کامپوزیت
بیشتر موادی که به صورت سنتی به عنوان کامپوزیت استفاده می‌شوند، دارای الیاف به عنوان فاز پرکننده می‌باشند. این مواد شامل پارچه‌ها و ورقهای استفاده شده در رزین‌های فنولیک و پایه‌ی اوره فرمالدهید و الیاف شیشه در اپوکسی‌ها و یا پلی‌استرها هستند. بعضی از کامپوزیت‌ها که به عنوان کامپویت‌های با کارایی زیاد شناخته می‌شوند، شامل الیاف آرامید، کربن یا بور در رزین اپوکسی یا الیاف کربن در رزین‌های با مقاومت دمایی بالا نظیر پلی‌ایمید می‌باشند. دیگر کامپوزیت‌های پرشده با الیاف، شامل الیاف آزبست در رزین فنولیک و یا الیاف شیشه خرد‌شده کوتاه در گرمانرم‌های معمولی نظیر نایلون‌ها و پلی‌استایرن می‌باشند. الیاف تک‌بلوری بسیارقوی از اکسید آلومینیم یا کربید سیلیکون که ویسکرز نامیده می‌شوند، در ساخت قطعاتی که در صنایع هوافضا مورد استفاده قرار می‌گیرند، کاربرد دارند. پیشرفت‌های اخیر شامل استفاده از الیاف با کارایی بالا در گرمانرم‌هایی با مقاومت دمایی زیاد نظیر پلی(اتراترکتون) می‌باشد، در حالی‌که الیاف پلی‌اتیلن بسیار قوی و به‌شدت کشیده شده نیز برای استفاده در دمای متوسط بررسی شده‌اند.
اهمیت کامپوزیت‌های پرشده با الیاف از این واقعیت نشأت می‌گیرد که این مواد استحکام و سفتی بالای غیرمعمولی برای یک وزن مشخص از خود نشان می‌دهند. علاوه بر این، دو خاصیت را می‌توان در محدوده وسیعی با استفاده از ترکیب رزین الیاف به دست آورد. استحکام ویژه (استحکام کششی بر چگالی) و مدول ویژه ( مدول بر چگالی) این مواد حتی می‌تواند از بهترین فلزات نیز بیشتر باشد. بسیاری از کامپوزیت‌های پرشده با الیاف، ناهمسانگرد بوده و خواص فوق‌العاده‌ای را در یک جهت خاص نشان می‌دهند که از این خاصیت در طراحی‌های خاص استفاده‌های بسیار زیادی می‌شود.
الیاف با روش‌های مختلفی در کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود که عبارتند از:
- نمدهای اشباع‌شده از الیاف
- صفحاتی از ورقه‌های اشباع‌شده از الیاف آرایش‌یافته یا بافته‌شده
- رشته‌پیچی الیاف پیوسته پوشش‌داده شده با رزین در حول محورهای سه‌بعدی دوران برای شکل‌دادن یک قطعه
- الیاف بافته‌شده سه بعدی اشباع‌شده
- قالب‌گیری تزریقی یا فشاری پلیمرهای حاوی الیاف کوتاه
جزء اصلی در طراحی و ساخت، وجود یک ورقه حاوی الیاف پیوسته آرایش‌یافته در یک جهت است. این ورقه‌ها در جهات مختلف به‌هم چسبانده شده تا تشکیل صفحاتی با خواص کنترل‌شده و مشخص را بدهند که در کاربردهای خاص به بهترین صورت بارهای چندمحوری استاتیک و دینامیک را تحمل کنند.
مدول‌های کامپوزیت‌های پرشده با الیاف
بیشتر کامپوزیت‌های پرشده با الیاف، ناهمسانگرد بوده و این مواد حداقل دارای پنج یا شش مدول الاستیک مستقل می‌باشند اما چهار مدول برای این مواد، مدول مهم‌تر بوده و در بیشتر موقعیت‌ها در نظر گرفته می‌شوند که شامل موارد زیر می‌باشد:
1- مدول یانگ طولی EL که در آن بار اعمال‌شده موازی با جهت الیاف می‌شود.
2- مدول یانگ عرضی ET که در آن بار اعمال‌شده در جهت عمود بر آرایش الیاف می‌باشد.
3- مدول برش طولی-عرضی GLT که در آن تنش برشی اعمالی در جهت الیاف می‌باشد.
4- مدول برشی عرضی GTT که تنش برشی به صورت عمودی بر الیاف اعمال می‌شود.
استحکام کامپوزیت‌های پرشده با الیاف
بیشتر الیاف مورد استفاده در کامپوزیت‌ها شکننده هستند. با این وجود استفاده از الیاف انعطاف‌پذیر، مانند الیاف نایلون یا فولاد ضدزنگ، در بعضی مواقع مفید می‌باشد. الیاف انعطاف‌پذیر قادر به افزایش طول تا تسلیم ماتریس‌های انعطاف‌پذیر می‌باشند، در صورتی که الیاف شکننده این خاصیت را کاهش می‌دهند. با وجود یک ماتریس شکننده حتی استفاده از الیاف انعطاف‌پذیر نیز نمی‌تواند ازدیاد طول تا پارگی را افزایش دهد، زیرا تمرکز تنش بسیار زیادی در ترک‌های ماتریس به وجود می‌آید. مقادیر بالاتر ازدیاد طول تا پارگی با کاهش چسبندگی بین الیاف انعطاف‌پذیر و ماتریس شکننده قابل دستیابی است، چراکه از بین رفتن پیوندهای بین این دو فاز منجر به توزیع بیشتر تنش در طول الیاف می‌گردد.
استحکام کششی کامپوزیت‌ها به شدت متأثر از عواملی نظیر کامل بودن تراکم و آرایش یافتگی الیاف و نقص‌هایی نظیر حباب می‌باشد. پاول و تامسون متوجه شدند که استحکام کششی طولی کامپوزیت‌های رشته پیچ‌شده با حذف حباب‌ها تا دو برابر افزایش پیدا می‌کند. نقاط تماس بین الیاف مختلف، نقاط تمرکز تنش بوده که مخصوصا در جهت عرضی می‌توانند استحکام را کاهش دهند.
کامپوزیت‌های حاوی الیاف پیوسته و یا بلند را می‌توان از طریق فرایندهایی نظیر رشته پیچی ساخت. با این وجود، فرایندهای ساخت دیگر نظیر قالب‌گیری تزریقی به الیاف با طول کوتاه‌تر احتیاج دارند. استحکام کامپوزیت‌های حاوی الیاف غیرپیوسته که همه الیاف به‌دقت در یک جهت آرایش یافته‌اند، به اندازه استحکام کامپوزیت‌های حاوی الیاف پیوسته نخواهد بود.
در تمام انواع کامپوزیت‌ها، حباب‌ها نقش تخریب‌کننده‌ای در استحکام صفحات خواهند داشت. رطوبت نیز باعث کاهش استحکام می‌شود، به‌خصوص وقتی که به‌صورت حباب بوده و یا مواد قابل استخراج را از صفحات خارج کند و یا زمانی که باعث کاهش پیوند بین سطحی شود. رطوبت می‌تواند باعث کاهش 70% در استحکام کششی گردد. با خشک‌کردن اگرچه تمام استحکام بازیابی نخواهد شد ولی بیشتر آن دوباره به‌دست خواهد آمد.
در بسیاری از لایه‌ها از جمله الیاف مورد استفاده در تایر، الیاف پارچه‌ای به الیاف نبافته ترجیح داده می‌شود. در لایه‌های دیگر مانند صفحه‌های روی میز ساخته‌شده از رزین ملامین، لایه‌های کاغذی استفاده می‌شوند.
به طور خلاصه، استحکام کششی و ضربه‌ای متأثر از طول الیاف و چسبندگی بین الیاف و ماتریس می‌باشند. برای رسیدن به استحکام بالا با کاهش پیوندهای چسبندگی، طول الیاف باید بلند باشد. از طرف دیگر استحکام ضربه تمایل به افزایش از خود با کاهش استحکام پیوندها و کاهش طول الیاف تا مقادیر محدودی نشان می‌دهند.
کامپوزیت‌های پرشده نواری
برای ساخت کامپوزیت‌های حاوی نوارهای آرایش‌یافته از همان روش‌های رشته‌پیچی که برای ساخت کامپوزیت‌های آرایش‌یافته تک محوری استفاده می‌شود، می‌توان استفاده کرد. سطح مقطع این کامپوزیت‌ها عموماً چهارگوش می‌باشد اما به شکل بیضی هم می‌تواند باشد. کامپوزیت‌های نواری در مقایسه با کامپوزیت‌های حاوی الیاف با سطح مقطع دایره‌ای دارای مزایایی هستند. کامپوزیت‌های نواری می‌توانند استحکام و سفتی بالاتری را در جهت عمود بر نوارها در یک صفحه از خود نشان دهند. مقاومت بسیار بالاتری برای سوراخ شدن با اشیاء تیز دارند. مزیت سوم این کامپوزیت‌ها، کاهش بسیار عبورپذیری گازها و مایعات نسبت به دیگر انواع کامپوزیت‌ها می‌باشد.
پلیمرهای پرشده با ذرات ورقهای
این پلیمرها دارای بسیاری از مشخصات کامپوزیت‌های نواری هستند. پرکننده‌های ورقهای نمونه‌ای شامل میکا، کائولین، گرافیت، ذرات ورقهای شیشه‌ای، ذرات ورقهای آلومینیوم و آلومینیم دی‌براید می‌باشند. در بیشتر روش‌های ساخت این کامپوزیت‌ها، این ذرات کم و بیش در یک صفحه آرایش می‌یابند. مواد با ذرات آرایش‌یافته ورقهای در صفحه مقاومت بسیار بالایی را در مقابل نفوذ گازها و مایعات دارا می‌باشند و همچنین مقاومت بالایی در مقابل سوراخ شدن با اجسام تیز دارا هستند. اکثر این کامپوزیت‌ها، شکننده و دارای استحکام ضربه پایین می‌باشند. با این وجود این‌گونه مواد ممکن است کاملاً به ترک و شکاف غیر حساس باشند. پلاستیک و لاستیک‌های پرشده با ذرات ورقهای اغلب دارای اتلاف مکانیکی بالایی می‌باشند. از این‌رو در مواد ضربه‌گیر از ذرات ورقهای استفاده می‌شود.
کامپوزیت‌های نواری و کامپوزیت‌های پرشده با ذرات ورقهای به علت همسانگردی تقریبی در یک صفحه دارای سودمندی‌های زیادی نسبت به کامپوزیت‌های لیفی آرایش‌یافته می‌باشند. با این وجود برای رسیدن به استحکام بهینه در این کامپوزیت‌ها، وجود یک ماتریس با خواص ویژه لازم می‌باشد. علاوه بر این، ساخت این گونه کامپوزیت‌ها بدون داشتن نواقص که برای استحکام بسیار مضر بوده کاری مشکل است. بسیاری از خواص قابل رقابت با کامپوزیت‌های نواری و کامپوزیت‌های پرشده با ذرات ورقهای را می‌توان با ساخت کامپوزیت‌های صفحه‌ای با لایه‌های زیاد یا کامپوزیت‌های لیفی آرایش‌یافته در چند جهت یا الیاف آرایش‌یافته تصادفی در یک صفحه بدست آورد.
واحد تحقیق و توسعه شرکت فناوران رنگدانه سپاهان
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.