فصل اول:
کامپوزیت ها
کامپوزیت ها [1]
بسیاری از فن آوریهای نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولی از خواص را با آلیاژهای فلزی ، سرامیکی و پلیمرهای معمولی حاصل نمی آید بدست می دهد . به عنوان نمونه مواد مورد نیاز درسفینه های فضائی ، زیر دریائی ها و کاربردهای حمل و نقل از این قبیل است که باید در عین چگالی کم ، استحکام سفتی و مقاومت به سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد .از اینرو نیاز به مواد
جدیدی به نام کامپوزیت میباشد. کامپوزیت عبارت است از هر ماده چند فازی که سهم برای بدست آوردن مواد با استحکام و به ویژه استحکام به وزن بالا، می توان رشته هایی با مدول کشسانی و استحکام بالا را در یک زمینه فلزی یا پلیمری قرار داد. در کامپوزیت ها که مواد مرکب هم نامیده می شوند، دو یا چند ماده در مقیاس ماکروسکوپی با هم ترکیب شده و خواص مورد نظر را ایجاد می کنند. اگر چه می توان با ترکیب کردن بعضی مواد در مقیاس میکروسکوپی هم به خواص مورد نظر دست یافت، که به بحث آلیاژها مربوط می گردد.درواقعکامپوزیتها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است.ضمن آنکه اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می‌بخشند. کاپوزینت یک ماده چند فازی است که بصورت مصنوعی ساخته می شود فازها باید از لحاظ شیمیائی متفاوت باشد و با فصل مشترکهایی مچزا شوند. مطابق این تعریف ، اغلب آلیاژهای فلزی و بسیاری از سرامیکها کامپوزیت نیستند زیرا فارهای چند گانه آنها درنتیجه یک پدیده طبیعی تشکیل شده است .بسیاری از کامپوزیت هاتنها از دو فاز تشکیل شده اند:
فاز زمینه که پیوسته است وفاز دیگر که غالبا فاز پراکنده است تقویت کننده گفته میشود . خواص کامپوزیت به خواص فازهای تشکیل دهنده آن ، مقادیر آنها و هندسه فاز پراکنده شده وا بسته است . منظور از هندسه فاز پراکنده شده ، شکل و اندازه ذرات ، نحوه توزیع و جهت آنهاست .
1-1-ساختمان کامپوزیت ها:
کامپوزیت ها از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند: 1)الیاف یا تارها. 2)پرکننده یا ماتریس. 3)چسب. معمولاً ماتریس دارای سختی و استحکام کمتری نسبت به ا لیاف می باشند، ولی اختلاط الیاف و ماتریس باعث تشکیل محصولی می شود که دانسیته کمی داشته ودر عین حال از استحکام فشاری و کششی بالایی برخوردار می باشد. مانند مواد اپوکسی مثل نارمکو((Narmco2387 که دارای دانسیته / lb044/0، استحکام فشاری / lb23000 و استحکام کششی / lb4200 است.
1-1-1-رشته ها:
هر چه قطررشته کوچکتر باشد ، رشته مستحکم تر ازماده زمینه خواهد بود.موادی که بعنوان رشته های تقویت کننده بکارمیرود استحکام کششی بالایی دارند.براساس قطر و مشخصه رشته ها به 3 دسته تقسیم می شوند:ویسکرها،رشته ها وسیم ها.ویسکرها تک بلورهای بسیارنازکی هستند که نسبت طول به قطرآنهافوق العاده زیاداست.آنها مستحکم ترین موادی هستندکه شناخته شده اند. مواد ویسکری شامل گرافیت ، کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم و اکسید آلومینیم است.
1-1-2-فاز زمینه:
فاززمینه کامپوزیت های رشته ای میتواند فلز ، پلیمر یا سرامیک باشد. معمولا ازفلزات یا پلیمرها به عنوان ماده زمینه استفاده میشود،زیراانعطاف پذیری مطلوبی دارند.درکامپوزیت های زمینه سرامیکی جز تقویت کننده برای بهبود چقرمگی شکست استفاده می شود . در انتخاب ترکیب زمینه – رشته ، مهمترین عامل استحکام پیوند است .
1-2- انواع کامپوزیت ها:
کامپوزیت ها را می توان بر اساس شکل تقویت کننده،نوع تقویت کننده وفاز زمینه دسته بندی کرد.دسته بندی بر اساس شکل تقویت کننده شامل سه دسته است: 1)کامپوزیت با الیاف تصادفی. 2) کامپوزیت لایه ای. 3) کامپوزیت ذره ای.وبر اساس فاز زمینه به سه دسته عمده تقسیم میشود:1)زمینه پلیمری،2)زمینه فلزی،3)زمینه سرامیکی،
درابتدا درمورد شکل الیاف توضیح داده میشود:
1-2-1- کامپوزیت با الیاف تصادفی:
از لحاظ تکنولوژیکی ، مهمترین کامپوزیتها آنهایی هستندکه فازپراکنده شده در آنهابه شکل رشته است.کامپوزیتهای رشته ایی تقویت شده استحکام ویا سفتی بالائی دارند. خواص مکانیکی این کامپوزیت ها به خواص رشته و میزان نیروی منتقل شده به رشته از سوی فاز زمینه بستگی دارد .بنابراین طول بحرانی رشته در استحکام کامپوزیت نقش دارد.این مواد دارای استحکام و سختی بالاتری نسبت به سایراشکال کامپوزیت ها هستند، که ازکاهش نقایص کریستالی و جهت یافتگی کریستال ها در جهت طول آنها ناشی میشود. این حالت ساده ترین شکل مواد کامپوزیت است که در آن تعیین دقیق خواص ممکن نمی باشد.
1-2-2- کامپوزیت لایه ای:
در این مواد که حداقل شامل دو ماده مختلف می باشند، لایه ها طوری روی هم قرار داده می شوند که استحکام لازم را درجهت مورد نظرایجاد کنند. مانند مواد ساخته شده از دو لایه فلز با ضریب انبساط حرارتی مختلف، فلزات روکش دار، لایه های شیشه- پلاستیک که در آنها شیشه سختی لازم را برای پلاستیک و پلاستیک انعطاف پذیری لازم را برای شیشه تأمین می کند.
1-2-2-1- انواع کامپوزیت های لایه ای:
1)تک لایه : در این کامپوزیت ها، در یک صفحه الیاف در یک جهت قرار داشته و می توان آنها را در جهت دیگر تقویت کرد. الیاف معمولاً بدلیل داشتن سختی و مدول الاستیسیته بالا در جهت اعمال بار قرار داده می شود و ماتریس باعث توزیع مناسب بار می شود.
2)چند لایه: در این کامپوزیت ها نیروهای اعمالی به یک صفحه، می توانند در جهات مختلف وارد شود و لایه ها را با زوایای مختلف برای دستیابی به سختی مناسب در کنار یکدیگر قرار می دهند.
3)صفحات مختلط(هیبرید): در این کامپوزیت ها علاوه بر داشتن لایه ها با جهات مختلف، جنس لایه ها هم متفاوت است. در اینجا استفاده از مواد مناسب، به عملکرد سازه های مختلف در مقابل
نیروهای مکانیکی و عوامل محیطی بستگی دارد.
1-2-3- کامپوزیت ذره ای:
این مواد شامل یک ماتریس و یک ماده دیگری که در آن به شکل ذرات کوچک توزیع شده اند،
می با شند. فاز پراکنده شده در کامپوزیت های تقویت شده با ذرات هم محور و همسواست ، یعنی ذرات تقریبا در همه جهات همسو هستند. دو زیر دسته این نوع کامپوزیت ها عبارتند از : کامپوزیت های درشت ذره و مستحکم شده به وسیله پراکندگی ذرات .تفاوت این دو گروه به مکانیزم مستحکم شدن یا تقویت شدن بستگی دارد واژه درشت بدین جهت استفاده می شود که نشان دهد فعل و انفعال بین ذره – زمینه نمی تواند در مقیاس اتمی یا مولکولی صورت گیرد ومکانیک محیط های پیوسته استفاده می شود . در بیشتر این نوع کامپوزیت ها ، فاز پراکنده سخت تر وسفت تر از زمینه است این ذرات تقویت شده٬ جابجائی و حرکت فاز زمینه را در مجاور خود مهار ومتوقف می کنند. اساسا زمینه ، مقداری از تنش اعمال شده را به ذرات منقل می کند . میزان تقویت شدن یا بهبود رفتار مکانیکی به استحکام پیوند در فصل مشترک زمینه – ذره بستگی دار د . کامپوزیت های ذره ای به صورت های زیر هستند:
1)غیر فلز در غیر فلز.
2)فلز در غیر فلز.
3)غیر فلز در فلز.
4)فلز در فلز.
1-2-4- کامپوزیت های زمینه پلیمری
کامپوزیتهای زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری پلاستیک تقویت شده مولکول درشت به عنوان زمینه تشکیل شده است،. از ویژگیهای این دسته از کامپوزیت ها ، کاربرد متنوع و گسترده ، خواص خوب در دمای محیط ، سهولت ساخت و هزینه کم است . . این نوع کامپوزیت هابراساس بر اساس نوع تقویت شدن به شیشه ایی ، کربنی و آرامید تقسیم می شوند. کامپوزیت های پلیمری رشته پلیمری رشته شیشه ای شامل رشته های شیشه ایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه است در آینده بجای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویت کننده درکامپوزیت های پلیمری استفاده خواهد شد،چون رشته های کربنی بیشترین استحکام ویژه ومدول ویژه را در میان رشته های تقویت کننده دارا است. در کامپوزیت های زمینه پلیمری ، غیر از سه نوع رشته تقویت کننده شیشه ای،کربنی ،آرامید ،گاه از بور ،کاربید سیلیسیوم واکسید آلومینیومدر حد محدودی استفاده میشود.
1-2-5- کامپوزیت های زمینه فلزی
در کامپوزیت های زمینه فلزی زمینه عبارت است از یک فلز انعطاف پذیر . برتری های این نوع کامپوزیت نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری شاکل دمای عملکرد بالاتر ، شعله پذیر نبودن و مقاومت بیشتر در برابر تهاجم
سیالات آلی است . البته هزینه آنها بیشتر و در نتیجه استفاده از آنها محدود تر است .
از سوپر آلیاژها ، آلیاژهای آلومنییم و منیزیم ، تیتانیم و مس به عنوان مواد زمینه استفاده می شود . موادتقویت کنند ه ممکن است به شکل ذرات ، رشته های پیوسته و ناپیوسته و یا ویسکرها باشند که 10 الی 60% حجمی کامپوزیت را تشکیل می دهد رشته های پیوسته شامل کربن ، کاربید سیلیسیم ، بور ، آلومینا و فلزات دیر گداز است رشته های ناپیوسته از ذرات همین مواد تشکیل می شوند از یک جهت می توان سرمت ها را جز این ( MMC) ها قرار دارد .
خودرو سازان اخیرا در محصولات خود شروع به استفاده از کامپوزیتهای زمینه فلزی کرده اند به عنوان نمونه برخی قطعات موتور از زمینه آلیاژهای آلومینیم تقویت شده با رشته های آلومینا و کربن تولید شده که سبک وزن تر هستند و مقاومت آنها در برابر سایش و اعوجاج حرارتی بیشتر است استفاده از این نوع کامپوزیت ها در محورهای محرک که سرعت چرخش بالاتر و میزان کمتر سرو صدای ناشی از ارتعاش را به همرا دارد صورت گرفته است . صنایع هوا فضا نیز از این نوع کامپوزیت ها بهره می برد له عنوان نمونه در قطعات تلسکوپ فضائی هابل از رشته های گرافیتی پیوسته استفاده شده است .
1-2-6-کامپوزیت های زمینه سرامیکی
بدلیل مقاومت آلی در برابر اکسایش در دمای بالا ، با وجود احتمال شکست ترد ، بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنش های شدید میباشند . به ویژه در قطعات موتور خودرو و توربین های گازی هواپیما . چرمگی شکست این کامپوزیت ها معمول است در حالی که در اغلب فلزات 15 است . چقرمگی شکست نسل جدید و توسعه یافته کامپوزیت های زمینه سرامیکی که بصورت ذزه ای، رشته ای یا ویسکری از مواد سرامیکی است بهبود یافته وبه 6 رسیده است . این بدان دلیل است که ترکی که در زمینه توسط ذرات ، رشته ها یا ویسکرها ایجاد میشود، نه تنها اشاعه نمی یابد بلکه از اشاعه آن ممانعت به عمل مِی آید،به این امرکمک می کند.
کامپوزیت های زمینه سرامیکی را با روش های پرسکاری گرم ، پرسکاری ایزوستاتیک گرم وزینتر کردن فاز مذاب تولید می کنند، آلومینا های تقویت شده با ویسکرهای SiC به عنوان ابزار برش در ماشین کاری آلیاژهای فلزی سخت استفاده می شود.
سرامیکهای پیشرفته دارای ویژگیهای مطلوبی مانند سختی، استحکام بالا، تحمل دماهای بالا، خنثایی شیمیایی، مقاومت در برابر فرسایش و چگالی کم هستند. ولی در برابر بارهای کششی و ضربه ضعیف هستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطافپذیری نشان نمیدهند و مستعد شکست تحت بارهای مکانیکی و شوک حرارتی هستند. در مقایسهای بین سرامیکها و دیگر مواد ، باید گفت که سرامیکها تنها گروهی از مواد هستند که در دماهای بالا قابل استفادهاند و دارای سختی، استحکام و مدول الاستیک بالاتری از فلزات و پلیمرها میباشند. همچنین چگالی، ضریب انبساط حرارتی و هدایت الکتریکی و حرارتی کمی دارند. به ویژه چگالی و انبساط حرارتی کم سرامیکها اهمیت زیادی در اغلب کاربردها دارد. که اگر چه نسبت مدول الاستیسیته تقویتکننده و زمینه در کامپوزیتهای زمینه فلزی و پلمیری عموماً بین 10 و 100 است ولی برای کامپوزیت زمینه سرامیکی، این نسبت معمولاً برابر یک یا کمتر از آن است. نسبت مدول بالا در کامپوزیتهای زمینه فلزی و پلیمری، سبب انتقال موثر بار از زمینه به تقویتکننده میشود. در حالی که در یک کامپوزیت سرامیکی، زمینه و تقویتکننده در توانایی تحمل بار اختلاف زیادی ندارد؛ به این معنا که هدف از ساخت کامپوزیت سرامیکی، افزایش استحکام نیست. مگر آنهایی که زمینه آنها مدول الاستیسیته کمی دارند. ازحوزههای مهم در تهیه کامپوزیتهای زمینه سرامیکی انواع گوناگون شیشه، شیشه‌سرامیکها و سرامیکهایی همچون کربن، کاربیدسیلیسیوم، نیتریدسیلیسیوم، آلومیناتها و اکسیدها. تقویتکنندهای مورد استفاده عبارتند از کاربیدها، بوریدها، نیتریدها و کربن.
کامپوزیتهای زمینه سرامیکی تنها کامپوزیتهایی هستند که بالای 900 درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ میکنند. عمدهترین کامپوزیتهای زمینه سرامیکی عبارتند از: کامپوزیتهای کربن/کربن، کامپوزیتهای آلومینا/SiCو کامپوزیتهایی با زمینهSi3N4 یا SiC تقویت شده با الیاف پیوسته SiC و کربن.