پایان نامه تحلیل کمانش ورق های مدورمرکب ارتوتروپ با استفاده از نرم افزار المان محدود

پایان نامه مقطع کارشناسی (گرایش جامدات)

چکیده:

در این پایان نامه رفتار کمانش ورق های دایره ای شکل مرکب با استفاده از تئوری المان محدود و نرم افزار ANSYS مورد بررسی قرار گرفته است. هدف از این پایان‌نامه بدست آوردن بارهای فشاری کمانش در مودهای مختلف می باشد.

فصل اول مقدمه ای در مورد مواد کامپوزیت می باشد.

در فصل دوم به معرفی ماتریس های به کار رفته در ساخت مواد مرکب و بعضی از ویژگیهای آنها پرداخته شده است.

در فصل سوم الیاف و تقویت کننده های پر کاربرد در ساخت کامپوزیت ها بررسی شده است.

در فصل چهارم به معرفی روش ساخت کامپوزیتها و پروسه تولید آنها اشاره شده است.

فصل پنجم به کاربرد کامپوزیتها در صنایع مختلف اختصاص یافته است.

در فصل ششم مقدمه ای از تئوری حاکم برمواد مرکب و پیش بینی رفتار شکست این مواد می باشد.

در فصل هفتم معادلات حاکم بر کمانش ورق های کامپوزیت و معادلات تعادل آنها ارائه شده است.

پدیده کمانش در مورد بسیاری از سازه ها و جزء های تحت تاثیر نیروی فشاری مطرح می باشد. برخلاف تیرها که پس از کمانش بدون تحمل بار زیادی دچار تسلیم می شوند، ورقها می توانند پس از وقوع کمانش در مواردی تا چندین برابر بار کمانش را تحمل کنند. استفاده از این توانایی ورقها گامی مهم و موثر درجهت بهینه سازی، سازه های هوایی شده است.

در فصل هشتم مقدمه ای در مورد روشهای المان محدود و نرم افزار ANSYS ارائه شده است.

در فصل نهم، به معرفی المانها و روشهای تحلیل کمانش مواد مرکب در نرم افزار ANSYS پرداخته شده است. در ادامه، تحلیل گام به گام کمانش ورقهای مرکب و معرفی دستورات مربوط به هر مرحله صورت گرفته است.

در فصل دهم نتایج بدست آمده از 60 مورد تحلیل کمانش ارائه شده است.

و بالاخره  در فصل یازدهم به مقایسه و تحلیل داده های بدست آمده اختصاص یافته است. در پایان نتیجه گیری و پیشنهاد برای ادامه کار پژوهش آمده است.

فصل اول

مقدمه ای بر مواد مرکب

1-1- کامپوزیت چیست؟

کامپوزیت به موادی اطلاق می شود که در ساختار آن بیش از یک جز ماده استفاده شده باشد. در این مواد اجزاء مختلف خواص فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ کرده و در نهایت ماده ای حاصل می شود که دارای خواص بهینه ای می باشد. این خواص در تک تک مواد شرکت کننده به صورت مجزاء و در همه حالت ها وجود ندارد.

تعریف جامع کامپوزیت را به صورت زیر می توان ارائه داد.

دو ماده غیر یکسان که در صورت ترکیب، ماده‌حاصله از تک تک مواد قوی‌تر باشد.

کامپوزیتها همه بصورت طبیعی و همه به صورت مصنوعی ساخته می شوند.

چوب مثال خوبی از یک کامپوزیت طبیعی است. چون ترکیبی از الیاف سلولزی[1]و لیگنین می باشد. الیاف سلولزی استحکام را ایجاد می کند و لیگنین چسبی است که الیاف را به هم می چسباند و پایدار می کند.

بامبو[2] یا نی خیز ران، یک سازه کامپوزیتی چوبی بسیار کارآمد می باشد. اجزاء بامبو همان سلولز و لیگنین می باشد با این تفاوت که بامبو توخالی است و این امر باعث می شود سازه سفت و سبک حاصل شود. چوبهای بلند ماهیگیری کامپوزیتی و چوبهای گلف، کپی شده از این طرح طبیعی هستند.

از جمله مواد کامپوزیت مصنوعی که به دست انسان ساخته شده می توان موارد زیر را نام برد.

آجرهای خشتی که اولین بار توسط مصریان بکار رفت و ترکیبی از گل و کاه می‌باشد.

تخته چندتایی که ترکیبی از ورقهای نازک چوب و چسب می باشد.

بتن مسلح که ترکیبی از فولاد و بتن می باشد. فولاد به لحاظ ساختار مکانیکی در مقابل کشش قوی بوده و بتن ماده ای است که دارای استحکام فشاری بالا می باشد. با ترکیب این دو ماده، سازه ای بوجود می آید که در مقابل کشش و فشار قابلیت بالایی از تحمل را از خود نشان می دهد.

تایر اتومبیل ترکیبی است از مخلوط لاستیک و تقویت کننده هایی نظیر فولاد، نایلون، آرامید یا دیگر الیاف. لاستیک به عنوان ماتریس عمل می کند و تقویت کننده را در جای خود نگه می دارد. ماتریس چسبی است که الیاف را در جای خود نگه می دارد.

با توجه به آنچه بیان گردید و با توجه به مثالهای بالا شاید تعریف کامپوزیتها در عین کامل بودن بسیار عمومی به نظر رسد.

تعریف پیشرفته مواد کامپوزیت که در این پروژه نیز بکار می رود به صورت زیر می باشد. ترکیبی از الیاف تقویت کننده و یک ماتریس پلیمری به عنوان رزین. به عنوان مثال می توان رزین پلی استر[3] والیاف تقویت کننده فایبر گلاس[4] را نام برد.

در ادامه در مورد الیاف و ماتریسها به صورت جداگانه صحبت خواهد شد.

1-2- مزایای کامپوزیتها

استفاده روز افزون کامپوزیتها در ذهن هر خواننده ای این مساله را تداعی می کند که چرا این مواد با این سرعت در حال رشد و تکامل هستند. آنچه مسلم است این مواد نسبت به سایر مواد مهندسی مرسوم (عموماً فلزها) دارای مزایای قابل توجه ای هستند که در ذیل تعدادی از آنها نام برده شده است.

- استحکام ویژه بالا :

استحکام ویژه، عبارتی است که به نسبت استحکام به وزن اطلاق می شود. کامپوزیتها از استحکام ویژه بالاتری نسبت به بسیاری از مواد دیگر برخوردار هستند. مواد کامپوزیت برای نیازهای استحکامی خاص در یک کاربرد می توانند طراحی شوند. توانایی استفاده کردن از انواع رزین ها و الیاف و همچنین نحوه قالبگیری و ترکیب آنها باعث فراهم شدن رنج بالا و متنوعی از استحکام برای این مواد شده است.

- وزن مخصوص کم:

کامپوزیتها موادی را ارائه می دهند که می توانند برای استحکام بالا و هم وزن طراحی پایین مورد استفاده قرار گیرند.

- مقاومت به خوردگی بالا:

مثالهای بیشماری از کامپوزیتها وجود دارد که دارای سرویسی به مدت چهل تا پنجاه سال بوده است. در سال 1947 گارد ساحلی آمریکا یک سری قایقهای گشتی 40 فوتی را با استفاده از رزین پلی استر و فایبرگلاس ساخت. این قایقها تا اوایل دهه 1970 استفاده شدند تا اینکه به دلیل منسوخ شدن طراحی، از سرویس خارج شدند. تستهای زیادی روی لایه ها بعد از خارج شدن از ماموریتهای آنها انجام شد و معلوم شد که فقط 2% تا 3% از استحکام اولیه بعد از 25 سال سرویس سخت افت کرده است.

تفاوتهای بیشمار دیگری از قایقها، ساختمانها و دیگر سازه های کامپوزیتی در سال 1950 وجود دارد که هنوز درحال سرویس دهی هستند.

بدنه اولیه اتومبیلهای کروت[5] در سال 1953 فایبرگلاس بوده اند و به استثناء تعمیرات تزئیناتی، تاامروز سالم و بی عیب مانده اند.

 مواردی از مجاری و لوله های فایبرگلاس که در کارخانجات شیمیایی به مدت 25 سال به کار گرفته شده اند موجود هستند،‌ که در شرایط محیطی بسیار سخت شیمیایی و به صورت 24 ساعته و هفت روز در هفته در حال کار بوده اند.

- انعطاف پذیری طراحی:

کامپوزیتها نسبت به دیگرمواد این مزیت را دارند که می توانند با شکلهای پیچیده نسبت به هزینه کم قالبگیری شوند. انعطاف پذیری در ایجاد شکلهای پیچیده، به طراحان آزادی عمل می دهد که نشانی از موفقیت کامپوزیتها است. قایقها نمونه ای از این توانایی شکل پذیری کامپوزیتها را نشان می دهند.

- سرمایه گذاری نسبتاً کم:

یک دلیل آنکه صنعت کامپوزیت ها موفق بوده است سرمایه گذاری نسبتاً کم در تاسیس و ایجاد وسایل ساخت کامپوزیتها است. تعداد بسیاری از شرکتهای بزرگ و خلاق سازنده کامپوزیتها ریشه خود را در شرکتهای کوچک اولیه سازنده این مواد پیدا می کنند.

در فرایند قالبگیری ترموپلاستیکها هزینه های چند میلیون دلاری برای تجهیزات نیاز است. ولی این هزینه ها در قالبیگری باز به مراقب کمتر و با توجیه اقتصادی بیشتری همراه است. آنچه مسلم است ورود به بازار کامپوزیت با هزینه کمتری نسبت به سایر مواد امکان پذیر است.

از دیگر مزایای کامپوزیتها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- پایداری حرارتی خوب

- توانایی بالا در جذب انرژی ها

- ظرفیت دمپینگ بالا

- مقاومت به خستگی بالا

- هزینه پرداخت کاری پائین

1-3- محدودیتهای کامپوزیتها

محدودیت کامپوزیتها را می توان در موارد ذیل جمع بندی کرد.

- با وجود آنکه قوانین ساده ای برای نمونه های کوچک وجود دارد. اما پیش بینی خواص نمونه های بزرگتر مسئله ساز بوده و از لحاظ ایمنی باعث وقوع زیانهای جدی می گردد.

- پیچیدگی کنترل کیفیت قطعات ساخته شده از مواد مرکب بویژه قطعات حساس و تحت تنشهای مکانیکی شدید نظیر قطعات هواپیما.

- طرح مهندسی ویژه کامپوزیتها، این محدودیت بیشتر در موارد عمومی صنعتی وجود دارد، نه در تا صنایع فضایی که در آن، طرح های غامض معمول می باشد.

- محدودیت تخصصی و آموزشی در تمام سطوح در عرصه طراحی، ساخت و مصرف کامپوزیتها.

1-4- تاریخچه صنعت کامپوزیتها

استفاده ازمواد کامپوزیت طبیعی، بخشی از تکنولوژی بشر از زمانی که اولین بناهای باستانی، کاه را برای تقویت کردن آجرهای گلی بکار بردند بوده است.

مغولهای قرن دوازدهم، کمانهای پیشرفته ای را که کوچکتر و قوی تر از دیگر وسایل مشابه بودند، ساختند. این کمانها سازه‌های کامپوزیتی بوده اند که بوسیله ترکیب زردپی احشام (تاندون)، شاخ، خیزران (بامبو) و ابریشم ساخته شده بودند و با کلوفون طبیعی پیچیده می شدند. این کمانها از نظر قدرت 80% کمانهای کامپوزیتی مدرن بودند.

در اواخر دهه 1800 میلادی سازندگان قایقهای کانو، از چسباندن لایه های کاغذ محکم کرافت[6] با نوعی لاک به نام شلاک[7] اقدام به ساخت قایقهای سبک و یک نفره می کردند. با وجود اینکه تئوری حاکم کاملاً صحیح بود ولی به علت عدم وجود مواد مناسب برای ساخت کامپوزیتها این قایقها چندان موفق نبودند.

در سالهای بین 1870 تا 1890 انقلابی در شیمی بوقوع پیوست. اولین رزینهای مصنوعی ساخت بشر توصعه یافت. رزینهای امروزی که به رزینهای پلیمری معروف هستند، از حالت مایع به حالت جامد توسط پیوند متقاطع مولکولی تبدیل می شوند. رزینهای مصنوعی اولیه شامل، سلولوئید، ملامین، و باکلیت[8] بودند.

در اوایل دهه 1930 دو شرکت شیمیایی که روی توسعه رزینهای پلیمری فعالیت می کردند، عبارت بودند از “American Cyanamid” و “Dupont”. این دو شرکت در یک زمان به تکنولوژی ساخت پلی استر دست یافتند.

در همان زمان، شرکت شیشه “Owens-lllinois” شروع به ساخت الیاف شیشه به همان صورت بنیادی بافت پارچه نساجی نمود. در طی سالهای 1934، 1936 محققی به نام Ray Green در اوهایو این دو محصول جدید را ترکیب کرد و شروع به قالبگیری قایقهای کوچک نمود. بدین وسیله اولین کامپوزیت مدرن ساخته شد.

در طول جنگ جهانی دوم توسعه رادار به محفظه های غیر فلزی نیاز پیدا کرد و ارتش آمریکا با تعداد زیادی پروژه های تحقیقاتی، تکنولوژی نوپای کامپوزیتها را توسعه بخشید.

تکنولوژی صنعت کامپوزیتها در سالهای 1940 تا 1950 میلادی با استقبال و پیشرفت زیادی مواجه شد. اکثر روشهای قالبگیری و فرایند انجام کار روی کامپوزیتها در سال 1955 گسترش یافت.

کاربرد مواد کامپوزیت چنان گسترده و همه گیر شده است که شاید کمترین شاخه‌ای از علم از آن بی نصیب مانده باشد. ولی شاید بتوان صنایع هوا فضا، صنایع خودرو، صنایع نظامی، صنعت ساخت مخازن نگهداری مواد شیمیایی را از بزرگترین مصرف کننده های کامپوزیتها نامید. در مورد کاربرد کامپوزیتها به تفصیل در ادامه صحبت خواهد شد.

1-5- فازهای کامپوزیتی و تقسیم بندی کامپوزیتها

در کامپوزیتها عموماً سه ناحیه متمایز، شامل فاز پیوسته (ماتریس)، فاز ناپیوسته (تقویت کننده) و لایه مرزی بین این دو فاز وجود دارد که تعیین کننده خواص و مشخصه‌های ماده مرکب خواهند بود.

فاز ناپیوسته غالباً به سه دسته کلی ذرات پودری[9]، ذرات صفحه ای[10] و الیاف[11] تقسیم می شوند که هر دسته خصوصیات ویژه ای را در کامپوزیت ایجاد می کنند.

در کامپوزیتهای ذره ای خواص به جهت بستگی ندارد، در حالیکه در کامپوزیتهای لیفی این امر از اهمیت فراوانی برخوردار است.

با احتساب مواد مرکب حاوی ذرات صفحه ای در زمره یکی از دو دسته دیگر، کامپوزیتها را می توان بصورت زیر طبقه بندی کرد.

در یک کامپوزیت بطور کلی الیاف، عضو بار پذیر اصلی سازه هستند. در حالیکه فاز ماتریس آنها را در محل و آرایش مطلوب نگه داشته و به عنوان یک محیط منتقل کننده بار بین الیاف عمل می کند و به علاوه آنها را از صدمات محیطی در اثر بالا رفتن دما و یا رطوبت و غیره حفظ می کند. بنابراین اگرچه الیاف باعث تقویت ماتریس می شوند اما ماده اخیر نیز اثرات مثبتی بر ماده کامپوزیت دارد.

مواد مرکب

کامپوزیت با ذرات پودری تقویت شد

آرایش هدایتی

آرایش اتفاقی

کامپوزیت با الیاف تقویت شد

کامپوزیتهای چند لایه

کامپوزیتهای تک لایه

هیبریدی

لایه‌ای

الیاف ممتد

الیاف منقطع

آرایش

هدایتی

آرایش

اتفاقی

از مواد مختلفی می توان در ساخت کامپوزیتها استفاده کرد و ظاهراً هم محدودیتی در زمینه انواع ترکیبات ممکن وجود ندارد. ولی براساس شکل مواد داخل کامپوزیت، می توان آنها را به پنج نوع ذیل تقسیم نمود.

1- کامپوزیت الیافی[12]: که شامل الیاف محاط شده در ماتریس هستند.

2- کامپوزیت لایه‌ای[13]: که شامل لایه ای از موادند که رویهم قرار گرفته اند.

3- کامپوزیت ذره‌ای[14]: که شامل ذرات محاط شده در ماتریس هستند.

4- کامپوزیت پولکی[15]: ساخته شده از پولک با یا بدون ماتریس.

5- کامپوزیت پر شده[16]: که از یک ماتریس که بوسیله ماده دیگر پر شده است تشکیل می شوند.

1-6- خواص کامپوزیتها

خواص کامپوزیتها را می توان ناشی از عوامل زیر دانست.

1- خواص فازهای تشکیل دهنده آن

2- توزیع فازها

3- اثر متقابل فازها بر یکدیگر[17]

4- ابعاد ماده تقویت کننده

الف: شکل[18]

ب: اندازه[19]

ج: توزیع اندازه ذرات[20]

در مواد مرکب الیافی، زاویه قرار گرفتن الیاف تحت بارگذاری اهمیت بسزایی دارد. شکل زیر نمونه ای از وابستگی خواص به جهات را نشان می دهد.

خواصی راکه می توان بوسیله به هم آمیختن مواد بهبود بخشید عبارتنداز:

< >مقاومتسختیمقاومت در برابر خوردگیجذابیت ظاهریوزنمقاومت در مقابل خستگیانبساط یا انقباض ناشی از تغییرات درجه حرارتعایق حرارتی بودنقابلیت هدایت حرارتیقابلیت هدایت الکتریکیعایق صوتی بودنالبته یافتن کامپوزیتی که دارای کلیه خواص فوق باشد کار دشواری است. معمولاً برخی از این خواص در یک کامپوزیت مورد نیازاست.

1-7- مقاومت کامپوزیتهای لیفی

از میان تمام مواد مرکبی که ذکر آنها به عمل آمد، تنها مواد مرکب الیافی موضوع این پروژه می باشد. این مواد در صنعت هم از بالاترین درجه اهمیت در میان سایر مواد مرکب برخوردار می باشند. لذا تا حدودی بر روی این مواد تمرکز بیشتری کرده و به شرح و تفضیل آنها می پردازیم.

چندین عامل در میزان مقاومت کامپوزیتهای فایبر- ماتریس موثرند.

احتمالاً مهمترین عامل،‌ آرایش الیاف یا طرز قرار گرفتن آنها درون ماتریس می‌باشد. معمولاً الیاف بیشترین مقاومت را در امتداد طول خود نشان می دهند.

شکل زیر انواع مختلفی از آرایش الیاف در کامپوزیتها را نشان می‌دهد که اصلی‌ترین طرز قرارگیری الیاف می باشند.

- تقویت کننده تک جهتی[21] که حداکثر مقاومت را در یک جهت نشان می دهند.

< >تقویت کننده دو جهتی[22] که در دو جهت مقاوم بوده، معذلک مقاومت در هر جهت نصف مقاومتی است که تقویت کننده تک جهتی می تواند داشته باشد.تقویت کننده ایزوتروپیک[23] که به ماده مرکب متجانس نیز معروف است. این ماده مقاومت یکسان در تمام جهات را فراهم می کند. منتهی مقاومت در هر جهت یک سوم مقاومتی است که تقویت کننده تک جهتی می‌تواند تامین کند.

عوامل موثر بر مقاومت کامپوزیتهای لیفی را می توان به موارد ذیل خلاصه نمود.

1- مقاومت خود الیاف

2- طول الیاف

3- تعداد ترکهای ریز در الیاف

4- شکل الیاف

5- میزان چسبندگی الیاف به ماتریس[24]

برای مثال ویسکوهای شش ضلعی قویترین الیاف به شمار می روند ولی کار با آنها دشوار است. انواع مختلف الیاف در زیر آمده است.

از میان عوامل پنج گانه فوق، مورد میزان چسبندگی الیاف به ماتریس از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. عواملی که در میزان استحکام بین الیاف و ماتریس موثرند عبارتند از:

- ایجاد حبابهای هوا در ماده مرکب که باعث اتصال غیر کامل ماتریس و فیبرها می‌شود.

- مشکل دیگر رطوبت است. چنانچه سطح الیاف خیس باشد اتصال مناسب با ماتریس بوجود نمی آید. بهمین خاطر اغلب سطح الیاف را با عامل پیوند دهنده[25] پوشش می دهند. این پوشش باعث بهبود مقاومت چسبندگی می‌شود.

فصل دوم

ماتریسها (رزین‌ها)

2-1- ماتریس ها

ماتریس در یک کامپوزیت نقش یک بستر را داشته و به انواع مختلف فلزی، سرامیکی، پلیمری و… تقسیم می شود. نظر به اهمیت ماتریسهای پلیمری و همینطور کاربردهای بسیار متنوع آن، به شرح تفضیلی آن می پردازیم. به علت اینکه در این پروژه مواد مرکب الیافی مد نظر می باشد و در این مواد از ماتریس پلیمری استفاده می‌شود. لذا بحث در مورد سایر ماتریسها در حوصله این پروژه تحقیقاتی نمی گنجد.

کامپوزیتها با ماتریس پلیمری نه تنها به عنوان موضوع جالب آزمایشگاهی یا ماده ای برای ساخت محصولاتی ارزان قیمت، بلکه به عنوان موادی با ساختار مهندسی، مورد توجه قرارگرفته اند. پیشرفت مواد مرکب را می توان نتیجه دو عامل دانست.

1- پیشرفت ماتریس های پلیمری جدید

2- الیاف جدید یا آرامیدها (کربن، کولار، بور)

در اینجا لازم به ذکر است در مقایسه با ماتریسهای سرامیکی و فلزی، ماتریسهای پلیمری بسیار پیچیده تر بوده ولی با هزینه کمتر و به سهولت فرایند می شوند. از طرف دیگر این مواد استحکام و مدول کشسانی کمتر و گستره دمای کاربردی پایین تری دارند.

قرار گرفتن دراز مدت پلیمرها در معرض نور ماوراء بنفش یا بعضی از حلالها، کاهش خواص آنها را به دنبال دارد. چون در پلیمرها پیوند کووالانسی حاکم است، معمولاً این مواد رسانایی گرمایی، هدایت حرارتی و الکتریکی ضعیفی از خود نشان می دهند. در هر صورت معمولاً پلیمرها در مقایسه با فلزات در مقابل مواد شیمیایی مقاوم تر هستند.

پلیمرهااز نظر ساختاری، مولکولهای زنجیری بزرگی هستند، از این رو به آنها ماکرومولکول می گویند. پیوندهای کووالانس اتمهای کربن استخوان بندی اصلی زنجیر را تشکیل می دهند. فرایند تشکیل مولکولهای بزرگ از مولکولهای کوچک (منومر) را پلیمرشدن می گویند.

2-2- پلیمریزاسیون

بطور کلی فرایند پلیمر شدن به دو گروه مهم طبقه بندی می شود:

1- پلیمر شدن تراکمی[26] یا پلیمرشدن مرحله‌ای[27]

در این فرایند واکنش مولکولها بصورت مرحله ای روی می دهد و در هر مرحله یک مولکول ساده که معمولاً آب است بعنوان محصول جانبی تشکیل می شود.

2- پلیمر شدن افزایشی یا پلیمر شدن زنجیره‌ای

در این فرایند منومرها، بدون تولید محصول جانبی به یکدیگر متصل می شوند. معمولاً این نوع پلیمر شدن در حضور یک کاتالیزور صورت می گیرد.

2-3- پلیمرهای گرما سخت[28] و گرما نرم[29]

دو گروه اصلی پلیمرها که بوسیله هر دو روش پلیمر شدن تراکمی و افزایشی تولید می شوند و از نظر رفتار با یکدیگر متمایزند، پلیمرهای گرما سخت و گرما نرم نامیده می شوند. تفاوت رفتار آنها مبتنی بر ساختار و شکل مولکولی، اندازه وزن مولکولی و یا مقدار و نوع پیوندهاست.

2-4- رزینهای ترموپلاستیک (گرما نرم)

چنانچه بیان کردیم به گروهی از رزینها گویند که در اثر اعمال حرارت نرم می‌شوند.

متداولترین انواع این گروه از رزینها عبارتند از:

پلی پروپیلن، پلی آمید، پلی استیرن و پلی اتیلن.

نظیر رزینهای ترموست این گروه از رزینها را نیز می توان با افزایش تقویت کننده (معمولاً الیاف کوتاه[30]) تقویت نمود. الیافی نظیر شیشه، گرافیت و…

البته نحوه آرایش و قرار گرفتن این الیاف در سیستم کاملاً به صورت تصادفی یا راندوم می باشد. کلیه ترموپلاستیکها به هنگام حرارت دهی نرم شده و خواص مکانیکی آنها تنزل شدیدی پیدا می کند. بنابراین رزینهای ترموپلاستیک اصلاً کارایی خوبی در دماهای بالا ندارند. ولی در دماهای معمولی دارای چندین ویژگی مناسب می‌باشند.

سخت بالا، مقاومت عالی در برابر خزش (منظور از مقاومت در برابر خزش مقاومت یک ماده پلیمری در برابر تغییر شکل خود، به هنگامی است که تحت یک بار خارجی مداوم قرار می گیرد) و همچنین قیمت مناسب می باشد.

2-5- رزینهای گرما سخت (ترموست)

عبارتند از آن گروه از پلیمرهایی که هرگاه در معرض حرارت قرار می گیرند ساری و جاری نشده (برخلاف ترموپلاستیکها) و اگر عملیات حرارت دهی آنها بازهم ادامه یابد دچار تجزیه حرارتی می شوند.

این گروه از مواد پلیمری بعلت وسعت و تنوع در کاربرد از اهمیت بسیار زیادی برخوردارند.

مهمترین این پلیمرها عبارتند از:

رزینهای اپوکسی، پلی استر، فنولیک، وینیل استر، اپوکسی- نووالاک، پلی بنزایمیدازول.

2-6- نقش ماتریس

نقش ماتریس در یک کامپوزیت تقویت شده با الیاف عبارت است از:

1- انتقال تنشها بین الیاف

2- ایجاد سپر محافظتی مناسب در مقابل شرایط محیطی نامناسب

3- حفاظت سطح الیاف در مقابل سایش مکانیکی

ماتریس نقش کمی را در پذیرش بار کششی وارد بر یک سازه کامپوزیتی بازی می‌کند. امانوع ماتریس تاثیرمهمی براستحکام برشی بین لایه‌ای[31]، استحکام برشی درصفحه[32] ماده کامپوزیت دارد. استحکام برشی بین لایه ای یک مشخصه طراحی در سازه هایی است که تحت بار خمشی[33] قرار دارند در حالیکه استحکام برشی در صفحه در هنگام اعمال بارهای پیچشی[34] اهمیت پیدا می کند.

ماتریس حفاظت جانبی از کمانش احتمالی الیاف، در موقع اعمال بارهای فشاری را نیز بعهده دارد. لذا تا اندازه ای در استحکام فشاری ماده کامپوزیت نقش بازی می کند. بالاخره نقایص در یک ماده کامپوزیت به شدت وابسته به خصوصیات فیزیکی ماتریس مانند ویسکوزیته، نقطه ذوب و دمای پخت ماتریس است.

در بین ماتریسهای ذکر شده پلیمرهای ترموست مانند اپوکسی ها، پلی استرها و فنولیکهابه علت سهولت فرایند پذیری، بیشترین کاربرد را در صنایع کامپوزیت دارند. در ادامه به توضیح مختصر رزینها می پردازیم.

2-7- رزینهای اپوکسی

رزینهای اپوکسی گروهی از مواد پلیمری ترموست هستند که در طول واکنش و عمل پخت همچنان به تشکیل اتصالات عرضی ادامه می دهند. این مواد دارای قدرت چسبندگی خوب به مواد دیگر، مقاومت شیمیایی و مقاومت خوب در مقابل عوامل محیطی و خواص مکانیکی مناسب و یک عایق الکتریکی خوب می باشند.

رزینهای اپوکسی پلیمرهایی هستند که حاوی یک حلقه سه عضوی

که به اپوکساید یا اکسیران معروف است می باشد.

این رزین بصورت تجارتی در اواخر دهه 1940 در آمریکا تولید شد و به خاطر خواص ویژه اش مقبولیت زیادی را در صنایع برق، ساختمان و غیر بدست آورد.

مهمترین این خواص عبارتند از:

الف: مقاومت شیمیایی خوب بویژه در برابر محیط های قلیایی. این خاصیت بیشتر به خاطر حضور حلقه های بنزنی در زنجیره اصلی و پایداری شیمیایی خوب اتصالات فنولیک اتر می باشد.

ب: چسبندگی عالی به تعداد زیادی از مواد مانند فلزات، چوب، بتون، شیشه، سرامیک و بسیاری از پلاستیک ها. این خاصیت بیشتر به خاطر وجود گروههای اپوکسی و هیدروکسیل در زنجیر است.

ج: خواص مکانیکی خوب مانند چقرمگی، سختی و مقاومت سایشی خوب که بیشتر به خاطر حضور ساختارهایی چون بیسفنل آ در این رزینها است.

د: خاصیت الکتریکی خوب و مقاومت حرارتی بسیار خوب.

ه : فرو رفتگی بسیار کم در حین واکنش های شبکه ای شدن. این امر امکان ساخت قطعاتی با ابعاد دقیق و تنش باقیمانده کم در جسم را فراهم می‌کند. این فرورفتگی حدوداً کمتر از 2% می باشد.

2-8- معایب رزینهای اپوکسی

1- گرانقیمت بودن رزینهای اپوکسی نسبت به رزینهای پلی استر و فنولیک ها.

2- محدودیت در قابلیت عدم فرسایش در برابر هوا.

3- خطرات ناشی از مسمومیت در تماس با رزینهای اپوکسی و هاردنرهای آنها.

2-9- تقسیم بندی انواع تجاری رزینهای اپوکسی

1- نوع سنتی ترکیب اپی کلروهیدرین با بیسفنل A.

2- رزینهای اپوکسی سیکلو آلیفاتیک.

3- رزینهای اپوکسی نووالاک

2-10- رزینهای پلی استر غیراشباع

رزین پلی استر ماده پلیمری غیراشباعی است که محصول واکنش الکلهای دو یا چند عاملی با اسیدهای دو یا چند عاملی بوده و پس از تولید، در یک منومر مانند استیرن حل می شوند.

این خانواده از رزین ها بسته به نوع و درصد مواد اولیه، طیف وسیعی از مواد دیگر را در بر می گیرند. در زنجیره اصلی رزین پلی استر، عامل غیر اشباعی وجود دارد که می تواند با منومرهای غیراشباع تولید جسم جامد گرما سخت غیرمحلول و ذوب نشدنی نماید.

پلی استرهای غیراشباع کاربردهای فراوانی دارند و در درجه حرارتهای معمولی (دمای اتاق) این رزینها برای ماهها و حتی سالها دوام داشته، ضمن اینکه می توان در ضمن چند دقیقه آنها را به جسم صلب و سختی تبدیل نمود.

رزین های پلی استر را معمولاً با مواد تقویت کننده بکار می برند. (عمدتاً با الیاف شیشه جهت ساخت محصولات فایبرگلاس).

این تقویت کننده ها می توانند تغییرات زیادی را در خواص کامپوزیت، بسته به مقدار تقویت کننده ایجاد نماید. برای مثال مقاومت مکانیکی در برابر ضربه کامپوزیتها پلی استر را می توان با استفاده از تقویت کننده پارچه شیشه تا حدود پنجاه برابر حالت خالص این رزین رسانید.

2-11- انواع رزینهای پلی استر تجاری

1- رزینهای با کیفیت پایین سطحی[35]

رزینهای پلی استر بطور متوسط حدود 8% فرورفتگی از خود نشان می دهند که در مورد قطعات با سطوح بزرگ و برای قطعات حساس، این مقدار فرورفتگی، سطحی با کیفیت ضعیف را بوجود می آورد. برای جلوگیری از شکل بالا ازمواد افزودنی کاهش دهنده فرورفتگی استفاده می شود که این مواد مشکلات زیر را بوجود می آورند.

رنگ پذیری مشکلتر قطعه و یا چسبندگی کمتر رنگ به مسطح کامپوزیت می‌شود. بعلاوه حضور حفره های میکروسکوپی باعث افت خواص مکانیکی می شود.

2- رزینهای سطحی

عموماً به دو مجموعه پوشش ژلی و پوشش رویی اطلاق می شود. پوشش ژلی اولین لایه از رزین است که به سطح قالب آغشته به مواد جدا کننده زده می شود و نقش آن تشکیل لایه ای بر روی محصول برای ایجاد مقاومت جوی، رطوبتی یا شیمیایی است. ضخامت معمول این لایه حدود mm4/0 است و معادل با  g/m2450 رزین می باشد.

پوشش رویی لایه ای از رزین است که بعد از خارج نمودن قطعه از قالب به سطح آن زده می شود. بهمین خاطر پرداخت و صافی سطح در اینجا کمتر از حالت پوشش ژلی است زیرا در مورد اخیر رزین با سطح قالب در تماس است.