آشنایی با مواد کامپوزیتی و کاربرد آنها در صنایع مهندسی
چکیده
امروزه, برای صنایع مهندسی، مطالبه موادی که کارآیی بالایی داشته باشد، دور از انتظار نیست و نیاز به مواد پیشرفته و فرآیندهای تولیدی حس می شود. شاید مهم ترین نیازها، به کارگیری موادی با کارآیی بالا، وزن و قیمت نسبی پایین باشد. از جمله این موادها، کامپوزیت ها هستند که بطور گسترده‌ای در سازه‌های هواپیما به کار می‌روند. بنابراین در این مقاله با مواد کامپوزیتی و تقسیم بندی آنها آشنا می شویم. دلایل استفاده از مواد کامپوزیتی بجای فلزات بیان می شود. الیاف و رزین های کاربردی را می شناسیم و کاربرد مواد کامپوزیتی در صنایع مختلف بررسی می شود.
مقدمه
مواد مرکب, به موادی گفته می‌شود که از ترکیب دو یا چند ماده مختلف در مقیاس ماکروسکوپی به دست می‌آید. عموماً مواد مرکب را برای به دست آوردن خواص مهندسی بهتر, از جمله، سختی بالاتر، استحکام بیشتر، وزن کمتر، مقاومت در برابر حرارت، رطوبت و خوردگی که در مواد همگن همچون فلزات، نمی‌توان همگی این خواص را در کنار یکدیگر داشت، در طراحی‌ها استفاده می کنند.
مواد مرکبی که توسط بشر ساخته شده‌اند, عموماً دارای دو جزء اصلی هستند. یکی, جزء تقویت کننده که آن را الیاف یا فایبر می‌نامند و دیگری, جزء پایه, که فایبرها در آن قرار می‌گیرند و آن را ماتریس می‌نامند. ایده استفاده از مواد مرکب به قرون گذشته باز می گردد که بشر در ساخت بناهای خود متوجه شد هنگامی که از گل تنها استفاده کند، استحکام لازم به وجود نمی‌آید. گل, پس از خشک شدن مقاومت خوبی در برابر فشار دارد اما کشش را به هیچ وجه تحمل نمی کند و بنای گلی زود ترک برمی دارد. از این رو، با اضافه کردن کاه به گل و تهیه کاه گل، بشر توانست ماده‌ای بسازد که هم در برابر فشار تحمل خوبی دارد و هم در برابر کشش. به عبارت دیگر, در هنگام فشار, گل به مقاومت پرداخته و درحین کشش, الیاف کاه که مقاومت خوبی در برابر کشش دارد، مقاومت می‌کند. این ایده, امروزه درساخت انواع بتون تقویت شده نیز به کار می‌رود. درحقیقت, بتون در برابر فشار, مقاومت خوبی دارد اما دربرابر کشش، ضعیف است و با قراردادن یک سری میله در بتون، بتون را تقویت کرده و میله‌ها در برابر کشش مقاومت می‌کنند.
آشنایی با مواد کامپوزیتی و تقسیم بندی آن ها
مواد مرکبی که در مهندسی سازه مورد استفاده قرار می‌گیرند عموماً شامل سه گروه اصلی هستند که عبارتند از:
الف) مواد مرکب الیافی : این نوع از مواد از یک سری الیاف (فایبر) که در یک ماده دیگر (ماتریس) با یک نظم خاص قرار گرفته‌اند، تشکیل شده اند.
ب) مواد مرکب مختلط : این نوع از مواد مرکب، از قرارگیری یک سری ذرات ماکروسکوپی از یک ماده در ماده دیگر به صورت پراکنده تشکیل شده اند.
ج) مواد مرکب لایه ای : این نوع از مواد مرکب, از یک سری لایه‌هایی که بر روی هم, با یک نظم خاص چسبانده شده‌اند، تشکیل شده اند. این لایه‌ها, می‌توانند مواد همگن غیر هم نوع یا مواد مرکب از نوع (الف) یا (ب) باشند.
در مواد مرکب مختلط، ذرات ماتریس می‌توانند, مواد فلزی و یا غیرفلزی باشند که نتیجة آن, وجود 4 نوع ماده مرکب مختلط فلز در فلز، غیرفلز در فلز، فلز در غیرفلز و غیرفلز در غیرفلز است. سختی و استحکام در مواد مرکب الیافی, بیشتر از الیاف حاصل می گردد و ماتریس در حقیقت وظیفه نگه داشتن الیاف و انتقال نیرو را به عهده دارد. نوع دیگری که می توان مواد مرکب را تقسیم بندی کرد، تقسیم -بندی بر اساس ماتریس است.
1- کامپوزیت‌های پایه پلیمری(ترموست و ترموپلاستیک)
2- کامپوزیت‌های پایه فلزی
3- کامپوزیت‌های پایه سرامیکی
کامپوزیت‌های پایه پلیمری, بیش از 90% کاربرد کامپوزیت‌ها را به خود اختصاص داده‌اند و از بقیه مهم تر هستند.
در مواد مرکب لایه‌ای که بیشترین کاربرد را دارد، لایه‌های تشکیل دهنده مادة مرکب، خود از نوع مواد مرکب الیافی هستند.
در یک ماده مرکب لایه‌ای، می‌توان لایه‌ها را با زوایای مختلف و ترکیب‌های متفاوت روی هم چسباند که عموماً برای چسباندن آنها, از ماده‌ای هم جنس ماتریس استفاده می‌شود.
از نظر فنی، کامپوزیت های لیفی، مهمترین نوع کامپوزیت ها هستند که خود به دو دستة الیاف کوتاه و بلند تقسیم می‌شوند. الیاف, می‌بایست استحکام کششی بسیار بالایی داشته، خواص لیف آن (در قطر کم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع, قسمت اعظم نیرو توسط الیاف تحمل می‌شود و ماتریس پلیمری در واقع ضمن حفاظت الیاف از صدمات فیزیکی و شیمیایی، کار انتقال نیرو به الیاف را انجام می‌دهد. ضمناً ماتریس، الیاف را به مانند یک چسب کنار هم نگه می‌دارد و البته گسترش ترک را محدود می‌کند.
کارآیی کامپوزیت های پلیمری, توسط خواص اجزای آنها تعیین می شود. اغلب آنها دارای الیاف با مدول بالا هستند که در ماتریس های پلیمری قرار داده شده اند و فصل مشترک خوبی نیز بین این دو جزء وجود دارد.
ماتریس پلیمری، دومین جزء عمده کامپوزیت های پلیمری است. این بخش, عملکردهای بسیار مهمی در کامپوزیت دارد. اول اینکه به عنوان یک بایندر یا چسب, الیاف تقویت کننده را نگه می دارد. دوم، ماتریس، تحت بار اعمالی تغییر شکل می دهد و تنش را به الیاف محکم و سفت منتقل می کند. سوم، رفتار پلاستیک ماتریس پلیمری، انرژی را جذب کرده، موجب کاهش تمرکز تنش می-شود که در نتیجه، رفتار چقرمگی در شکست را بهبود می بخشد. از الیاف متداول در کامپوزیت ها, می‌توان به شیشه، کربن و آرامید اشاره نمود. در میان رزین ها نیز، پلی استر، وینیل استر، اپوکسی و فنولیک از اهمیت بیشتری برخوردار هستند. نوع الیاف، مقدار و آرایش یافتگی آنها روی خواص زیر تاثیر می گذارد:
- استحکام و مدول کششی، فشاری و خمشی
- استحکام خستگی
- ضرایب انتقال حرارت و الکتریسیته
- وزن مخصوص کامپوزیت
- قیمت
بررسی الیاف های مهم استفاده شونده در مواد کامپوزیت
الیاف شیشه
الیاف شیشه، مشهورترین تقویت کننده مورد استفاده در صنعت کامپوزیت است و انواع مختلفی از آن, به صورت تجاری وجود دارند که برخی از آنها عبارتند از: E، R، S، C، ECR، AR. ترکیبات شیمیایی این الیاف با هم متفاوت است(جدول(1)). و هر کدام برای کاربرد خاصی مناسب است. تقریباً 90 درصد الیاف مورد استفاده در کامپوزیت های مهندسی, الیاف شیشه است. الیاف شیشه استحکام و سختی مناسبی دارد. خواص مکانیکی خود را در دماهای بالا حفظ می‌کند. مقاومت رطوبت و خوردگی مناسبی دارد و نسبتاً ارزان است. تقسیم بندی شش نوع الیاف شیشه در ادامه نشان داده شده است.
E Glass- مصارف عمومی (عایق جریان الکتریسیته)
Glass- Rخواص مکانیکی بالاتر
Glass- S خواص مکانیکی بالاتر (الیاف با استحکام بسیار بالا)
Glass- C مقاومت شیمیایی مناسب (الیاف مقاوم در برابر مواد شیمیایی)
Glass- ECR مقاومت اسید و باز خوب
Glass- AR مقاومت اسید و باز خوب
جدول (1) : ترکیب شیمیایی انواع الیاف شیشه
|
|
E |
R |
S |
C |
ECR |
AR |
|
SiO2 |
54.2 |
60 |
64.4 |
64.6 |
58.4 |
61 |
|
Al2O3 |
14 |
25 |
25 |
4.1 |
11 |
0.5 |
|
CaO |
17.2 |
9 |
- |
13.4 |
22 |
5 |
|
MgO |
4.6 |
6 |
10.3 |
3.3 |
2.2 |
0.05 |
|
Na2O, K2O, Li2O |
.8 |
- |
- |
9.6 |
.9 |
14 |
|
B2O3 |
10.6 |
- |
- |
4.7 |
.09 |
- |
|
BaO |
- |
- |
- |
0.9 |
- |
- |
|
ZnO |
- |
- |
- |
- |
3 |
- |
|
ZrO2 |
- |
- |
- |
- |
- |
13 |
|
TiO2 |
- |
- |
- |
- |
2.1 |
5.5 |
|
Fe2O3 |
0.4 |
- |
- |
- |
.26 |
.5 |
|
وزن مخصوص |
2.56 |
2.58 |
2.49 |
2.45 |
2.6 |
2.74 |
|
مدول استحکامی (Gpa ) |
3.6 |
4.4 |
4.5 |
- |
3.4 |
2.5 |
|
مدول کششی (Gpa ) |
76 |
85 |
86 |
- |
73 |
80 |
در جدول (2) مزایا و معایب الیاف شیشه، آورده شده است.
جدول (2) : مزایا و معایب الیاف شیشه
|
مزایا |
معایب |
|
قیمت پایین |
شکننده بودن |
|
استحکام کششی بالا |
وزن مخصوص نسبتاً بالا |
|
مقاومت شیمیایی بالا |
حساسیت به سایش |
|
خواص عایق عالی |
مقاومت خستگی پایین |
