مقدمه ای بر کامپوزیت های زمینه فلزی

مقدمه:

اگرچه کامپوزیت های زمینه فلزی (MMC) نسبتاً تازه وارد هستند و مدت زیادی نیست که در زمره ی مواد مهندسی قرار گرفته اند، ولی هر روز بهبود خواص و آگاهی بیشتر از این مواد حاصل می شود. بهبود مسائل اقتصادی این مواد منجر به کارگیری این مواد در ساختارهای آینده می شود.

سیستم های کامپوزیتی زمینه فلزی (MMC System)

تعریف:

یک سیستم کامپوزیتی زمینه فلزی عمدتاً به سادگی و با استفاده از یک زمینه ی ساخته شده از یک آلیاژ فلزی ساخته می شود که بوسیله ی یک تقویت کننده ی سرامیکی محافظت می شود برای مثال کامپوزیت 6061AL/30v/oSicp از یک آلیاژ تقویت شده با 30 درصد حجمی تقویت کننده ی سیلیسیم کاربید، تشکیل شده است. البته تعریفی که کردیم، یک تعریف کامل سیستم کامپوزیتی نیست زیرا این تعریف اطلاعاتی در زمینه ی فرایند تثبیت و استحکام بخشی نداده است. همچنین در مورد عملیات حرارتی دوباره یا جهت گیری خاص الیاف نیز صحبت نکرده است.
پس با توجه به صحبت های گفته شده می فهیمم که باید نکاتی را بدانیم تا بتوانیم کامپوزیت های زمینه فلزی را از دیگر انواع مواد کامپوزیتی تمیزدهیم. از این لحاظ، چندین تفاوت این کامپوزیت ها را در زیر آورده ایم:
1-فاز زمینه ی یک کامپوزیت زمینه فلزی، یا یک فلز آلیاژی است و یا یک فلزخالص است. (نه یک پلیمر یا سرامیک)
2-کامپوزیت های زمینه فلزی از سرامیک ها یا کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) داکتیل تر و دارای تافنس بیشتری هستند. اگرچه در مقایسه با آلیاژهای تقویت نشده مورد استفاده در زمینه، این کامپوزیت ها داکتیلیتی کمتری دارند و از لحاظ تافنس نیز ضعیف ترند.
3-نقش تقویت کننده در کامپوزیت های زمینه فلزی، افزایش استحکام و مدول است،درست شبیه به کامپوزیت های زمینه پلیمری ولی در مورد کامپوزیت های زمینه سرامیکی، تقویت کننده عمدتاً نقش کاهش خسارات ناشی از تاب برداشتن را بر عهده دارند.
4- کامپوزیت های زمینه فلزی عمدتاً ظرفیت گرمایی بزرگ تری نسبت به پلیمرها و کامپوزیت های زمینه پلیمری دارند ولی ظرفیت گرمایی آنها از سرامیک ها و کامپوزیت های زمینه سرامیکی کم تر است.

مواد زمینه ( Matrix Materials)

فلزات یکی از مواد بسیار مناسب برای مواد مهندسی هستند. یک ماده ی فلزی دارای گستره ی وسیعی از خواص قابل کنترل است. که این خواص با انتخاب عناصر آلیاژی و فرآیندهای ترمومکانیکی کنترل می گردد. استفاده ی گسترده از فلز نه تنها استحکام و تافنس بالای این ماده را نشان می دهد بلکه سهولت نسبی و قیمت پایین تولید قطعات مهندسی با گستره ی وسیعی از روش های تولید را نیز نشان می دهد.
برای رسیدن به خواص مطلوب مانند سختی، مقاومت در برابر خستگی و سایش و استحکام بالا در عین دارا بودن خواص مانند کاهش ضریب انبساط گرمایی و رسانش، باید زمینه ی فلزی با یک استحکام دهنده ی مناسب ترکیب شود. البته هزینه ی رسیدن به چنین خواص بهبود یافته ای یکی از چالش های پیش رو در کاربردهایی است که پتانسیل استفاده کردن از کامپوزیت های زمینه فلزی در آن ها وجود دارد.
در مقایسه با انواع دیگر کامپوزیت (زمینه پلیمری و زمینه سرامیکی)، کامپوزیت های زمینه فلزی به طور واضح با ترکیبات خاص و فرآیندهای تولید متفاوت درگیر هستند. این مسأله بطورعمده بخاطر تفاوت های ذاتی بین فلز با پلیمر و سرامیک است. (این مواد در زمینه ی کامپوزیت استفاده می شوند) . در حقیقت در مورد این مسأله زمینه ی کامپوزیت در ایجاد خواص مربوطه نسبت به تقویت کننده ها بیشتر تأثیر دارد. فلزات خالص مات و عناصر شیمیایی درخشانی اند و به طورکلی رساناهای خوبی برای گرما و الکتریسیته هستند. همچنین اگر سطحشان را پویش کنیم، تمایل دارند که نور را به خوبی منعکس کنند. اکثر فلزات داکتیل هستند اما آنها نسبتاً مواد پردانسیته ای هستند. این خواص فلزات منعکس کننده ی طبیعت پیوند اتمی در فلزات است. در فلزات اتم ها تمایل دارند که الکترون از دست دهند، که نتیجه ی این مسأله ایجاد یون های مثبت می شود. در مقابل این مسأله سرامیک ها و پلیمرها موادی هستند که از لحاظ شیمیائی ترکیبی از عناصر هستند. پیوندها در مواد سرامیکی و پیوندهای بین مولکولی در پلیمرها نتیجه ی اشتراک بین اتم ها و یا انتقال الکترون ها از اتمی به اتم دیگر است. به دلیل عدم وجود الکترون های آزاد در سرامیک ها و پلیمرها (درپلیمرها به علت وجود پیوندهای و اندروالس، الکترون آزاد وجود ندارد.) رسانایی گرمایی و الکتریکی ضعیف است و قابلیت تغییر شکل و تافنس در مقایسه با مواد فلزی کم تر است.

نقش مواد مورد استفاده در زمینه

اتخاب آلیاژهای زمینه برای کامپوزیت های زمینه فلزی بوسیله ی چندین ملاحظه انجام می شود. و به عنوان یک مسأله ی بسیار خاص، به شکل تقویت کننده (از لحاظ مداوم بودن و یا نبودن) توجه بسیار می شود. استفاده از الیاف مداوم به عنوان تقویت کننده ممکن است باعث انتقال مقدار زیادی از بار اعمالی، به تقویت کننده شود. افزایش استحکام این نوع کامپوزیت با افزایش میزان استحکام الیاف بکار برده در ساخت آنها، زیاد می شود. نقش های عمده ی آلیاژ زمینه بوسیله ی انتقال بهتر بال به الیاف و جلوگیری از رشد ترک در زمانی که در الیاف شکست اتفاق می افتد، انجام می شود، بنابراین آلیاژ زمینه برای کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با الیاف مداوم بیشتر از مواد چقرمه انتخاب می شود تا با استحکام بالا. براین اساس، در کامپوزیت های تقویت شده با الیاف مداوم از آلیاژهای زمینه ای استفاده می شود که استحکام کمتر، داکتیلیتی بیشتر و تافنس بیشتر داشته باشند. برای کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با الیاف کوتاه (غیر مداوم) زمینه ممکن است در استحکام کامپوزیت تأثیر زیادی داشته باشد. پس در انتخاب زمینه ممکن است توجه به نیاز استحکام کامپوزیت تأثیر داشته باشد و از این رو نیاز به آلیاژهای زمینه ای مستحکم تر می باشد. ملاحظات اضافی در انتخاب زمینه شامل تقویت کننده های بالقوه یا واکنش های ماتریکس در هنگام فرآیند تولید یا در هنگام کارکرد است. این ملاحظات ممکن است باعث کارکرد بدتر کامپوزیت، تنش گرمایی بوجود آمده به علت عدم تناسب در انبساط گرمایی تقویت کننده و زمینه و تأثیر رفتار خستگی زمینه بر روی واکنش سیکلی کامپوزیت، شود. درحقیقت رفتار کامپوزیت های زمینه فلزی در شرایط اعمال نیروهای سیکلی، بخشی است که نیازمند ملاحظات خاصی است. در کامپوزیت های زمینه فلزیی که برای استفاده در دماهای بالا استفاده می شوند، یک ملاحظه ای اضافی توجه به تفاوت دمای ذوب بین تقویت کننده و زمینه است. تفاوت زیاد در دمای ذوب ممکن است باعث ایجاد خزش در هنگامی که تقویت کننده هنوز الاستیک است و حتی در دماهایی که زمینه در حال رسیدن به نقطه ی ذوب است، اتفاق افتد. به هر حال در هنگامی که تفاوت کوچکی در نقطه ذوب کامپوزیت وجود دارد، خزش باید در زمینه و تقویت کننده بررسی شود.

شکل های مواد زمینه

فلزات به صورت روتین در گستره ی وسیعی از شکل های تولیدی، در دسترس هستند.
این شکل های تولیدی در عملیات های تولیدی بعدی مورد استفاده قرار می گیرند. این شکل ها شامل مواد ذوب مجدد شده برای ریخته گری، مواد شکل داده شده مانند سیم، فویل، صفحه، میله، پلیت، گونه های مختلفی از اشکال اکسترود شده و پودر می شود. بسیاری از این اشکال مختلف برای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی استفاده می شوند. روش های ذوبی مانند تصفیه فلز مایع می شود که این روش ها نیازمند ترکیبات با قابلیت ذوب مجدد هستند. روش های فویل / الیاف/ فویل نیازمند فویل های زمینه به ضخامت مناسب ( به طور نمونه 0.1 میلی متر یا 0.004 اینچ) هستند. به طورعمومی، فویل به معنای یک محصول پیچیده ( به صورت توپ در آمده) با ضخامت کمتر از 0.012 اینچ (0.3 میلی متر) است. چنین ضخامتی به سهولت در دسترس است و از عبور بسیاری از آلیاژهای زمینه ای داکتیل از میان دو غلطک بدست می آید، البته ممکن است که برای آلیاژهای با کار سختی بالا از روش های خاص استفاده شود. بسیاری از فلزات را می توان با روش های متنوعی به حالت پودر در آورد.

انواع مواد زمینه

بسیاری از کاربردهای کامپوزیت زمینه فلزی دارای ملاحظات بغیر از استحکام هستند. برای مثال، در کنتاکت های الکتریکی و بنابراین احتیاجات متناظری از لحاظ نوع مواد زمینه وجود دارد. فلزات خالص عموماً نرم و کم دوام هستند. در حالی که دارای رسانندگی الکتریکی و گرمایی خوبی هستند. این مسأله به دلیل عواملی بوجود می آید که موجب تغییر فرم پلاستیک آسان و استحکام پایین همراه با داکتیلیتی بالا و همچنین اجازه ی حرکت آسان الکترون های آزاد مهیا می گردد ( این حرکت آسان موجب افزایش رسانش گرمایی و الکتریکی فلز خالص می گردد) . بنابراین در کاربردهایی که نیاز به رسانایی گرمایی یا الکتریکی بالا به همراه استحکام بالا و مقاومت در برابر سایش، داریم (برای مثال در نوک های کنتاکت ) از کامپوزیت های با زمینه فلزی با فلز خالص که با تقویت کننده های سرامیکی ساخته شده اند، استفاده می شود.
در سال های اخیر، تأکید رو به رشدی بر استفاده از ترکیبات آلیاژی شبیه به ترکیبات اینترمتالیک کامل مانند تیتانیم آلومینیوم، انجام شده است. ترکیبات اینترمتالیک این چنینی و آلیاژهای آنها اغلب ترکیبات جالب با دانسیته ی پایین، نقطه ذوب بالا و استحکام بالا در دماهای بالا ایجاد می کنند. به عبارت دیگر، داکتیلیتی چنین ترکیباتی عمدتاً ضعیف است که علت آن این است که پیوندهای موجود در این مواد اغلباً به جای پیوندهای فلزی، پیوندهای کوالانسی ویونی هستند.
آلیاژهای زمینه همچنین براساس دمای ذوب نیز طبقه بندی می شوند. به طورغیرطبیعی، به خاطر دماهای ذوب بالا که در کامپوزیت های حاوی مولیبدن، نیوبیوم و شگستن اتفاق می افتد، این کامپوزیت ها را اجسام نسوز می نامند البته جسم نسوز به معنای جسمی است که به سختی ذوب می شود، و در اصل به اشتباه به این اجسام نسوز می گویند. فلزاتی مانند آهن، نیکل و مس دارای رفتار ذوب شدن متوسطی هستند. در حالی که آلومینیوم و منیزیم مواد با دمای ذوب نسبتاً پایین تری هستند.
فلزات مختلفی در ساخت کامپوزیت های زمینه فلزی استفاده می شوند با انتخاب مواد زمینه، بنیانی برای طبقه بندی این کامپوزیت ها میسر می سازد. سیستم های آلیاژی شامل آلومینیوم، مس، آهن (فولادها)، منیزیم، نیکل، تیتانیم به عنوان زمینه مصرف می شوند. که به عنوان نمونه، از بین این مواد در مورد آلیاژهای آلومینیوم صحبت می کنیم.

آلومینیوم

گستره ی وسیعی از آلیاژهای آلومینیوم در شکل های متنوع در کامپوزیت های زمینه فلزی استفاده می شود. دانستیه ی اغلب آلیاژهای آلومینیوم به دانسیته ی آلومینیوم خالص نزدیک است که این مقدار تقریباً 0.1 پوند بر اینچ مربع (2698 کیلوگرم بر متر مربع) است. آلومینیوم خالص در دمای 1220 درجه فارنهایت (660 درجه سانتیگراد) ذوب می شود. این دمای ذوب نسبتاً پایین در مقایسه با اکثر فلزات مستعد برای زمینه، باعث تسهیل فرآیند تولید کامپوزیت های زمینه فلزی پایه آلومینیوم مانند متالورژی پودر و روش های قالب گیری می گردد. آلیاژهای آلومینیوم به طور عمده بر اساس روش شکل دهی ( بدون استفاده از ریخته گری و یا مواد قالب گیری طبقه بندی می شوند. علاوه بر این کامپوزیت های تولیدی به روش بدون ریخته گری همچنین به شکل پودر نیز وجود دارند. واژه ی بدون ریخته گری به معنای این است که این مواد ابتدائاً بوسیله ی روش های مکانیکی شکل دهی شده اند؛ این روش های مکانیکی، تولیداتی مانند صفحات غلطک کاری شده، ورق یا صفحات، انواع شکل های اکسترود شده، لوله، قطعات خرج شده، سیم، میله و یا شمش را تولید می کنند.
استفاده از فویل های آلیاژی آلومینیومی و فرآیندهای تولیدی در دمای پایین، باعث تولید موفق و استفاده ی کامپوزیت های زمینه آلومینیومی می شود. این کامپوزیت ها به روش فویل/ الیاف/ فویل تولید می شوند و بوسیله ی الیاف بور یا الیاف بور پوشش داده شده با سیلیسیم کاربید تقویت می شوند. این کامپوزیت ها در دهه ی 1970 برای کاربردهای هوایی استفاده می شده است. از آلیاژ 6061Al-Mg-Si در شکل فویل نیز در برخی موارد استفاده می شود. همچنین از آلیاژهای با چنین ترکیبی و به صورت ریخته گری برای تولید زمینه های مناسب برای کامپوزیت های تقویت شده با الیاف مداوم گرافیت- آلومینیوم استفاده می شوند.
بسیاری از ترکیبات آلیاژی آلومینیومی برای تولید به روش اکستروژن و کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با الیاف کوتاه مناسب هستند. و خواه شکل دهی نهایی به روش متالورژی پودر باشد یا روش های قالب گیری، این مواد با این فرآیند تولید می شوند. آلیاژهای آلومینیوم نامزد برای استفاده در تولیدات قالب گیری عمدتاً به صورت شمش هایی با اندازه های متفاوت وجود دارند. همچنین این آلیاژها در شکل های مناسب برای ذوب مجدد نیز وجود دارند. کاربردهای چنین مواد ریخته گری شامل تولید اجزای قالب گیری است که در آلومینیوم تقویت شده با الیاف کوتاه (DRA) استفاده می شوند. همچنین به خاطر اینکه ذرات تقویت کننده در این کامپوزیت ها به صورت یکنواخت پخش شوند، مذاب حاوی ذرات تقویت کننده پیش از ریخته گری و انجماد، به کمک هم زن، یکنواخت می شود.
در هر دو نوع از کامپوزیت های آلیاژی (چه آنها که ریخته گری شده اند و چه آنها که به روش های مختلف شکل دهی شده اند)، نقش عمده را افزودنی های آلیاژی بازی می کنند. آلیاژهای شکل داده شده با 4 رقم معین می شوند در حالی که ترکیبات ریخته گری با 3 رقم معین می شوند. (جدول 1) هر دو نوع ترکیبات آلیاژی و ریخته گری ممکن است بر طبق روش بدست آوردن خواص مکانیکی (عملیات گرمایی شده یا نشده) نیز طبقه بندی می شوند.
آلیاژهای شکل داده شده سری 7xxx, 6xxx, 2xxx عمدتاً قابلیت عملیات حرارتی دارند و آنهایی که شامل مقدار زیادی عنصر آلیاژی لیتیم (مثل تعدادی از آلیاژهای 8xxx) هستند نیز قابلیت عملیات حرارتی دارند.
عملیات حرارتی نمونه وار که ممکن است انجام شوند ممکن است شامل عملیات حرارتی انحلالی، آب دادن در محیط مایع و پرسازی پسین شود. یک عملیات تمپرکردن نیز برای کم کردن نتایج عملیات حرارتی اضافه می گردد.

آلیاژهای بدون قابلیت عملیات حرارتی، آنهایی هستند که با عملیات حرارتی به صورت قابل ملاحظه ای سخت نمی شوند. از این رو ارزش عملیات حرارتی را ندارند. استحکام این مواد با عناصر آلیاژی موجود در محلول جامد و مقدار کار سرد انجام شده بر روی آنها تعیین می گردد. آلیاژهای شکل داده شده ی سری 5xxx, 4xxx, 3xxx, 1xxx عمدتاً به طور کامل آنیل شده و نرم هستند.

مواد تقویت کننده

مواد تقویت کننده در کامپوزیت های زمینه فلزی جدا از هم یا فازی ثانویه است که به یک زمینه ی فلزی اضافه شده اند. نتیجه ی این اضافه شدن ایجاد یک شبکه است که برخی از خواص آن بهبود یافته است، به طور نمونه وار، خواصی همچون استحکام و پاسختی افزایش می یابد. اغلب مواد تقویت کننده ی مورد استفاده در کامپوزیت های زمینه فلزی، سرامیک ها (اکسیدها، کاربیدها، نیتریدها و ...) هستند. سرامیک ها موادی ویژه از لحاظ استحکام و سختی در محیط های با دمای معمولی و دما بالا هستند. مثال های عادی از تقویت کننده های کامپوزیت های زمینه فلزی شامل موارد زیر می شود:
1- SiC
2-Al2O3
3- TiB2
4- B4C
5- گرافیت
البته تقویت کننده های فلزی در این کامپوزیت ها کمتر استفاده می شود.
تقویت کننده ها به دو گروه عمده تقسیم می شوند:
1-تقویت کننده های ذره ای یا ویسکرها
2-تقویت کننده های الیافی
تقویت کننده های الیافی را می توان به صورت مجدد به دو گروه زیر تقسیم کرد:
1-الیاف یکپارچه (مداوم)
2-الیاف کوتاه (غیر مداوم)
الیاف با توجه به جهت قرارگیری شان استحکام را بالا می برند. در سمت عمود بر جهت قرارگیری الیاف، استحکام کمتر از سمت موازی با الیاف است. (این مسأله از خصوصیات کامپوزیت های با تقویت کننده ی یکپارچه است). کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با الیاف کوتاه (غیر مداوم)، خواص ایزوتروپیک بهتری از خود به نمایش می گذارند. به عبارت دیگر خواص این مواد در جهات مختلف یکنواخت تر است.

نقش تقویت کننده

نقش تقویت کننده به نوع ساختار کامپوزیت زمینه فلزی وابسته است. در کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ذرات ویسکر، زمینه جزء اصلی تحمل کننده ی بار اعمالی است. نقش تقویت کننده ایجاد استحکام و سختی کامپوزیت بواسطه ی جلوگیری از تغییر شکل زمینه است. که این عمل با موانع فیزیکی ایجاد شده بوسیله ی تقویت کننده انجام می شود. این موانع عمدتاً تابعی از نسبت فاصله ی قرارگیری ذرات به قطر ذرات است. در کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با الیاف یکپارچه، تقویت کننده جزء اصلی تحمل کننده ی بار اعمالی است. زمینه ی فلزی در این کامپوزیت ها برای نگهداری الیاف تقویت کننده در کنار هم و توزیع هرچه بهتر بار در کامپوزیت، به خدمت گرفته می شوند.
کامپوزهای تقویت شده با الیاف کوتاه خواصی میان کامپوزیت های تقویت شده با الیاف یکپارچه و کامپوزیت های تقویت شده با ذرات دارد. بطور نمونه، اضافه کردن تقویت کننده، استحکام، سختی و ظرفیت گرمایی را افزایش می دهد در حالی که ضریب انبساط گرمایی کامپوزیت زمینه فلزی را کاهش می دهد. در هنگامی که تقویت کننده با فلز دانس تری ترکیب شود، تقویت کننده همچنین نقش کاهش دهنده ی دانسیته ی کامپوزیت را نیز ایفا می کند. که این کار موجب ایجاد خواصی مانند استحکام ویژه در کامپوزیت می گردد.

پوشش های تقویت کننده

نقش پوشش ها

در بسیاری از کامپوزیت های زمینه فلزی، این لازم است که پیش از مخلوط کردن تقویت کننده با زمینه ی فلزی، تقویت کننده را با یک لایه ی نازک پوشش دهیم.
به طور عمومی،پوشش های ایجادی بر روی الیاف مزایایی زیر را دارا می باشند:
1-جلوگیری از واکنش الیاف با زمینه و یا نفوذ آن ها در هم بوسیله ی ایجاد یک ممانعت کننده ی نفوذ
2-جلوگیری از تماس مستقیم الیاف به همدیگر
3- افزایش خیس شوندگی و بهبود کیفیت پیوند میان زمینه و الیاف
4-محافظت از الیاف در طی کار کردن با آنها
5- آزادسازی تنش های گرمایی یا از میان بردن تمرکز تنش ها میان الیاف و زمینه در برخی موارد اجزای تقویت کننده برای افزایش فرآیند ترکیب شدن پوشش داده می شوند. که این کار با ایجاد خاصیت تر شوندگی و کاهش واکنش های بین سطحی انجام می شود.

انواع پوشش ها

چندین تکنیک برای ایجاد لایه ی نازک بر روی الیاف بلند و کوتاه وجود دارد. البته روش های کمتری برای پوشش دهی الیاف کوتاه و ذرات وجود دارد.
یکی از روش های لایه نشانی، روش رسوب گذاری شیمیایی فاز بخار (CVD) است. در این روش، الیاف گرم از یک ناحیه واکنش عبور می کنند که در این ناحیه بخارات مواد مورد نظر ما بواسطه ی تجزیه ی گرمایی یک ماده ی دیگر یا واکنش شیمیایی دو ماده با همدیگر بوجود آمده و برروی سطح الیاف نشانده می شوند. در برخی اوقات، فرآیند لایه نشانی بوسیله ی یک پلاسمای بارالکتریکی (Plasma-assisted CVD) افزایش می یابد. روش رسوب گذاری فیزیکی فاز بخار (PVD) ، یکی دیگر از روش های لایه نشانی بر روی الیاف است. هنگامی که قابلیت تر شوندگی یک جسم افزایش یابد و پوشش دهی برای ایجاد یک لایه ی محافظ انجام شود، یکپارچگی و ساختار لایه ی ایجاد شده کمتر به عنوان یک مسأله مورد توجه قرار می گیرد. لایه های مانع برای محافظت الیاف ازحملات شیمیایی بوسیله ی زمینه باید علاوه بر این پایداری ترمودینامیکی داشته باشند و همچنین انتقال عوامل واکنش دهنده از میان آن غیرممکن باشد. عامل فلاکس با نمک های فعال مانند K2ZrF6 برای افزایش تر شوندگی اجزای کربنی و الیاف سیلیسیم کاربیدی در زمینه ی آلومینیوم استفاده می شوند.
استفاده از مطالب ای مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.