الیاف کربن
اگرچه اکثر الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت, از جنس شیشه است ولی مدول آن نسبتاً پایین است. در سال های پیش, تلاش های زیادی انجام گرفت تا تقویت کننده‌های جدید با مدول بالاتر نسبت به الیاف شیشه ساخته شوند. مشخصه الیاف کربن، سبکی، استحکام و سفتی بالا است.
در ابتدا، دو نوع الیاف کربن وجود داشت که استحکام و مدول آنها با هم تفاوت داشت. اولی، الیاف کربن با استحکام بالا که به عنوان نوع دو درجه‌بندی می‌شد. دومی, نوع مدول بالای این الیاف که به-عنوان نوع یک درجه بندی می‌شد. با اعمال کمی کشش و تغییر آرایش یافتگی و با کاهش قطر الیاف از 7 به 5 میکرومتر، استحکام و مدول الیاف افزایش می‌یابد. این الیاف، الیاف با مدول متوسط نام دارد. در جدول (3) برخی خواص این الیاف مشاهده می‌شود.
جدول(3) : معرفی بعضی از خواص انواع مختلف الیاف کربن
|
Properties |
Strength( GPa) |
Modulus( GPa) |
Failure Strain |
|
High Strength (HS) Type I |
3.0-3.3 |
220-240 |
1.3-1.4 |
|
High Modulus (HM), Type II |
2.3-2.6 |
330-350 |
1.3-1.4 |
|
Intermediate Modulus (IM ) |
2.9-3.2 |
280-300 |
1.0 |
در جدول (4)، مزایا و معایب الیاف کربن آورده شده است.
جدول(4) : مزایا و معایب الیاف کربن
|
مزایا |
معایب |
|
نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن |
شکننده بودن |
|
نسبت بالای مدول کششی به وزن |
هادی الکتریکی |
|
استحکام بالای خستگی |
کرنش کم در شکست |
|
ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین |
قیمت بالا |
|
مقاومت بالا در مقابل خوردگی |
|
الیاف آرامید
الیاف آرامید که در حدود سال 1970 معرفی شد، ترکیب آلی حلقوی از کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن است. دانسیته کم و استحکام کششی بالا در این الیاف، موجب تشکیل یک ساختار چقرمه و مقاوم به ضربه با سفتی حدود نصف الیاف کربن می‌شود. الیاف آرامید در ابتدا به منظور جایگزینی فولاد در تایرهای رادیال ساخته شدند و بعداً کاربردهای دیگری پیدا کردند. جلیقه ضد گلوله از موفقیت آمیزترین کاربردهای الیاف آرامید است.
خواص الیاف آرامید به شرح زیر است.
- نسبت استحکام و مدول به وزن بسیار عالی
- مقاومت ضربه عالی
- مقاومت در برابر شکست ناشی از خزش
- مقاومت خستگی خوب
- عدم حساسیت به شکاف یا ترک
- مقاومت بالا در مقابل اسیدها و بازها
- خواص خوب اتلاف انرژی ارتعاشی
- خواص دی الکتریک عالی نسبت به شیشه
- خواص خود خاموش کنی با نشر دود کم
- امکان استفاده مداوم تا دمای حدود 180 درجه سانتی گراد
کاربرد کامپوزیت ها در صنایع مهندسی
امروزه, خودروهایی ساخته می‌شود که تماماً کامپوزیتی هستند. استفاده از کامپوزیت ها در این کاربرد، به علت ویژگی‌هایی چون وزن کمتر، درنتیجه سوخت کمتر و عمر طولانی‌تر آنهاست. با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیت های پایه پلیمری و مقاومت بسیار خوب آنها در محیط‌های خورنده، این کامپوزیت‌ها، کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده‌اند. از آن جمله, می‌توان به ساخت بدنه قایق‌ها و کشتی‌ها و تأسیسات فراساحلی اشاره داشت. استفاده از کامپوزیت‌ها در این صنعت، حدود 60% صرفه‌جویی اقتصادی داشته است که علت اصلی آن مربوط به پایداری این مواد است.
صنعت ساختمان, پرمصرف‌ترین صنعت برای مواد کامپوزیتی است. استخرهای شنا، وان حمام، سینک ظرفشویی و دست‌شویی، کف‌پوش، نماپوش، سقف‌پوش، برج‌های خنک‌کننده و … همگی کامپوزیت‌های پایه پلیمری هستند. سبکی، سهولت شکل‌دهی، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت آب‌بندی، از ویژگی‌های کامپوزیت‌هایی است که در صنعت ساختمان به کار می‌رود.
ساخت بدنه هواپیما، ساخت پره های توربین بادی و پره های هلی کوپتر و پوشش رادار هواپیما, از کاربردهای کامپوزیت, در صنعت هوافضا است. این مواد, درصنعت نفت و گاز نیز به منظور ترمیم و تقویت سازه های فرسوده و ترمیم لوله های فرسوده نفت و گاز به کار می روند.
مقایسه خواص مود کامپوزیتی با فلزات
در انتهای بحث کامپوزیت, در جدول(5), مقایسه ای بین برخی از خواص الیاف ماده کامپوزیتی با بعضی فلزات انجام شده است تا دلیل استفاده بسیار زیاد کامپوزیت ها و جایگزینی فلزات توسط آنها، روشن گردد. با توجه به جدول مشخص می شود که مواد کامپوزیتی به علت داشتن خواص مدول و استحکام بسیار بالا نسبت به وزن پایین در مقایسه با فلزات کاربرد بالایی در صنایع مهندسی دارند.
جدول(5) : مقایسه برخی خواص الیاف ، فولاد و آلومینیم
|
مواد |
قطر |
دانسیته |
مدول کششی |
استحکام کششی |
استحکام مخصوص |
قیمت |
|
شیشه E |
2/13 |
8/15 |
8/14 |
45/3 |
35/1 |
پایین |
|
شیشه S |
4/82 |
164 |
227 |
50/3 |
8/1 |
متوسط |
|
گرافیت مدول بالا |
25/0 |
31/0 |
26/0 |
8/1 |
9/0 |
بالا |
|
گرافیت استحکام بالا |
34/1 |
73/1 |
63/1 |
6/2 |
5/1 |
بالا |
|
کولار 29 |
183 |
225 |
241 |
8/2 |
9/1 |
متوسط |
|
فولاد |
79 |
62 |
128 |
1/2-34/0 |
27/0-04/0 |
پایین |
|
آلیاژهای آلومینیم |
30 |
25 |
45 |
62/0-14/0 |
23/0-05/0 |
پایین |
نتیجه گیری
در صنایع مختلف موادی کاربرد بیشتری دارند که الزامات مربوط به وزن، هزینه و خواص را ارضا کنند. مواد کامپوزیتی به علت داشتن خواص مدول و استحکام بسیار بالا نسبت به وزن پایین در مقایسه با فلزات و همچنین قیمت مناسب کاربرد بالایی در صنایع مهندسی پیدا کرده اند. بنابراین شناخت مواد کامپوزیتی، اجزای آنها و مقایسه خواص بدیهی است. در این مقاله سعی شده است مواد کامپوزیتی و کاربرد آنها بررسی شود. امید است روزی به دانش ساخت و کاربرد مواد کامپوزیتی در صنایع مختلف کشورمان دست یابیم و از مواد کامپوزیتی بصورت علمی تر و کاربردی تر استفاده شود.
منابع
[1].Mechanics of composite materials, by: R, M, Jones
[2].www.irancomposite.net
