کامپوزیت ها
کامپوزیت به موادی اطلاق می شود که در ساختار آن بیش از یک جزء استفاده شده باشد. که در این مواد اجزاء مختلف خواص فیزیکی مکانیکی خود را حفظ کرده و در نهایت ماده ای حاصل می شود که دارای خواص بهینه ای می باشد. که در تک تک مواد مشارکت کننده به صورت مجزاء در همه حالت ها وجود ندارد.
یک کامپوزیت از دو فاز عمده تشکیل شده است :
الف ) فاز پیوسته یا ماتریس
ب ) فاز ناپیوسته
در کامپوزیت های پلیمری فاز پیوسته یا زمینه اصلی از جنس پلیمر می باشد که اتصال دو فاز به یکدیگر از طریق سطح مشترک صورت می گیرد.
در عین حال کامپوزیت های پلیمری به دو دسته کلی تقسیم بندی می شوند.
1- کامپوزیت تقویت شده با الیاف (Fiber Reinforced Composites) که این کامپوزیت ها به کامپوزیت های لیفی هم مشهور هستند (Fibrous Composites) در این نوع کامپوزیت الیاف فاز تقویت کننده می باشد. این دسته از کامپوزیت ها (FRC) در کاربرد های سازه ای استفاده فراوانی دارند.
2- کامپوزیت های ذره ای (Particulate Composite)
در این نوع از کامپوزیت ها فاز تقویت کننده از ذرات تشکیل شده است. این دسته از کامپوزیت ها در قطعات با اصطحکاک زیاد مورد کاربرد قرار می گیرند.
در مجموع باید اشاره کرد که کامپوزیت های لیفی ذره ای به طور گسترده در صنایع نظامی، خودروسازی، صنایع هوایی، دریایی و راه آهن مورد استفاده قرار می گیرند.
ویژگی های اصلی کامپوزیت ها :
1- وزن مخصوص کم
2- پایداری حرارتی خوب
3- توانایی بالا در جذب انرژی ها
4- ظرفیت دمپینگ بالا
5- سهولت در تولید
6- مقاومت خستگی خوب
با توجه به مجموعه شرایط مذکور کامپوزیت های پلیمری رفته رفته نقش گسترده ای را در صنایع مختلف به عنوان جایگزین فلزات پیدا کرده اند.
نقش الیاف در ساختار مواد کامپوزیتی ( مواد مرکب لیفی )
الیاف اصلی ترین المان در مواد مرکب لیفی هستند که بالاترین کسر حجمی را در ساختار کامپوزیت دارند. انتخاب صحیح نوع، مقدار و جهت بسیار مهم بوده و تاثیر زیادی در خصوصیاتی نظیر :
- جرم مخصوص
- استحکام کششی
- مدول کششی
- استحکام فشار
- استحکام خستگی
- قیمت
- خواص حرارتی و الکتریکی دارند.
طبقه بندی اصلی ترین الیاف مورد استفاده در کامپوزیت ها :
- فلزی : شیشه ، ازبست
- معدنی : کربن، گرافیت، آرامید
- عالی : بر، Sic
- طبیعی : طبیعی
الیاف شیشه (Glass Fibre)
این الیاف بالا ترین حجم مصرف رار دارا هستند و عمومی ترین نوع الیاف مصرفی را در ساختارهای مرکب دارند.
مزایا :
1- قیمت نسبتا پائین
2- استحکام کششی بالا
3- مقاومت شیمیایی بالا
4- خواص عایقی حرارتی و الکتریکی بالا
معایب :
1- شکنندگی پایین
2- مقاومت خستگی نسبتا پایین
3- مدول نسبتا پایین در مقایسه با دیگر الیاف
4- مقاومت کم سایشی
ترکیبات درانواع الیاف شیشه :
C Glass | Sor R Glass | D Glass | E Glass | محتویات |
65-66 | 60 | 73-74 | 53-54 | Slo2 |
4-5 | 25 | - | 14-15.5 | Al2O3 |
13-14 2-3 | 9 | 0.5-0.6 | 20-24 | Cao Mgo |
- | - | - | 0.07 | F |
- | - | 0.1-0.2 | 1< | FeO3 TiO2 |
8-8.5 <0.5 | - | 1.3 1.5 | 1< | Na2O K2O |
خواص انواع الیاف شیشه
C Glass | R Glass | D GlassSor | E Gloss | واحد | خواص |
3100 | 4400 | 2500 | 3400 | Mpa | حداکثر نیروی کششی |
- | 860000 | 55000 | 73000 | Mpa | مدول یانگ |
- | 5.2 | 4.5 | 4.4-4.5 | % | شکست طولی |
- | - | - | 0.22 | - | نسبت Cpo Isso Ns |
اشکال الیاف شیشه
الیاف بلند :
1- منحنی (Yarn)
2- رشته ای (Roving)
3- پارچه ای
4- سوزنی و نمدی
5- نواری
6- سه بعدی( ترکیب سوزنی، پارچه زاویه دار در رشته ای)
الیاف کوتاه :
ساختار الیاف شیشه از سه قسمت موج اصلی تشکیل می شود :
موج ساده تا موج اریب، موج اطلسی، سایر حالات موج الیاف از این سه ساختار نشأت می گیرند.
درصد الیاف در روش SMC بسته به نیازهای کاربردی قطعه متفاوت است و این درصد در حد 50 تا 70 درصد وزنی برای کاربردهای با استحکام و مدول بالا بکار می رود و در آمیزه هایی که میزان درصد وزنی الیاف آنها بالاتر از 60درصد است پرکننده بکار برده نمی شود.
آمیزه های SMC را بر مبنای شکل الیاف بکار رفته به سه گروه زیر تقسیم می کنند.
- SMC-R
- SMC-CR
- XMC
SMC-R که به معنای آرایش اتفاقی الیاف کوتاه در ورقه است.
SMC-CR که C به معنای الیاف موازی و پیوسته در یک طرف از ورقه و R به معنای الیاف کوتاه در دوطرف دیگر ورقه می باشد.
و XMC که X به معنای الیاف پیوسته با آرایش ضربدری در ورقه می باشد.
روش های تولید :
الیاف کربن :
1- نساجی – پلی اکریلونیتریل (PAN)
2- روش (Pitch) ایزوتروپیک
انواع الیاف کربن :
- نخی (Yarn) : اندازه 1 الی 25 میلیمتر جهت ترکیب و قالبگیری پلاستیک های گرمانرم و گرماسخت.
- رشته ای: (Roving) – پودر در اندازه 0.3 با L/D 30
- پارچه ای ساده بافت – پودر در اندازه 0.03 میلیمتر با 30 L/D
- نمدی
- نواری
الیاف آرامید در کامپوزیت ها
مزایا :
- جرم مخصوص پایین
- مدول کششی بالا
- استحکام کششی بالا
- مقاومت ضربه بالا
- کاهنده دامنه نوسان در ارتعاشات
محدودیت ها :
- مقاومت فشاری پایین
- محدودیت در برشکاری
- حساس به نور خورشید
اشکال موجود الیاف آرامید
الیاف بلند :
1- نخی (Yarn)
2- رشته ای (Roving)
3- پارچه ای
4- ترکیبی با الیاف کربن و شیشه ( جهت پوشش محدودیت های موجود)
الیاف کوتاه :
انداره 1 میلیمتر تا 25 میلیمتر جهت قالبگیری
الیاف پلی اتیلن با زنجیره کشیده شده
Ultra High Molecular Weight PE (UHMWPE)
مزایا :
- بالاترین استحکام کششی نسبت به سایر الیاف
- مدول کششی بالا
- پایین ترین جذب رطوبت را دارد ( کمتر از 1 درصد)
- جرم مخصوص پایین
- مقاومت سایشی بالا
- ضریب انبساط حرارتی پایین
- مقاومت شیمیایی بالا
- محدودیت ها:
- دمای کاربردی پایین (100-110 درجه سانتیگراد)
- خزش پایین
- دمای فرایند پذیری در محدوده 125 در جه سانتیگراد
- چسبندگی پایین به پلیمرها
از انواع تجاری موجود آن (Dyneema – Spectra) می باشد.
کاربرد های آن : توری، ملزومات ورزشی و ... می باشد.
رزین ها ( ماتریس) و نقش آنها در کامپوزیت ها
1- وظایف رزین ها در کامپوزیت ها :
- نگهداری الیاف در کنار هم
- انتقال تنش به الیاف
- محافظت از الیاف در مقابل عوامل محیطی
- حفاظت سطح الیاف از سایش
تاثیر بر خواص کامپوزیت :
1- استحکام و مدول عرضی موثر
2- خواص فشاری ( موثر)
3- استحکام برشی ( موثر)
4- استحکام برشی صفحه ای ( موثر )
5- خواص کششی ( کم اثر )
فرایند پذیری یک کامپوزیت به خصوصیات فیزیکی رزین ها مانند گرانروی، نقطه ذوب و دمای پخت رزین دارد.
انواع رزین های پلیمری :
الف : پلیمر های گرما سخت
1- رزین های پلی استر غیر اشباع
2- رزین های اپوکسی
3- رزین های فنولیک
4- رزین اپوکسی نووالانس
5- رزین پلی ایماید
6- رزین اوره و ملامین فرمالدئید
ب : پلیمر های گرما نرم
1- نایلون 6 و 66
2- پلی استر ها
3- پلی کربنات
4- پلی استال ها – پلی سولفون ها
5- پلی اتراکتون PEEK
6- PAI , PEI
مقایسه خواص پلیمرهای گرمانرم و گرما سخت در کامپوزیت ها
خواص | گرما سخت | گرما نرم |
مدول یانگ (Gpa) | 6- 1.3 | 4.8 – 1 |
استحکام کششی (Mpa) | 180 – 20 | 190 – 40 |
چقرمگی شکست (Fraturetroughness) M pam2 kic Kg/m2 Gic | 0.5 – 1 0.2 – 0.02 | 1.5 – 6 0.7 – 6.5 |
حداکثر دمای سرویس دهی | 450 - 50 | 230 – 25 |
رزین های پلی استر
1- پلی استر نوع اورتو با ویژگی های : قیمت پایین و کاربرد عمومی تا 85 %
2- پلی اتر نوع ایزود با ویژگی های
- مقاومت مناسب در شرایط محیطی و مواد شیمیایی
- استفاده در لایه های ژلی
3- رزین بیسفنلیک (پلی استر با کارایی بالا) با ویژگی های:
- مقاومت بالا در مقابل خوردگی
- مورد استفاده در لوله های انتقال مواد شیمیایی
4- رزین وینیل استر (پلی با کارایی بالا) با ویژگی های :
- چقرمگی بالا
- مقاومت ضربه بالا
- مقاومت شیمیایی عالی
رزین های اپوکسی
این رزین ها با خواص زیر مورد توجه قرار می گیرند :
1- خواص مکانیکی خوب : مانند چقرمگی، سختی، مقاومت سایشی بالا
2- خاصیت الکتریکی خوب
3- مقاومت حرارتی عالی
4- چسبندگی عالی به بسیاری از مواد مانند فلزات، چوب، بتن، شیشه، سرامیک
5- مقاومت شیمیایی خوب
6- جمع شدگی کم پس از واکنش پخت
7- فراورش مشکل تر نسبت به پلی استر ها
8- قیمت بالا
عامل پخت ( سخت کننده رزین اپوکسی)
نوع عامل پخت تعیین کننده سرعت واکنش پخت، میزان حرارت ناشی از واکنش، گرانروی سیستم، زمان ژل شدن و حرارت لازم جهت رزین می باشد.
انواع عوامل پت
1- پلی آمین ها
2- انیدرید ها
3- پلی آمید ها
رزین های ویژه
1- رزین اپوکسی ویژه(نووالاک)
2- رزین پلی ایماید(Polyimide)
این رزین ها با خواص ویژه زیر مورد توجه قرار گرفته است :
- ساختار رزین فنلیک را دارد و نوع فراورش مشابه اپوکسی هاست.
- خواص حرارتی و شیمیایی بهتری دارد.
- خواص مکانیکی در دماهای بالا
- گرانروی بالاتر نسبت به اپوکسی های معمولی دارد.
- کارایی سایشی مطلوب دارد.
- مقاومت بالا در برابر شعله دارد.
- پایداری محیطی ضعیف و فراورش مشکل دارد.
- سختی و استحکام بالا در محدوده وسیعی از دما از 240- تا 300 درجه سانتی گراد دارد.
نسبت رزین به الیاف در کامپوزیت
خواص مکانیکی و شیمیایی کامپوزیت ها با میزان زیادی تحت تاثیر نسبت رزین به الیاف قرار دارد به عنوان یک قانون کلی با افزایش میزان الیاف استحکام قطعه افزایش می یابد اما مقاومت محیطی در برابر رطوبت و مقاومت شیمیایی قطعه کاهش خواهد یافت.
میزان رزین به الیاف را می توان با بریدن به مساحت 1 cm2 و وزن کردن آن و توزین مجدد آن پس از سوزاندن در کوره ( در دمای 7000 سانتیگراد و زمان 1 ساعت) تعیین کرد.
طبقه بندی روشهای مختلف شکل دهی کامپوزیت ها
1- روش قالب بسته (Closed Mold)
1-1 ) لایه گزاری پیوسته
1-2 ) پالتروژن
1-3 ) SMC , RTM
1-4 ) قالبگیری فشاری :
1-4-1 ) پرس گرم
1-4-2 ) پرس سرد
2- روش قالب باز (Open Mold)
2-1 ) قالب های یک کفه (Contact Molding)
2-2 ) قالبگیری کیسه ای
2-3 ) رشته پیچشی (Filament Winding)
ویژگی های لازم برای یک فرایند کارامد و ارزان :
1- امکان تولید قطعات بزرگ و پیچیده با سرعت مناسب
2- کاهش مراحل مونتاژی
3- ساختار سه بعدی با خواص ناهمسانی
4- قابلیت تولید مجدد با خواص یکسان
فرایند RTM و مزایای آن :
1- امکان ساخت قطعات بسیار بزرگ
2- امکان ساخت قطعات با عمق بسیار زیاد و شیب دیواره کم
3- امکان استقرار دقیق الیاف در مکان های مورد نظر
4- امکان تولید قطعات یک تکه
5- امکان قرار دادن قطعات فلزی درون قالب
6- آلودگی محیطی کمتر
7- استفاده از حداقل حلال
8- اتوماتیک کردن سیستم
9- یکنواختی تولید
10- صرفه جویی و استفاده بهتر از نیروی کار
11- کاهش زمان چرخه قالبگیری و سرعت تولید بالا
12- اقتصادی بودن فرایند
13- عدم دور ریخت مواد
معایب فرایند RTM :
- طراحی و تهیه قالب دو کفه
- خرید دستگاه تزریق
- توجیه اقتصادی فرایند
- نمایی از مجموعه فرایند RTM
مواد اولیه تولید کامپوزیت :
1 - رزین ها با ویژگی های :
- ویسکوزیته ( گرانروی ) پایین ( 100 – 1000 CP ) و توانایی پر کردن قالب
- خیس کردن سریع تقویت کننده
- زمان ژل شدن
از جمله این رزین ها پلی استر، وینیل استر، اپوکسی و یورتان ها هستند.
2 – الیاف با ویژگی های زیر :
- منعطف بودن جهت شکل گیری مورد نظر
امکان پیش شکل دادن (Performing) مثل بریدن یا دوختن یا فشردن و افشاندن
تراکم مناسب جهت جریان راحت رزین از میان آن
از جمله الیاف شیشه ، کربن و الیاف آرامیدی با حداکثر 50 درصد وزن مورد کاربرد در کامپوزیت.
تهیه شده توسط حسین ذکایی
هیچ نظری موجود نیست:
ارسال یک نظر