این محصول در قالب ورد و قابل ویرایش در 120 صفحه می باشد.
در این محصول منابع ذکر نشده است.
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:
- مواد کامپوزیتی قابلیت یکپارچه کردن اجزا را دارند،چند جزء فلزی مختلف می‌تواند با یک کامپوزیت جایگزین شود.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- کامپوزیتها از روشهای طراحی برای ساخت (DF,) و طراحی برای مونتاژ (DFA) را امکان‌پذیر وعملی می‌کند. این روشها کمک می‌کنند که تعداد اجزا محصول به حداقل برسد و در نتیجه باعث کاهش زمان اتصال و مونتاژ می‌شوند. با کاهش تعداد اتصالات، قطعه با اجزای با استحکام بالا و قیمت پایین ساخته می شود. با کاهش زمان و هزینه‌ی مونتاژ، سوددهی افزایش می‌یابد. تکنیکهای DFM و DFA در فصل 5 شرح داده می‌شوند.
- کامپوزیتها دارای خواص ضربه‌ای خوبی هستند. کامپوزیت‌های شیشه و کولار دارای استحکام ضربه‌ای بیشتری نسبت به فولاد و آلومینیوم هستند. در بین کامپوزیت‌های ترموپلاستیک، خواص ضربه‌ای «کامپوزیت نایلون (NylonLG 60) » شامل 60% الیاف شیشه‌ای بلند، «کامپوزیت نایلون 66 (NylonSG 40) » شامل 40% الیاف شیشه‌ای کوتاه «کامپوزیت پلی پروپیلن (PPLG40) » شامل 40% الیاف شیشه‌ای بلند «کامپوزیت پلی پروپیلن (PPSG40)» شامل 40% الیاف شیشه‌ای کوتاه، «کامپوزیت PPS (PPSLG 50)» شامل 50% الیاف شیشه‌ای بلند و «کامپوزیت پلی‌اروتان (PULG60)» شامل 60% الیاف شیشه‌ای بلند آمده است. الیاف شیشه‌ای بلند 3 تا 4 برابر خواص ضربه‌ای را نسبت به الیاف شیشه‌ای کوتاه افزایش می‌دهند.
- ویژگیهای صوتی، ارتعاشی و خشنی (زبری) (NEH) کامپوزیتها از فلزات بهتر است. کامپوزیتها ارتعاشات را بهتر از فلزات از بین می‌برند. این ویژگی کاربردهای مختلفی همچون لبه انتهایی هواپیما تا چوب گلف دارد.
- با استفاد هاز روشهای طراحی و ساخت مناسب،می‌توان قطعات کامپوزیتی کارآمد و مؤثرتری تولید کرد. کامپوزیتها این اجازه را به ما می‌دهند که آزادی عمل زیادی در طراحی قطعات داشته باشیم بطوریکه کارایی محصول حفظ شده و از طراحی اضافی خودداری شود. این عمل با تغییر جهت الیاف، نوع الیاف و یا سیستم‌های رزینی حاصل می گردد.
- کامپوزیت‌های فنولیک مسلح شده با شیشه وآرامید دارای خواص لازم برای JAR و FAA برای کاهش دوم و سموم هستند. از این مزیت در کانالهای داخلی هواپیما،انبارها،دیوارهای آشپزخانه کشتی و … استفاده می شود.
- کامپوزیتها در فشار و دمای کمتری نسبت به فلزات تولید می‌شوند، لذا قیمت ابزار و تجهیزاتی که برای مراحل ساخت کامپوزیتها لازم است. از ابزار مورد نیاز برای ساخت فلزات ارزانتر است. با توجه به کاهش پیوسته‌ی عمر تولید محصولات، این موضوع امکان تغییر طرح را در بازار رقابتی امروز به وجود می‌آورد.
مقاله کامپوزیت ها و کاربرد آن ها