الیاف (2)

طبقه بندی الیاف

الیاف رابه روش های متنوعی می توان طبقه بندی کرد. برای مثال در یک تقسیم بندی ممکن است الیاف را به دو نوع الیاف پوشاک و الیاف غیر پوشاک تقسیم بندی کرد.
این تقسیم بندی براساس استفاده ی نهایی ازماده ی فیبری انجام شده است. الیاف پوشاکی شامل الیاف مصنوعی مانند نایلون، پلی استر، اسپاندکس ( spandex ) و الیاف طبیعی مانند پنبه، کنف ( jute )، سیسال ( sisal : نوعی الیاف که از گیاه آگاوای مکزیکی بدست می آید). رامی ( ramie )، ابریشم و... می باشند. الیاف غیر پوشاکی شامل الیاف تولیدی از آرامیدها، پلی اتیلن، فولاد، مس، کربن، شیشه، سیلیکون کاربید و آلومینا می باشد.این الیاف غیر پوشاکی برای تولید سیم وسیمان، ژئوتکستایل ( geotextiles ) وکاربردهای ساختمانی مانند کامپوزیت های تقویت شده با الیاف استفاده می شود. این الیاف دارای سفتی و استحکام بالاتری هستند وتنش های کمتری در ساختار آنها وجود دارد. خواص این الیاف همچنین بستگی زیادی به نوع فرآیند تولید ومیزان وجود عوامل تخریب کننده ( مانند مایعات خورنده ) دارد.
مثلا عموما این الیاف دارای تافنس کم هستند. تقسیم بندی های دیگر برای الیاف را می توان باتوجه به طول فیبر، مداوم یا استیپل ( staple ) بودن الیاف در نظر گرفت. می توان گفت الیاف مداوم دارای طولی بینهایت است در حالی که الیاف استیپل دارای طولی کوتاه و معین ( 10-400 میلی متر ) هستند. مانند الیاف مداوم، الیاف استیپل رانیز می توان ریسندگی کرد وبه نخ تبدیل کرد. این نوع نخ، نخ استیپل فیبری ( staple fiber yarn ) نامیده می شود. اگر الیاف استیپل مورد استفاده خود حالت پیچش و در هم فرو رفتنرا داشته باشند، قابلیت رسیدن نخ تولیدی از آنها بهبود می یابد. الیاف استیپل برای تولید بدنه های بزرگ استفاده می شوند در واقع این الیاف حالت پرکنندگی و فیلتراسیون ایجاد می کنند.خیلی اوقات الیاف استیپل طبیعی مانند پنبه وپشم را با الیاف استیپل مصنوعی مانند نایلون وپلی استر مخلوط می کنند تا خواص مطلوبی ازهر دوی آنها بدست آورند.

طبقه بندی براساس اندازه ی فیبر وحالت محصول تولیدی که به طور معمول موجود است را نشان داده است. برای مثال برخی محصولات به شکل بافته شده وبرخی بافته نشده وجود دارند. که در شکل 1 آورده شده است. هنوز هم یکی از طبقه بندی های راحت ومناسب از الیاف براساس طبیعی یا مصنوعی بودن استوار است. همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده است. گروهی از الیاف طبیعی ( natural fibers ) در گستره ی مواد پلیمری هستند که از گیاهان وحیوانات بدست می آید. در حالی که گروه دیگر الیاف طبیعی از منیزال ها بدست می آیند. این منیزال ها از سرامیک های کریستالین ساخته شده اند.

یک خصوصیت ممتاز الیاف طبیعی این است که آنها عموما از مخلوطی از ترکیبات مختلف ( شیمیایی وفیزیکی ) ساخته شده اند. الیاف مصنوعی را نیز می توان به الیاف پلیمری، فلزی وسرامیکی یا شیشه ای تقسیم بندی کرد. در اینجا باید به این مسئله اشاره کرد که یکی از زیر گروه های خاص وممتاز، ویسکرها ( whiskers ) هستند. ویسکرها الیاف تک کریستال، کوتاه هستند که استحکام بسیار بالایی دارند. استحکام ویسکرها درحد استحکام تئوری است که علت این امر نبود عیوب کریستالی ( مانند نابجایی ها ) در ساختار ویسکرهاست. در واقع به خاطر تک کریستال بودن آنها، مرزدانه نیز وجود ندارد.
ویسکرها به طور معمول به روش رشد از فاز بخار ( vapor phase growth ) تولید می شوند. به طور نمونه، این ویسکرها می توانند قطری درحد چند میکرون وطولی برابر چند میلی متر داشته باشند. بنابراین نسبت طول به قطراین الیاف می تواند بین 50 تا10000 باشد. شاید مهمترین اشکال ویسکرها این الیاف خواص و ابعاد یکسان ندارند. این مسئله باعث می شودکه خواص این الیاف درگستره ی وسیعی قرار داشته باشد. هم تراز کردن وتنظیم کردن ویسکرها در ماتریکس کامپوزیت نیز یکی دیگر از مشکلات استفاده از ویسکرها هست.

الیاف محکم و سفت :

همانگونه که قبلا گفتیم مواد فیبری به وفور در طبیعت یافت می شوند. تا میانه ی قرن بیستم، اکثر استفاده از الیاف به مقوله ی پوشاک ووسایل خانه محدود می شد. تقریبا در میانه ی قرن بیستم الیاف با کارایی بالا ( high per formance fiber ) برای استفاده در قطعات بافتگی و تقویت کننده های مورد استفاده در کامپوزیت ها، بوجود آمد. در این بخش سعی داریم در مورد فرآیند، ریز ساختار، خواص وکاربرد مواد در حالت فیبری صحبت کنیم. تمرکز ما برروی الیاف مصنوعی است که برای کاربردهای غیر پارچه ای استفاده می شوند. این الیاف معمولا بسیار سفت ومحکم هستند . در زمینه ی این الیاف تحولات وپیشرفت های زیادی در نیمه ی دوم قرن بیستم رخ داده است. استفاده ازاین الیاف به عنوان مواد با کاربرد بالا در کاربردهای ساختاری مهندسی بر پایه ی سه مشخصه ی مهم این الیاف است:
1) قطر کوچک نسبت به اندازه ی دانه وسایر واحدهای ریزساختاری. این مسئله باعث می گردد تا بیشترین کسر استحکام تئوری در حالت بالک در فیبر حاصل گردد.
این مسئله نتیجه ای مستقیم از اثر اندازه ( size effect ) است.
این اثر می گوید: اندازه ی کوچکتر، احتمال داشتن عیوب را کاهش می دهد. کاهش احتمال داشتن عیوب باعث می گردد عیوب بحرانی که منجر به شکست ماده می شوند کاهش یابند. بنابراین حتی برای مواد در حالت فیبر هرچه قطرشان افزایش یابد، استحکامشان کاهش می یابد.
2) درجه ی انعطاف پذیری بسیار بالا یکی از خصوصیات مواد با مدول بالا وقطر کوچک است. این انعطاف پذیری اجازه می دهد تا بتوان از تکنیک های متنوعی برای تولید کامپوزیت های تقویت شده با الیاف استفاده کرد.
3)نسبت طول به قطر ( L/d ) بالا که موجب می شود نسبت بیشتری از نیروی اعمالی به ماتریکس کامپوزیت تقویت شده با الیاف بوسیله ی الیاف منتقل شود.
ممتازترین خاصیت مواد فیبری این است که این الیاف در جهت طولشان دارای بهترین عملکرد هستند. از این جهت الیاف به طور عمومی والیاف مداوم به طور خاص بسیار جذاب هستند.
یک ماده ی فیبری نسبت طول به قطر بزرگ تری نسبت به حالت بالکش دارد. واز این روبسیار انعطاف پذیرتر است. این الیاف انعطاف پذیر را می توان به نخ تبدیل کرد. وسپس نخ ها را به شکل های مختلف وپیچیده ای بافت. این مسئله را تصور کنید که موادی مانند شیشه، آلومینا یا سیلیکون کاربید که در حالت بالک ترد هستند را به صورت الیاف در آورده و از آنها شکل های بافته شده تهیه کرد. در حالتی که الیاف تهیه شده دارای قطر بسیار ریزی باشند خاصیت انعطاف پذیری آنها بسیار بهبود یافته ومانند الیاف آلی مورد استفاده برای پوشاک مانند نایلون می شوند. ( یکی از کاربرد های نایلون تولید جوراب های ساقه بلند زنانه است.)
همانگونه که به طور مکرر بیان کردیم مواد در حالت فیبری دارای استحکام بیشتری هستند ودر برخی اوقات در صورتی که به طور مناسب جهت گیری کنند ( یعنی الیاف در جهات مناسب قرار گیرند)
حتی مدول الاستیک آنها از حالت بالک نیز بیشتر است. این خواص منجر به توسعه ی کامپوزیت های تقویت شده با الیاف متنوعی می گردد که در زمینه ی آنها می تواند پلیمری، فلزی، شیشه ای وسرامیکی باشد.