توسعه ی کاربرد مواد کامپوزیتی در خودروکامپوزیت ها

 تحقیق در مورد مواد کامپوزیتی برای ساخـت قطعـات و بـدنـه خودرو چنـدیـن دهـه است کـه جریان دارد. در دهه ???? بنا به درخـواسـت هـنـری فــورد، دانشمندان شرکت "فورد موتور" شروع به جسـتجوی راه ‌هـای توسعه قطعات ارگانیکی ( آلی) خودرو کردنـد. در سـال ???? ماده مناسبی برای این کار پیدا شد و آن روغن سویا بود.بنا به گفته دانشمندان، روغن سویامی­توانست در داخل پلاستیک تقویت‌ شده با الیاف، قالب­گیری شود و به طور شگفت‌انگیزی استحکام داشته باشد. (مقاومت به ضربه آن ?? برابر فولاد بود) و هنری فورد، خود با ضربه زدن با یک تبر به یک قطعه ساخته شده از روغن سویا آن را امتحان کرد. اما روغن سویا دارای دو مشکل عمده بود: زمان زیادی برای خشک شدن نیاز داشت و براحتی قالب­گیری نمی­شد.امروزه تحقیقات برای مواد کامپوزیتی ایده­آل ادامه دارد. اما تمرکز بر روی مواد بشرساخته­ای است که قابلیت قالب­گیری و شکل­دهی برای بدنه­های سبک و آئرودینامیک داشته باشند، زیرا این مشخصه­ها برای خودرو‌های آینده ضروری به نظر می­رسند.کامپوزیت‌ های پیشـرفـته کـه امروزه توسعـه یافـته­اند، مـواد پلیمری بشرساخته­ای هستند که پس از تشکیل، محکم­تروچقرمه­تر (Tougher) و بسیار بادوام­تر از هر دو ماده اولیه می شوند. این مـواد جدید، ترکـیبی از الیـاف محکم کـربن و الیاف چقـرمـه "کِولار" با پلاستیک­های مقاوم در برابر خوردگی هستند که با هم تشکیل کامـپوزیتی می­دهند کـه بسیار بهتر از فولاد و آلومینیوم عمل می کند. اما اصولی که در پس این کامپوزیت­های پیشرفته وجود دارد، چیزی غیر از آنچه که هنری فورد در سال ???? برای دستیابی به آن تلاش می­کرد نیسـت. شاید کامـپوزیـت‌هـای پیشرفته بیشتر در کاربردهـای ویـژه نظامی نظیـر هواپیماهـا شـناختـه شـده باشـد، ولــی در بسیاری از اشیای روزمره نظیر بدنه قایق­ها، چوب­های ماهی­گیری، اسنوبورد و راکت‌های تنیس نیزمی­توان آنهارا به‌کاربرد. کامپوزیت‌های ساختاری، نوع دیگری از کامپوزیت‌ها هستند که دارای کارایی کمتری نسبت به کامپوزیت‌های پیشرفته می­باشند و در سـقف خـودرو و قسـمت داخـلی درهـای خـودرو‌هـای امروزی استفاده می‌شوند. داشبوردهای ضد ضربه­ای که بر روی ماشین­های کوپه، ون­ها و خودرو­های چهاردر دیده می­شوند، ازکامپوزیت‌های ساختاری ساخته شده­اند که نسبت به قطعات فولادی مشابه، دارای مقاومت در برابر ضربه و خوردگی بهتری می باشند. اگر چه مدل­های ویژه­ای نظیر: "شورولت کوروت"، " ساترن" و"داج‌وایپر"، دارای داشبوردهای ساخته شده از کامپوزیتهای ساختاری می­باشند، ولی برای استحکام بیشتر به وسیله یک چارچوب فولادی تقویت شده­اند.کامـپوزیت­هـای پیشرفته­ تر کـه برای خودرو­ها و کامیون­های آینده در حال توسعه هستند، نقشی بیشتـر از یک شـئ تـزئینـی در اتومیبل­های آینده خواهند داشت و آنقدر مستحکم خواهند شد که کل خودرو از آن ساخته شود.ü استحکام بالا و وزن سبک کامپوزیت‌های پیشرفتهکامپوزیت­های پیشرفته به این خاطر در خودرو­هـای مسابقه­ای مورد استفاده قرار می­گیرند کـه علاوه بر وزن بسـیار سـبک، در مقـابل فشار زیادی کـه در طول مسابقه خصوصاً هنگام تصادفات ایجاد می شود، مقاوم هستند.ازاوایل دهه ی?? کامپوزیت‌های پیشرفـته به طور مـتداول در اتاق سـرنشـین خودرو­های مسابقـه­ای فرمـول یک، مورد اسـتفاده قـرار می­گیرنـد و به گـونه­ای طـراحی شده­اند که از جان راننده هنگام تصادفـات با سـرعت‌هـای بالای ??? مایل در ساعت، محافـظت کنند.راه‌ حـل کـلیدی بـرای کـاهش مصرف سوخـت در خودرو­هـا، بـدون کـاهش فـضای داخـلی و کارایی خودرو استفاده از مواد سبک نظیر کامپوزیت‌ها می باشد. مصـرف سـوخت کـم ، شتـاب و کارکـرد بـالای ماشین هـمگی با کـاهش وزن آن قـابـل دسـتیـابـی است.

 در سال ???? جنرال موتورز خودروی به نام" اولترالایت" که تماماً از کامپوزیت­های پیشرفته تشکیل شده بـود، سـاخت. این ماشین تقـریباً ?? درصد سبکـتر از خودرو­های چهار سرنشین هم‌اندازه خود بود که به آن شتاب?/? (برای صفر تا ?? مایل) می­بخشید و مسافت طی شده، ?? مایل به ازای هر گالن سوخت گازی بود.از زمان آزمایش هنری فورد در دهه ????، سازندگان خودرو به گران‌قیمت بودن قطعات خودرو کـامپوزیتی پی بـرده­اند و تنهـا برای خـودرو‌های ویژه­ای نظیر "کوروت" که از سال ???? با داشبوردهـای فایبرگـلاس تولید شده‌اند ، از کامپوزیت‌ها استفاده می­کردند.با این حال در طی این سال‌ها، روش­های تولید پیشرفت کرده­اند و اکنون کامپوزیت‌های ساختاری که ارزانتـر از کامـپوزیت‌هـای پیشـرفته می­باشند در خودرو­های امـروزی بسـیار متداول شده­اند. روش­های ساخـت جدید ماننـد "RTM " (فوق پرسرعت) و "خشـک شـدن سـریع تـوسـط پرتوهای الکترونی" ، قیمت‌ها را تا حدی پایین آورده است که به زودی استفاده از کامپوزیت‌های پیشرفته در خودرو­های معمولی توجیه اقتصادی خواهد داشت. ü توسعه ی کاربرد کامپوزیتهای پیشرفته در خودروشرکت‌های خودرو­سازی نظیر "جنرال موتورز" ، " فورد" و "دایملر- کرایسلر" ، تمام تلاش تحقیقاتی خود را بر روی توسعه کـامپوزیت‌های پیشـرفته بـرای مصارف خودرو قرار داده­اند. کرایسـلر در تحـقیقات کامپوزیت پیشتاز است و برنامه تحقیقاتی را از سـال ???? در دستـور کـار خود قرار داده و هدف آن تولید یک ماشین ارزان‌قیمت برای تولید در کشـورهـای در حـال توسعـه نظیر چین بود. نتیجه این برنامه تولید (CCV) یا (Composite Concept Vehicle) بود که در سال ???? در نمایشگاه خودرو، در فرانکفورت به نمایش درآمد. اگـرچـه این خودرو هرگـز تولید نشد ولی ثابت کرد کـه قـطعـات بزرگ ساخته شده از کامپوزیت، مقاومت لازم در برابر فشارهای حاصل از رانندگی و تصادف را دارنـد. بدنـه سـاخـته شـده از کامپوزیت ساختاری در"CCV" در واقـع چهـار بخـش بـود کـه همگی از PET ( پلی اتیلن­ تری فتالات) تقـویت شـده با الـیاف کوچـک شیشـه ساختـه شـده بـود.در حـال حاضـر تـلاش‌هـای "دایملر- کرایسلر" بر توسعه ی فرآیند ساخت قطعات مجزا، مانند سـقـف­های محکـم بـرای" جـیپ- رانگلر"، استوار شده است، به این امید که روزی بدنه ی کامل یک خودرو را با یک قالب تولید نماید.خودرو‌های تماماً ساخته شده از کامپوزیت­های پیشرفته نیز از اهداف مورد توجه شرکت­های خودروسازی هستند. مدل فولکس واگن "Lupu" که از کامپوزیت‌های پیشرفته ساخته شده است، برای تولید در سال ???? برنامه­ریزی شده است و ادعا می­شود که دارای مسافت طی شده ی ??? مایل به ازای هر گالن سوخت دیزلی می­باشد.در چند سال آینده ما شاهد تولید انبوه، اولین خودرو­های ساخته شده از کامپوزیت‌های پیشرفته خواهیم بود که کارایی و مصرف سوخت بسیار بهتری خواهند داشت.

 پلیمرهای رسانای جریان الکتریسیته

 مقدمه:به طور کلی محصولات ساخته شده از پلیمرها نارسا نا بوده و مقاومت زیادی در برابر عبور جریان الکتریسیته از خود نشان می دهند. به همین دلیل از مواد پلیمری درصنعت الکترونیک و الکتروتکنیک استفاده می شود برای مثال از پلیمرها برای عایق کاری کابلهای انتقال الکتریسته، صفحات انتقال الکتریسیته و روکش باطریها استفاده می شود، اما در بعضی موارد همین مقاومت زیاد در مقابل عبور جریان الکتریسیته باعث ذخیره شدن الکتریسیته می گردد که مجموعه ای از مشکلات ناخواسته را به دنبال دارد. مثلاً ایجاد الکتریسیته ساکن در خود تسمه ها و جعبه های حفاظ دستگاهای الکتریکی، کف پوشها، البسه وغیره که باعث تولید جرقه الکتریکی می شود و در بعضی موارد ایجاد آتش سوزی می کند . در این گونه موارد، هدایت الکتریسیته به محیط اطراف مورد نیاز است. یکی از روشهای رسانا ساختن پلیمرها امتزاج آنها با مواد رسانای الکتریسیته است. با توسعه وتولید بیشتر این نوع پلیمرها در سالهای اخیر استفاده از آنها در زمینه های گوناگون نیز افزایش یافته است برای مثال در دستگاهای استفاده از انرژی خورشیدی، تابلوهای برق، دستگاهای مصرف انرژی و موتورهای مکانیکی و قسمتهای الکتریکی اتومبیل ها از این پلیمرها استفاده می شود .موادی که جهت امتزاج با موادپلیمری مورد استفاده قرار می- گیرند عبارت اند از: دوده رسانا، پودر رسانا، پودر فلزات، الیاف شیشه یا الیاف فلز ( ? و?) و... میزان رسانندگی الکتریکی پلیمرهایی که از طریق امتزاج با مواد پیش گفته، رسانا شده اند حد ومرزی دارد که بیش از آن امکان پذیر نیست. علاوه بر آن مصرف بیش از حد این مواد در پلیمر باعث تخریب و تغییرات بسیار زیاد خواص فیزیکی و مکا نیکی خود پلیمر می گردد. از این رو جهت رفع این گونه نواقص، خواص رسانش الکتریکی را می توان به طور مستقیم در خود پلیمرها به وجود آورد.اگر از یک زنجیر پلیمری دارای پیوند π که لایه های والانس مولکولهایی آن تکمیل شده است یک الکترون برداشته شود (اکسایش)، یا به آن یک الکترون اضافه گردد(کاهش )، در آن صورت با ایجاد یک آرایش مناسب شبیه به فلزات می توان خاصیت رسانش الکتریکی را در آن ایجاد کرد .پلیمرهایی که به این ترتیب رسانای جریان الکتریسیته شده اند را فلزات آلی نیز می نامند. در دماهای معمولی نیز می توان توسط ایجاد حا لت های فضایی مناسب از ماکرومولکولها ابر- رسانا به وجود آورد. البته جهت اثبات این نظر دلیل آزمایشگاهی مورد نیاز است.از لحاظ خواص فیزیکی، ساختار مولکولی و ویژگیهای فضایی در فرآیند رسانایی، رابطه نزدیکی بین پلیمرهای رسانای الکتریسیته و سرامیک های ابر رسانا وجود دارد که این موضوع در فیزیک مورد بررسی زیاد قرار گرفته است.- پلیمرهای رسانای الکتریسیته :در اینجا سنتز پلی استیلن را که یکی از مهمترین پلیمرهای رساناست و در مراکز تحقیقاتی وعلمی جهان بیشتر مورد مطالعه وبررسی قرار گرفته است مطرح می کنیم .البته کارهای تحقیقاتی وسیع انجام شده در این زمینه را می توان در کتب مرجع یافت. پلی استیلن برای اولین بار در اواخر سال ???? در آزمایشگاه "ناتا" به طور مستقیم از پلیمریزه شدن استیلن به دست آمد اما احتمالاً به علت حساسیت پودر سیاه رنگ حاصل ، در مقابل اکسایش و نبود تکنو لوژی مناسب جهت بهره- برداری از آن آزمایش های بیشتر روی آن انجام نشد و حتی در این مورد مطلبی هم نوشته نشد. اما چند سال بعد در سال ???? در اثر یک اتفاق ساده یکی ازدانشجویان انستیتو تکنولوژی توکیو به نام "شیراکاوا" ، پلی استیلنی را به دست آورد، که حاصل تلاش مشترک " شیراکاوا ، مک دایارمید و هیگر" بر روی پلیمر به دست آمده توسط عمل دوپه کردن بود. آنها توانستند برای اولین بار میزان رسانندگی الکتریکی پلی- استیلن را تقریباً تا ??میلیارد برابر حالت معمولی پلیمر افزایش دهند .بعد از کشف اثر دوپه کردن درپلی- استیلن از سال ???? به بعد توجه مؤسسات تحقیقاتی و مراکز علمی بسیاری به این نوع پلیمرها معطوف گردید و در این زمینه پیشرف های بسزایی حاصل شد. برای مثال تعداد زیادی از پلیمرهای حاوی پیوند های یگانه و دوگانه ی متناوب (سیستم مزدوج) کشف گردید. از آن تاریختاکنون تعداد نا محدودیکارهای نظری در این زمینهصورت گرفته است ولی از نظرتکنولوژی هنوز مشکلات فراوانی وجود دارد.- رابطه نظم فضایی وخواص فزیکی در پلیمرهای رسانای الکتریسیته :هر جامدی الکترون دارد؛ مسئله مهم در رسانش الکتریکی چگونگی پاسخ الکترونها به میدان ا لکتریکی اعمال شده است. ناحیه هایی ازانرژی که برای آنها هیچ اوربیتالالکترونی موج گونه وجود ندارد، نوارهای والانس و رسانش را از هم جدا می کنند. چنین نواحی ممنوعی را شکافهای نواری می نامند. این نواحی از بر هم کنش امواج الکترونهای رسانش با مغزهای یونی بلور، حاصل می شوند. در شکل? ، نوارهای انرژی مجاز و شکافهای انرژی (فاصله بین نوارهای والانس و رسانش) برای (ا لف) نارسانا (ب) نیمه رسانا و(ج) رسانا نشان داده شده است .اگر نوارهای ا نرژی مجاز کاملاً پر یا خالی باشند ماده مانند یک عایق رفتار می کند، زیرا در این صورت هیچ الکترونی نمی- تواند درمیدان الکتریکی حرکت کند.اگر کسری مثلاً ??تا ?? درصد از یک یا چند نوار پر باشند، ماده مانند فلز رفتار می کند. ا گر تمام نوارها به استثنای یک یا دو نوار که اندکی پر یا خالی اند، کاملاً پر باشند، ماده نیمه رسانا خواهد بود. همه پلیمرهای رسانا مجموعه ای از واحدهای ساختاری مشابه دارند. جهت شناور ساختن الکترون در طول زنجیر پلیمر، احتیاج به واحدهای ساختاری مناسب با شکاف انرژی کمتر می باشد. به عنوان مثال از پلی استیلن که فقط دارای پیوندهای یگانه و دو گانه متناوب است و یا سیستم های آروماتیکی می توان نام برد.

 ترانس پلی استیلن trans-polyacetyleneسیس پلی استیلن

polyacetylene cis-پلی ?و?- هپتا دی اِن poly 1,6- heptadieneپلی پارا فنیلن poly – p – phenyleneپلی بی تیوفن poly bithiopheneپلی?- آلکیل تیوفن poly – 3 – alkyl thiopheneپلی پیرول poly pyrroleپلی ان آلکیل پیرول poly – N – alkyl pyrroleپلی وینیلن فنیلن poly vinylene phenyleneپلی بنزن تیول poly benzenethiolپلی آنیلین poly anilineپلی بنزوتیوفن poly benzothiopheneپلی ان متیل کربازول poly – N – methylcarbazol

  قوی ترین الیاف موجود در جهان

 پروتئینی که عنکبوت را قادر می سازد خود را آویزان کند و همچنین به شکار طعمه کمک می کند، نظر دانشمندان را به خود جلب کرده است . مولکول های این پـروتئین بسیار کشسان و قـوی هستند ، تقریباً ?? برابر از نایلون کشسان تر و ? برابر از فولاد در قطر مساوی قوی تر می- باشد .علاقـه به تـار عنکبوت در حالی است که زمینه مـواد زیستی، مورد بسیـار قابل توجه و رو به رشــدی در زمینه پـژوهش های مــواد است .دلیل توجه ارتش ایالات متحده به این ماده استفاده از آن در ساخت جلیقه های ضد گلوله و محافظ هاست. هدف عمده ی پژوهش های دانشمندان، درک چگونگی چین خوردن این پروتئین و سازماندهی رشته تار عنکبوت است . پژوهشگران با استفاده از روش میکروسکوپ نیروی اتمی و یک کشنده مولکولی، با تصویربرداری و کشش این پروتئین، به سر نخ هائی دست یافته اند.این مشاهدات به پژوهشگران کمک می کند تا آنچه را در هنگام تشکیل تار عنکبوت در غده تراوش تارعنکبوت رخ می دهد ، شبیه سازی کنند .آنها دریافته اند که وقتی پروتئین باز می شود به صورت تکه تکه است . در ضمن این پروتئین دارای پیوندهایی است که هنگام افزایش بـار ، باز شده و تغییر شکل می دهند ، این امر از الگوئی پیروی می کند که در دیگر پروتئین های تحت بار کشف شده است .تار عنکبوت دارای بخش های کریستالی و بخش های شبه لاستیکی کشسانی است.پژوهشگران دریافته اند که مولکول های منفرد دارای هر دو بخش هستند .پـژوهشگران بر این باورنـد که با مطالعه توانمندی عنکبوت ها در تنیدن تــار می توان به راز تولید مواد قوی تر و بهتر پی برد . آن ها بر این باورند که می توانند با تقلید از عنکبوت فر آیند طراحی مواد را بهبود بخشند .به این ترتیب آن ها می توانند کارآیی محصولات گوناگون، از راکت تنیس گرفته تا بمب افکن استلث(stealth) بهبود بخشند .

 آزمایش های انجام شده نشان می دهد که تارعنکبوت در برابر تغییر خواص ، فوق العاده مقـاوم است و می توان آن را در هوا یا زیر آب تنید .الیاف تار عنکبوت، با ظرافت بسیار (قطری در حدود ??/? میکرون) برتری های فراوانی دارند . ویژگی های ذاتی تار عنکبوت برای مهندسانی که در حال طراحی مواد برای مشتریان وبازار صنعتی هستند، بسیار جذاب است .آنها می گویند:" بطورمعمول می توان موادی فوق العاده قوی ساخت ولی با این کار چقـرمگی کاهش می یابد؛ هم چنین می توان موادی با چقرمگی فوق العاده بالا ساخت ولی استحکام کاهش خواهد یافت . ترکیب این دو ویژگی همان گونه که در تار عنکبوت مشاهده می شود، هدف ماست.

 تاریخچه

سابقه استفاده از چسب توسط انسان را می‌توان در واقع از عصر سنگ و دوران غارنشینی در تهیه تیر و کمان و یا نقاشی حیوانات غول پیکر بر روی تخته سنگها با استفاده از رنگدانه‌ها دانست. بدون شک ، خون نخستین ماده‌ای بود که بشر از آن به عنوان چسب استفاده می‌کرد که البته کیفیت خوبی نداشت و متداول نشد. به تدریج بشر به وجود مواد چسب دار طبیعی پی برد و استفاده از آنها را آموخت.در واقع اولین ماده چسب دار که بطور گسترده مورد استفاده قرار گرفته بود، مواد نشاسته‌ای ، قندی ، صمغ‌ها ، و شیره‌های برخی از گیاهان بود.

مثلا رومیان از سقز (ماده چسبدار و صمغی که از درختان برگ سوزنی نظیر سرو و کاج و یا درخت صنوبر ترشح می‌شود) در صنعت کشتی سازی استفاده می‌کردند. به تدریج مواد دیگری مانند موم ، عسل و یا مواد ژله مانندی از ماهی ، شاخ حیوانات یا شیر و تخم مرغ بکار گرفته شده بعدها ، با پیشرفت صنایع و استخراج و پالایش نفت ، از قیر و قطران چوب و ... به عنوان چسب استفاده به عمل آمد. اگر چه کائوچوی طبیعی (شیوه لاتکس) از مدتها قبل شناخته شده بود، اما چون حلال مناسبی برای آن موجود نبود، کاربردی به عنوان ماده چسبی پیدا نکرد تا اینکه با دستیابی به روغن‌های نفتی که کائوچو را در خود حل کرده و مایع چسبناکی را به وجود می آورند، کاربرد آن به عنوان ماده چسبی متداول شد.

 کاربردهای متنوع چسب‌

از قرن نوزدهم بتدریج با پیدایش چسب‌های سنتتیک ساخته شده در صنعت پلیمر ، چسب‌های سنتی و گیاهی و حیوانی از صحنه خارج شده است. صنعت چسب به صورت گسترده ای در حال رشد می‌باشد و تعداد محدودی وسایل مدرن ساخت بشر وجود دارد که از چسب در آنها استفاده نشده است. در اتصالات اغلب وسایل از یک جعبه بسیار ساده غلات گرفته تا هواپیمای پیشرفته بوئینگ 747 از چسب استفاده شده است.

 امکانات بشر می‌تواند بوسیله چسب‌ها اصلاح گردد. این مطلب ، شامل استفاده از سیمان‌های سخت شده توسط UV در دندانپزشکی و سیمان‌های پیوند آکلریلیک در جراحی استخوان می‌باشد. پیشرفت جدیدی که اخیرا در کاربرد چسب حاصل گشت، اتصال ریل‌های فولادی و تراموای جدید شهر منچستر بود. چسب‌ها نه تنها برای موادی که بایستی چسبانده و بهم پیوسته شوند، بلکه در ایجاد چسبندگی برای موادی از قبیل جوهر تحریر ، رنگها و سایر سطوح پوششی ، وسایل بتونه کاری و وجوه میانی در مواد ترکیبی از قبیل فولاد یا بافت پارچه ، در تایرهای لاستیکی و شیشه‌ یا الیاف در پلاستیک‌ها ضروری هستند.