، کاهش وزن واحد سطح نمونه، بالا بودن کسر حجم الیاف، و نیز کاهش ضایعات تولید، از جمله مهمترین مزیتهای این روش به شمار میرود. علیرغم پتانسیل بالای این روش تولیدی، گزارشهای کمی مبنی بر استفاده از این نوع روش قالبگیری در ساخت کامپوزیتهای پیشرفته در اختیار است .[16] شماتیکی از این روش قالبگیری در شکل2 مشاهده میشود.
