آشنایی با مواد کامپوزیتی و کاربرد آنها در صنایع مهندسی

واضح آرشیو وب فارسی:راسخون:

آشنایی با مواد کامپوزیتی و کاربرد آنها در صنایع مهندسی نويسنده:امیر صداقتی چکیده امروزه, براي صنایع مهندسی، مطالبه موادي که کارآيي بالايي داشته باشد، دور از انتظار نيست و نياز به مواد پيشرفته و فرآيندهاي توليدي حس مي شود. شايد مهم ترين نيازها، به کارگيري موادي با کارآيي بالا، وزن و قيمت نسبي پايين باشد. از جمله اين موادها، كامپوزيت ها هستند که بطور گسترده‌اي در سازه‌هاي هواپيما به كار مي‌روند. 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 مركب,‌ به‌ موادي‌ گفته‌ مي‌شود كه‌ از تركيب‌ دو يا چند ماده‌ مختلف‌ در مقياس‌ ماكروسكوپي‌ به دست‌ مي‌آيد. عموماً مواد مركب‌ را براي‌ به دست‌ آوردن‌ خواص‌ مهندسي‌ بهتر, از جمله، سختي‌ بالاتر، استحكام‌ بيشتر، وزن‌ كمتر، مقاومت‌ در برابر حرارت‌، رطوبت‌ و خوردگي‌ كه‌ در مواد همگن‌ همچون‌ فلزات‌، نمي‌توان‌ همگي‌ اين‌ خواص‌ را در كنار يكديگر داشت‌، در طراحي‌ها استفاده‌ مي ‌كنند. مواد مركبي‌ كه‌ توسط‌ بشر ساخته‌ شده‌اند, عموماً داراي‌ دو جزء اصلي‌ هستند. يكي‌, جزء تقويت‌ كننده ‌كه‌ آن‌ را الياف يا فايبر مي‌نامند و ديگري, جزء پايه‌, كه‌ فايبرها در آن‌ قرار مي‌گيرند و آن‌ را ماتريس‌ مي‌نامند. ايده‌ استفاده‌ از مواد مركب‌ به‌ قرون‌ گذشته‌ باز مي گردد كه‌ بشر در ساخت‌ بناهاي‌ خود متوجه‌ شد هنگامي‌ كه‌ از گل‌ تنها استفاده‌ كند، استحكام‌ لازم‌ به‌ وجود نمي‌آيد. گل‌, پس‌ از خشك‌ شدن‌ مقاومت‌ خوبي‌ در برابر فشار دارد اما كشش‌ را به‌ هيچ وجه‌ تحمل‌ نمي ‌كند و بناي‌ گلي‌ زود ترك‌ برمي دارد. از اين رو، با اضافه‌ كردن‌ كاه‌ به‌ گل‌ و تهيه‌ كاه گل،‌ بشر توانست‌ ماده‌اي‌ بسازد كه‌ هم‌ در برابر فشار تحمل‌ خوبي‌ دارد و هم‌ در برابر كشش‌. به ‌عبارت‌ ديگر, در هنگام‌ فشار, گل‌ به‌ مقاومت‌ پرداخته‌ و درحين‌ كشش‌, الياف‌ كاه‌ كه‌ مقاومت‌ خوبي‌ در برابر كشش‌ دارد، مقاومت‌ مي‌كند. اين‌ ايده‌, امروزه‌ درساخت‌ انواع‌ بتون‌ تقويت شده نيز به كار مي‌رود. درحقيقت,‌ بتون‌ در برابر فشار, مقاومت‌ خوبي‌ دارد اما دربرابر كشش،‌ ضعيف‌ است‌ و با قراردادن‌ يك‌ سري‌ ميله‌ در بتون‌، بتون‌ را تقويت كرده‌ و ميله‌ها در برابر كشش‌ مقاومت‌ مي‌كنند. آشنايي با مواد کامپوزيتي و تقسيم بندي آن ها مواد مركبي‌ كه‌ در مهندسي‌ سازه‌ مورد استفاده‌ قرار مي‌گيرند عموماً شامل‌ سه گروه‌ اصلي‌ هستند كه ‌عبارتند از: الف‌) مواد مركب‌ اليافي‌ : اين‌ نوع‌ از مواد از يك‌ سري‌ الياف‌ (فايبر) كه‌ در يك‌ ماده‌ ديگر (ماتريس‌) با يك‌ نظم‌ خاص‌ قرار گرفته‌اند، تشكيل‌ شده اند. ب‌) مواد مركب‌ مختلط‌ : اين نوع از مواد مركب، از قرارگيري يك سري ذرات ماكروسكوپي از يك ماده در ماده ديگر به صورت پراكنده تشكيل شده اند. ج) مواد مركب لايه اي : اين‌ نوع‌ از مواد مركب,‌ از يك‌ سري‌ لايه‌هايي‌ كه ‌بر روي‌ هم‌, با يك‌ نظم‌ خاص ‌چسبانده‌ شده‌اند، تشكيل‌ شده‌ اند. اين‌ لايه‌ها, مي‌توانند مواد همگن‌ غير هم‌ نوع‌ يا مواد مركب‌ از نوع‌ (الف‌) يا (ب‌) باشند. در مواد مركب‌ مختلط‌، ذرات‌ ماتريس‌ مي‌توانند, مواد فلزي‌ و يا غيرفلزي‌ باشند كه‌ نتيجة‌ آن,‌ وجود 4 نوع‌ ماده‌ مركب‌ مختلط‌ فلز در فلز، غيرفلز در فلز، فلز در غيرفلز و غيرفلز در غيرفلز است‌. سختي‌ و استحكام‌ در مواد مركب‌ اليافي,‌ بيشتر از الياف حاصل مي گردد و ماتريس‌ در حقيقت‌ وظيفه‌ نگه‌ داشتن‌ الياف و انتقال‌ نيرو را به عهده‌ دارد. نوع ديگري كه مي توان مواد مركب را تقسيم بندي كرد، تقسيم -بندي بر اساس ماتريس است. 1- كامپوزيت‌هاي پايه پليمري(ترموست و ترموپلاستيك) 2- كامپوزيت‌هاي پايه فلزي 3- كامپوزيت‌هاي پايه سراميكي كامپوزيت‌هاي پايه پليمري, بيش از 90% كاربرد كامپوزيت‌ها را به خود اختصاص داده‌اند و از بقيه مهم تر هستند. در مواد مركب‌ لايه‌اي‌ كه‌ بيشترين كاربرد را دارد، لايه‌هاي‌ تشكيل‌ دهنده‌ مادة‌ مركب،‌ خود از نوع‌ مواد مركب‌ اليافي‌ هستند. در يك‌ ماده‌ مركب‌ لايه‌اي،‌ مي‌توان‌ لايه‌ها را با زواياي‌ مختلف‌ و تركيب‌هاي‌ متفاوت روي‌ هم‌ چسباند كه‌ عموماً براي‌ چسباندن‌ آنها, از ماده‌اي‌ هم‌ جنس ماتريس‌ استفاده‌ مي‌شود. از نظر فني، كامپوزيت هاي ليفي، مهمترين نوع كامپوزيت ها هستند كه خود به دو دستة الياف كوتاه و بلند تقسيم مي‌شوند. الياف, مي‌بايست استحكام كششي بسيار بالايي داشته، خواص ليف آن (در قطر كم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع, قسمت اعظم نيرو توسط الياف تحمل مي‌شود و ماتريس پليمري در واقع ضمن حفاظت الياف از صدمات فيزيكي و شيميايي، كار انتقال نيرو به الياف را انجام مي‌دهد. ضمناً ماتريس، الياف را به مانند يك چسب كنار هم نگه مي‌دارد و البته گسترش ترك را محدود مي‌كند. كارآيي كامپوزيت هاي پليمري, توسط خواص اجزاي آنها تعيين مي شود. اغلب آنها داراي الياف با مدول بالا هستند كه در ماتريس هاي پليمري قرار داده شده اند و فصل مشترك خوبي نيز بين اين دو جزء وجود دارد. ماتريس پليمري، دومين جزء عمده كامپوزيت هاي پليمري است. اين بخش, عملكردهاي بسيار مهمي در كامپوزيت دارد. اول اينكه به عنوان يك بايندر يا چسب, الياف تقويت كننده را نگه مي دارد. دوم، ماتريس، تحت بار اعمالي تغيير شكل مي دهد و تنش را به الياف محكم و سفت منتقل مي كند. سوم، رفتار پلاستيك ماتريس پليمري، انرژي را جذب كرده، موجب كاهش تمركز تنش مي-شود كه در نتيجه، رفتار چقرمگي در شكست را بهبود مي بخشد. از الياف متداول در كامپوزيت ها, مي‌توان به شيشه، كربن و آراميد اشاره نمود. در ميان رزين ها نيز، پلي استر، وينيل استر، اپوكسي و فنوليك از اهميت بيشتري برخوردار هستند. نوع الياف، مقدار و آرايش يافتگي آنها روي خواص زير تاثير مي گذارد: - استحكام و مدول كششي، فشاري و خمشي - استحكام خستگي - ضرايب انتقال حرارت و الكتريسيته - وزن مخصوص كامپوزيت - قيمت بررسي الياف هاي مهم استفاده شونده در مواد کامپوزيت الياف شيشه الياف شيشه، مشهورترين تقويت كننده مورد استفاده در صنعت كامپوزيت است و انواع مختلفي از آن, به صورت تجاري وجود دارند كه برخي از آنها عبارتند از: E، R، S، C، ECR، AR. تركيبات شيميايي اين الياف با هم متفاوت است(جدول(1)). و هر كدام براي كاربرد خاصي مناسب است. تقريباً 90 درصد الياف مورد استفاده در كامپوزيت هاي مهندسي, الياف شيشه است. الياف شيشه استحكام و سختي مناسبي دارد. خواص مكانيكي خود را در دماهاي بالا حفظ مي‌كند. مقاومت رطوبت و خوردگي مناسبي دارد و نسبتاً ارزان است. تقسيم بندي شش نوع الياف شيشه در ادامه نشان داده شده است. E Glass- مصارف عمومي (عايق جريان الكتريسيته) Glass- Rخواص مكانيكي بالاتر Glass- S خواص مكانيكي بالاتر (الياف با استحكام بسيار بالا) Glass- C مقاومت شيميايي مناسب (الياف مقاوم در برابر مواد شيميايي) Glass- ECR مقاومت اسيد و باز خوب Glass- AR مقاومت اسيد و باز خوب جدول (1) : تركيب شيميايي انواع الياف شيشه 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 استحکامي (Gpa ) 3.6 4.4 4.5 - 3.4 2.5 مدول کششي (Gpa ) 76 85 86 - 73 80 در جدول (2) مزايا و معايب الياف شيشه، آورده شده است. جدول (2) : مزايا و معايب الياف شيشه مزايا معايب قيمت پايين شكننده بودن استحكام كششي بالا وزن مخصوص نسبتاً بالا مقاومت شيميايي بالا حساسيت به سايش خواص عايق عالي مقاومت خستگي پايين الياف كربن اگرچه اكثر الياف مورد استفاده در صنعت كامپوزيت, از جنس شيشه است ولي مدول آن نسبتاً پايين است. در سال هاي پيش, تلاش هاي زيادي انجام گرفت تا تقويت كننده‌هاي جديد با مدول بالاتر نسبت به الياف شيشه ساخته شوند. مشخصه الياف كربن، سبكي، استحكام و سفتي بالا است. در ابتدا، دو نوع الياف كربن وجود داشت كه استحكام و مدول آنها با هم تفاوت داشت. اولي، الياف كربن با استحكام بالا که به عنوان نوع دو درجه‌بندي مي‌شد. دومي, نوع مدول بالاي اين الياف كه به-عنوان نوع يك درجه بندي مي‌شد. با اعمال كمي كشش و تغيير آرايش يافتگي و با كاهش قطر الياف از 7 به 5 ميكرومتر، استحكام و مدول الياف افزايش مي‌يابد. اين الياف، الياف با مدول متوسط نام دارد. در جدول (3) برخي خواص اين الياف مشاهده مي‌شود. جدول(3) : معرفي بعضي از خواص انواع مختلف الياف 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)، مزايا و معايب الياف کربن آورده شده است. جدول(4) : مزايا و معايب الياف کربن مزايا معايب نسبت بسيار زياد استحكام به وزن شكننده بودن نسبت بالاي مدول كششي به وزن هادي الكتريكي استحكام بالاي خستگي كرنش كم در شكست ضريب انبساط حرارتي بسيار پايين قيمت بالا مقاومت بالا در مقابل خوردگي الياف آراميد الياف آراميد كه در حدود سال 1970 معرفي شد، تركيب آلي حلقوي از كربن، هيدروژن، اكسيژن و نيتروژن است. دانسيته كم و استحكام كششي بالا در اين الياف، موجب تشكيل يك ساختار چقرمه و مقاوم به ضربه با سفتي حدود نصف الياف كربن مي‌شود. الياف آراميد در ابتدا به منظور جايگزيني فولاد در تايرهاي راديال ساخته شدند و بعداً كاربردهاي ديگري پيدا كردند. جليقه ضد گلوله از موفقيت آميزترين كاربردهاي الياف آراميد است. خواص الياف آراميد به شرح زير است. - نسبت استحكام و مدول به وزن بسيار عالي - مقاومت ضربه عالي - مقاومت در برابر شكست ناشي از خزش - مقاومت خستگي خوب - عدم حساسيت به شكاف يا ترك - مقاومت بالا در مقابل اسيدها و بازها - خواص خوب اتلاف انرژي ارتعاشي - خواص دي الكتريك عالي نسبت به شيشه - خواص خود خاموش كني با نشر دود كم - امكان استفاده مداوم تا دماي حدود 180 درجه سانتي گراد کاربرد کامپوزيت ها در صنايع مهندسي امروزه, خودروهايي ساخته مي‌شود كه تماماً كامپوزيتي هستند. استفاده از كامپوزيت ها در اين كاربرد، به علت ويژگي‌هايي چون وزن كمتر، درنتيجه سوخت كمتر و عمر طولاني‌تر آنهاست. با توجه به پايداري بسيار زياد كامپوزيت هاي پايه پليمري و مقاومت بسيار خوب آنها در محيط‌هاي خورنده، اين كامپوزيت‌ها، كاربردهاي وسيعي در صنايع دريايي پيدا كرده‌اند. از آن جمله, مي‌توان به ساخت بدنه قايق‌ها و كشتي‌ها و تأسيسات فراساحلي اشاره داشت. استفاده از كامپوزيت‌ها در اين صنعت، حدود 60% صرفه‌جويي اقتصادي داشته است كه علت اصلي آن مربوط به پايداري اين مواد است. صنعت ساختمان, پرمصرف‌ترين صنعت براي مواد كامپوزيتي است. استخرهاي شنا، وان حمام، سينك ظرفشويي و دست‌شويي، كف‌پوش، نماپوش، سقف‌پوش، برج‌هاي خنك‌كننده و … همگي كامپوزيت‌هاي پايه پليمري هستند. سبكي، سهولت شكل‌دهي، مقاومت در برابر خوردگي و قابليت آب‌بندي، از ويژگي‌هاي كامپوزيت‌هايي است كه در صنعت ساختمان به كار مي‌رود. ساخت بدنه هواپيما، ساخت پره هاي توربين بادي و پره هاي هلي کوپتر و پوشش رادار هواپيما, از کاربردهاي کامپوزيت, در صنعت هوافضا است. اين مواد, درصنعت نفت و گاز نيز به منظور ترميم و تقويت سازه هاي فرسوده و ترميم لوله هاي فرسوده نفت و گاز به کار مي روند. مقايسه خواص مود کامپوزيتي با فلزات در انتهاي بحث کامپوزيت, در جدول(5), مقايسه اي بين برخي از خواص الياف ماده کامپوزيتي با بعضي فلزات انجام شده است تا دليل استفاده بسيار زياد کامپوزيت ها و جايگزيني 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) : مقايسه برخي خواص الياف ، فولاد و آلومينيم مواد قطر µm دانسيته gr/cm3 مدول كششي (Gpa) استحكام كششي (Gpa) استحكام مخصوص قيمت نسبي شيشه E 2/13 8/15 8/14 45/3 35/1 پايين شيشه S 4/82 164 227 50/3 8/1 متوسط گرافيت مدول بالا 25/0 31/0 26/0 8/1 9/0 بالا گرافيت استحكام بالا 34/1 73/1 63/1 6/2 5/1 بالا كولار 29 183 225 241 8/2 9/1 متوسط فولاد 79 62 128 1/2-34/0 27/0-04/0 پايين آلياژهاي آلومينيم 30 25 45 62/0-14/0 23/0-05/0 پايين 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 ارسال توسط کاربر محترم سایت : amir83610 /ج

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: راسخون]

[مشاهده در: www.rasekhoon.net]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 1191]