بررسی کامپوزیتها و کاربرد آنها
کامپوزیتها چه هستند؟
ماده کامپوزیتی از ترکیب دو یا چند ماده ساخته می شود تا خواص ترکیبی بی نظیری را ایجاد کند . البته بیان فوق یک تعریف کلی است و می‌تواند آلیاژهای فلزی، پلیمرهیا پلاستیکی ،مواد معدنی . چوب را در بگیرد. «مواد کامپوزیتی مسلح شده با الیاف» با مواد فوق فرق دارند. زیرا اجزای سازنده‌ی این مواد از نظر مولکولی با هم فرق دارند و بصورت مکانیکی قابل جدا شدن هستند. بطور کلی اجزای تشکیل دهنده‌ی مسلح شده با عم عمل می‌کنند، اما در عین حال شکل اصلی خود را حفظ می کنند. خواص نهایی مادهی کامپوزیتی از خواص مواد تشکیل دهنده‌ی آن به مراتب بهتر است.
ایده ساخت کامپوزیتها توسط بشر کشف نشد، بلکه این مواد در طبیعت وجود دارند. برای مثال چوب که از ترکیبی از الیاف سلولزی در زمینه چسبی به نام لیگنین تشکیل شده است، یک کامپوزیت است. صدف جانوران بی‌مهره مثل حلزون و صدف خوراکی مثال دیگری از کامپوزیتها است. بعضی از پوسته صدفها از کامپوزیت‌های پیشرفته‌ای که بدست بشر ساخته شده، سختتر و محکمتر است. دانشمندان کشف کرده‌اند الیاف که از شبکه تار عنکبوت بدست می‌آیند از الیافی که بطور مصنوعی تولید می‌شوند، محکمتر است. در هند،یونان و دیگر کشورها، صدها سال بود که از مخلوط سبوس یا کاه با خاک رس برای ساختمان‌سازی استفاده می شد. مخلوط سبوس و خاک اره با خاک رس مثالی از «کامپوزیت با ذرات ریز» و مخلوط خاک رس با کاه نمونه ای از «کامپوزیت الیاف کوتاه» است. این مواد مسلح کننده برای بهبود کارائی کامپوزیت اضافه می شود.
مفهوم اصلی کامپوزیت به معنی دارا بودن یک ماده زمینه‌ای (ماتریس) مناسب است. معمولاً مواد کامپوزیتی بوسیله الیاف مسلح کننده دریک زمینه رزیتی ساخته می‌شوند. مسلح کننده‌ها می‌توانند الیاف، ویسکرها و .. بوده و زمینه می‌تواند از جنس فلزات، سرامیکها یا پلاستیکها باشند.
مسلح کننده‌ها می‌توانند از پلیمرها،پلاستیکها، و فلزات ساخته شوند. الیاف می‌توانند بصورت بهم پیوسته، زنجیره‌های بلند یا کوتاه باشند. کامپوزیت‌هایی که با زمینه پلیمری ساخته می‌شوند، رایج‌تر هستند و بطور وسیع در صنایع مختلف بکار می‌روند. در این کتاب کامپوزیت‌هایی که زمینه‌ی آنها از جنس رزین برپایه پلیمری است، بررسی می شوند. این مواد می‌توانند جزء «رزیتهای ترموست» یا «رزینهای ترموپلاستیک» باشند.
بافت یا الیاف مسلح کننده باعث استحکام و سختی کامپوزیت می شود. در حالیکه زمینه سبب سختی و مقاومت به خوردگی کامپوزیت می گردد. الیاف مسلح کننده می‌تواند بصورت شکلهای مختلفی از الیاف پیوسته بلند با بافتهای موجدار تا الیاف کوتاه تکه‌تکه و حصیری (درهم گیرکرده) وجود داشته باشند. هریک از این اشکال خواص مختلفی را ایجاد می‌کنند. این خواص شدیداً به روشی که الیاف در کامپوزیت قرار داده می‌شوند، بستگی دارد. دریک کامپوزیت تمامی شکلهای فوق‌الذکر و یا یکی از آنها می‌تواندت مورد استفاده قرار گیرد. موضوع مهمی که در مورد کامپوزیتها بایستی در نظر گرفته شود این است که الیاف نیرو تحمل می‌کند و لذا حداکثر استحکام کامپوزیت در راستای محور الیاف است. وجود الیاف بلند پیوسته در جهت اعمال نیرو باعث می شود که خواص کامپوزیت کاملاً با خواص رزین متفاوت باشد. کامپوزیتی دارای الیاف به شکل بصورت تکه‌های کوچک است، خواص ضعیفتری نستب به کامپوزیتی که الیاف آن بصورت پیوسته است، از خود نشان می‌دهد. شکل الیاف برحسب نوع کاربرد (مهندسی یا غیرمهندسی) و روش ساخت انتخاب می شود . برای کاربر دهای مهندسی (ساختمانی)، الیاف پیوسته یا بلند پیشنهاد می شود. در حالیکه برای کاربردهای غیرمهندسی (غیرساختمانی) الیاف کوتاه انتخاب می شود. در ریخته‌گری تزریقی و ریخته‌گری تحت فشار از الیاف کوتاه، در حالیکه در تابیدن تارها،بسته‌بندیهای رولری و پولتروژن از الیاف پیوسته استفاده می شود.
3-1 نحوه عملکرد الیاف و زمینه
ماده کامپوزیتی با مسلح کردن پلاستیکها توسط الیاف تشکیل می‌شوند برای درک بهتر رفتار کامپوزیتها، باید اطلاعات دقیقی از نقش الیاف و مواد زمینه در کامپوزیتها در دسترس باشد،مهمترین وظایف الیاف و زمینه کامپوزیتها بشرح زیر است:
وظایف مهم و اصلی الیاف در کامپوزیتها عبارتند از:
§ تحمل بار و نیرو؛ در یک کامپوزیت ساختمانی(مهندسی) 70% تا 90% نیرو توسط الیاف تحمل می شود.
§ سختی، استحکام، پایداری گرمایی و بقیه‌ی خواص ساختاری در کامپوزیتها به الیاف آن بستگی دارد.
§ هدایت الکتریکی یا عایق بودن کامپوزیت، به نوع الیاف مورد استفاده در آن بستگی دارد.
زمینه (مادهی زمینه) وظایف زیر را در ساختار کامپوزیت انجام می‌دهد. بسیاری از این وظایف برای عملکرد مطلوب یک مادهی کامپوزیت ضروری است. الیاف موجد در زمینه و یا خود الیاف به تنهایی بدون حضور مادهی زمینه و یا یک چسب بندرت استفاده می شود. وظایف مهم زمینه کامپوزیت شامل موارد زیر است.
§ زمینه؛ الیاف را به هم پیوند می‌دهد و بار وارده به کامپوزیت را به الیاف را منتقل می‌کند. زمینه، به ساختار ماده ی کامپوزیتی سختی،یکپارچگی و شکل می‌بخشد.
§ زمینه؛ الیاف را ایزوله می‌کند. بطوریکه تکه‌تکه الیاف می‌توانند به طور جداگانه نقش خود را ایفا کنند. این عمل تجمع آنها را کاهش داد ویا آن را متوقف می‌کند.
§ زمینه؛ سطحی با کیفیت پرداخت خوب بوجود آورده و کمک می‌کند که محصول دارای شکل نهایی یا نزدیک به آن باشد.
§ زمینه از الیاف در مقابل هجوم شیمیایی و آسیبهای مکانیکی (سایش) محافظت می‌کند.
§ خواص شکل دهد از قبیل : انعطاف پذیری، استحکام فشاری و … به نوع ماده زمینه بستگی دارد. زمینه انعطاف‌پذیر باعث افزایش چقرمگی ساختار می شود و در جائیکه به چقرمگی بیشتری نیاز باشد از کامپوزیتها با زمینه ترموپلاستیک استفاده می شود.
§ نحوه شکست مادهی کامپوزیت، نه تنها بشدت به نوع مادهی زمینه‌ی بستگی دارد، بلکه به میزان سازگاری آن با الیاف نیز وابسته است.
4-1 مزایای خاص کامپوزیتها
معمولاً، کامپوزیتها برای کاربردهایی که کارآیی زیاد و وزن کم لازم است، طراحی و ساخته می‌شوند. این مواد دارای مزایای بسیار زیادی نسبت به مواد مهندسی سنتی هستند که در زیر شرح داده می شود:
1) مواد کامپوزیتی قابلیت یکپارچه کردن اجزا را دارند،چند جزء فلزی مختلف می‌تواند با یک کامپوزیت جایگزین شود.
2) با قرار دادن سنسورهایی در ساختارهای کامپوزیتی می‌توان آنها را به سرویسهای ردیابی مجهز کرد .از این امکان برای آشکارسازی آسیب ناشی از خستگی در ساختار هواپیما استفاده می شود و نیز می تواند برای ردیابی جریان رزین در فرایند RTM (قالب‌گیری رزین) استفاده گردد. مواد دارای سنسور، را مواد هوشمند می‌نامند.
3) مطابق جدول (1-1) کامپوزیت‌های سختی ویژه‌ی (نسبت سختی به دانسیته) بالایی دارند. کامپوزیتها دارای سختی فولاد، با یک پنجم وزن آن و دارای سختی آلومینیوم، با یک دوم وزن آن هستند.
4) استحکام ویژه‌ی (نسبت استحکام به چگالی) کامپوزیتها بسیار بالا است. به همین دلیل هواپیما و اتومبیل سریعتر حرکت کرده و سوخت کمتری مصرف می کنند. استحکام ویژه‌ی کامپوزیتها 3 تا 5 برابر آلیاژهای فولاد و آلومینیوم است. به دلیل سختی ویژه و استحکام ویژه‌ی بالاتر، قطعات کامپوزیتی وزن کمتری نسبت به قطعات مشابه دارند.
5) استحکام خستگی (حد دوام) کامپوزیتها بسیار بالا است. آلیاژهای فولاد و آلومینیوم دارای حد خستگی خوبی در حدود 50% استحکام استاتیکی خود هستند. کامپوزیت‌های کربن/اپوکسی با الیاف همجهت دارای استحکام خستگی بالایی نزدیک به 90% استحکام استاتیکی خود می باشد.
6) کامپوزیتها مقاومت به خوردگی خوبی دارند. آهن و آلومینیوم در حضور آب و هوا خورده می‌شوند لذا احتیاج به پوشش و آلیاژ خاص دارند. اما لایه‌ی بیرونی کامپوزیتها از پلاستیک است، لذا مقاومت شیمیای و مقاومت به خوردگی آنها بسیار خوب است.
7) زمینه‌ی کامپوزیتها بسیار انعطاف‌پذیر است. برای مثال ضریب انبساط گرمایی (CTE) ساختار کامپوزیت را می‌توان با انتخاب یک مادهی مناسب برای زمینه و روی هم قرار گرفتن پیوسته (متوالی) الیاف آن به صفر رساند. از طرفی چون CTE کامپوزیتها از فلزات بسیار کمتر است، ساختار کامپوزیتها پایداری ابعاد خوبی دارند.
8) شکل نهایی قطعه یا نزدیک به شکل نهایی را می‌توان با مواد کامپوزیتی ایجاد کرد. این مزیت کامپوزیتها باعث کاهش عملیات ماشین کاری و یا حذف آن می شود و درنتیجه زمان انجام فرایند و قیمت آن را کاهش می‌دهد.
9) ساخت قطعات با شکلهای پیچیده و طرحهای خاص که بعضی مواقع توسط فلزات امکان‌پذیر نیست، با استفاده از کامپوزیتها بدون نیاز به پرچکاری یا جوشکاری اجزای مختلف می‌تواند صورت گیرد . این موضوع ضریب اطمینان قطعه را افزایش داده و زمان تولید را کاهش می‌دهد. همچنین عملیات ساخت راعملی‌تر می‌کند.
-2-2 ساخت الیاف کربنی
الیاف کربنی و گرافیکی با استفاده از مواد اولیه برمبنای PAN و قیر تولید می شود. این مواد تحت یک سری عملیات قرار می‌گیرند در مرحلة اول، مواد اولیه در دمای بسیار بالا قرار می دهند تا اکسید شود. بعداً تحت فرایند های کربوره کردن و گرافیته کردن قرار می گیرند. در طی این فرآیندها، ترکیب شیمیایی مواد اولیه (مواد سازنده) تغییر می‌کند. خواص محصول از قبیل :‹‹سختی به وزن›› و ‹‹ استحکام به وزن›› افزایش می‌یابد. انجام متوالی عملیات سطحی و فرایند سایزبندی باعث افزایش سازگاری و بهبود کارآیی رزین می شود.
عبارت PAN از الیاف پلیمری به نام پلی‌اکریلونیتریل گرفته شده است. الیاف قیری از چرخه فرایند تصفیه نفت خام یا قیر حاصل از زغال سنگ بدست می آید. الیاف پایه PAN (پلی اکریلونتریل)، بطور وسیع برای ساخت الیاف کربنی استفاده می شود. الیاف پایه قیر تمایل زیادی به سخت و تردشدن دارند. قیمت تمام شده‌ی الیاف کربنی به قیمت مواد اولیه و هزینه‌ی فرایند تولید الیاف بستگی دارد. قیمت مواد اولیه‌ی پایه PAN(پلی اکریلونتریل) حدود 50/1 دلار بر پوند تا 00/2 دلار بر پوند است. در طی فرایند‌های اکسیداسیون و کربوره کردن،تقریباً 50% وزن اولیه کاهش می یابد. با توجه به کاهش وزن، قیمت الیاف صرفاً براساس مواد اولیه 3 تا 4 دلار بر پوند می شود. روش تولید الیاف کربنی،آهسته و از حساسیت بسیار زیادی برخوردار است. بنابراین بایستی مواد خام اولیه بیشتری تولید شود تا قیمت الیاف کاهش یابد. همچنین محدودیتی برای افزایش اندازه‌ی مواد خام وجود دارد. به عنوان مثلا ،اندازه‌ی مواد خام بیشتر از k 12، مشکلاتی در فرایند تولید وکاربرد عملیات تاباندن تارها و همچنین استفاده از تارها ایجاد می‌کند.
روش تولید الیاف کربنی پایه قیر. مشابه روش تولید الیاف پایه PAN (پلی اکریلونتیریل) است، اما این الیاف مشکلتر تابیده می‌شوند و در نتیجه استفاده از این الیاف مشکلتر است. مواد اولیه آنها بتنهایی قیمت بالایی ندارند،اما هزینه های عملیات و فرایند تولید بسیار زیاد است. معمولاً،قیمت الیاف پایه قیر، گرانتر از الیاف پایه PAN (پلی اکریلونتریل) است.
قیمت الیاف کربنی به استحکام، سختی و همچنین به اندازه تارها (تعداد تارها که در یک دسته الیاف قرار دارد) بستگی دارد. قیمت الیاف با سختی و استحکام بالاتر، بیشتر وقیمت الیاف با اندزاه بزرگتر، کمتر است. برای مثال قیمت الیاف خام k12 (یعنی 12000 تار دریک دسته الیاف) از الیاف خام k6 کمتر است.
3-2-2 ساخت الیاف آرمیدی
در بین انواع الیاف تقویت کننده، الیاف آرامیدی بالاترین نسبت استحکام کششی به وزن را دارند. این الیاف از استحکام فشاری خوبی برخوردار است. شبیه به الیاف کربنی ضریب انبساط حرارتی منفی دارند. از معایب الیاف آرمیدی مشکل بودن برشکاری و مشاین‌کاری آن است. الیاف آرامیدی با عبور از روزنه های حاوی محلول اسیدی (با ترکیب تجاری متشکل از ترفتالیون کلراید و فنیلن دی آمین- P) به روش نخ‌ریسی تولید می شود.
تارها از بین چندین روزنه کشیده می شوند و در طی عملیات کشش، مولکولهای آرامید در امتداد طولی،جهت دار شده و مرتب می‌شوند.
و یا بلندتر نمود.
4-2-8-6 ساخت قطعه
در فرایند لایه‌گذاری‌تر که در آن ضخامت قطعه کامپوزیت با بکار بردن یک سری از لایه‌های مسلح کننده (تقویت‌کننده) و لایه‌های رزین مایع ایجاد می شود. از غلتک جهت فشردن و خارج کردن رزین اضافه و همچنین ایجاد توزیع یکنواخت رزین در سراسر سطح، استفاده می شود. فشار غلتک باعث می شود تارطوبت الیاف یکنواخت گردد. سپس قطعه در دمای اتاق پخته (عمل‌آوری) شده و بعد از انجماد، از قالب خارج می شود.
کل زمان چرخه فرآیند،با اندازه قطعه و همچنین فرمولاسیون رزین مورد استفاده دیکته شده است. سازه‌هایی با ابعاد بزرگ مانند قایق‌ها، معمولاً در دمای اتاق پخته (عمل‌آوری) می‌شوند. اگر لایه ساخته شده، ضخیم باشد،آنگاه ضخامت جدار افزایش می‌یابد. در این مراحل ،اجازه می دهند، که گرمازایی بدون فوق گرمایش صورت گیرد. تحت این شرایط محیطی، معمولاً کار روزانه با لایه های ناصاف و متورم شده، خاتمه پیدا می‌کند،که متعاقباً لایه‌های ناصاف جهت بوجود آوردن یک سطح صاف و تمیز برای پیوند با لایه های بعدی برداشته می‌شوند.
کنترل کیفیت در فرایند لایه‌گذاری تر نسبتاً مشکل است و کیفیت قطعه نهایی شدیداً به مهارت اپراتور بستگی دارد. عامل مهمی که برای فرایند ساخت قایقی باقی می‌ماند،وضع قوانین دولتی برای سازندگان می باشد که آنها مجبور می‌کند تا از فرآیندهای قالب‌گیری بسته دیگری مانند RTM و VARTM استفاده کنند.
جهت دستیابی به درک بیشتر در مورد فرایند لایه‌گذاری تر، در اینجا ساخت بدنه قایق با استفاده از این روش مورد برری قرار می گیرد.
برای ساخت بدنه قایق با استفاده از این فرایند ،از مواد جدا کننده روی سطح قالب استفاده می‌شود، تا عملیات خروج از قالب آسان شود. سپس یک پوشش ژلی با استفاده از یک برس یا پیستوله اعمال می‌شود،تا کیفیت نهای سطح قطعه بهبود یابد و رنگ مورد نیاز روی سطح ایجاد شود. معمولاً،از پوشش ژلی پلی‌استر استفاده می شود، که اشمل مواد افزودنی تحریک کننده و رنگ دانه‌هایی برای ایجاد رنگ دلخواه است. جهت جلوگیری از انتشار ژل در میان لایه‌ها، پوشش ژلی پخته (عمل‌آوری) می شود. پوشش ژلی سطحی نهایی با کیفیت A، برای بدنه قایق فراهم می‌کند. بعد از اینکه پوشش ژلی سخت شد، پوشش جلدی با استفاده از فرایند پاششی اعمال می شود تا مقاومت شیمیایی و خوردگی خوبی بدست آید ]6[ پوشش جلدی ،چیزی بیش از یک لایه شیشه‌آی خرد شده پوشش داده شده با رزین وینی لستر نیست. اگرچه قیمت وینی لستر تقریبا دوبرابر قیمت پلی استر است، ولی بدلیل مقاومت به خوردگی بهتر وینی لستر نسبت به پلی‌استر، از وینی لستر استفاده می شود. بعد از اعمال پوشش جلدی، آن را به مدت یک شب عمل‌آوری می کنند. پوشش جلدی بهبود یافته، همانند یک حصار برای لایه‌های ساختمان عمل می‌کند.