کامپوزیت فصل ۱ اصول و مبانی

کامپوزیت فصل ۱ اصول و مبانی –  irantarjomeh.ir

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

کتاب مرجع کامپوزیت ها

ویرایش دوم

 فصل ۱

مقدمه، اصول و مبانی کامپوزیت و نقشه راه

مقدمه، اصول و مبانی کامپوزیت و نقشه راه

این مقاله نسبت به ارائه مقدمه ای در خصوص کامپوزیت ها اقدام نموده و اطالعات بیشتری را در این زمینه در اختیار خوانندگان قرار می دهد. در این مقاله تنها مفاهیم اصلی تحت پوشش قرار خواهند گرفت. بر این مبنا در قسمت مراجع، که برای هر یک از فصل های این کتاب تخصیص یافته است، اطلاعات جامع تری در خصوص مبانی اصلی کامپوزیت ها درج شده اند. خوانندگان ملاحظه خواهند نمود که موضوعات مطرح شده در این کتاب طیف قابل توجهی از کامپوزیت ها را تحت پوشش قرار داده و محدوده آن از مباحث ساده تا پیچیده را  شامل می شود. علت وجود معادلات پیچیده را می توان استفاده از رویه هایی دانست که به صورت روزمره جهت تشریح ساختارهای اصلی این مواد به کار گرفته می شوند؛ در عین حال در این مبحث، آن دسته از دیدگاه هایی که از پیچیدگی کمتری برخوردار هستند، و محدود به توان تحلیلی می باشند، مورد بحث و بررسی قرار خواهند گرفت. این فصل به وسیله مطلع ترین متخصصین عرصه کامپوزیت در سراسر جهان تدوین شده و در این عرصه شاهد حضور ترکیبی از اساتید دانشگاهی و مهندسین خبره که اقدام به تولید ساختارهای حقیقی کامپوزیتی می نمایند هستیم.

۱-۱٫ سیستم های مواد

یک لایه پیشرفته کامپوزیتی را می توان به گونه ای مورد استفاده قرار داد که وابستگی جهتی مرتبط با قدرت و صلبیت آن منطبق با محیط بارگذاری باشد. برای انجام این کار، لایه های جهت نیافته مواد که تحت عنوان لمینا / لمینیت laminae)) خوانده می شوند به گونه ای قرار می گیرند تا قابلیت برآورده سازی ضروریات مربوط به بار گذاری را داشته باشند. این لمینیت حاوی الیاف و یک ماتریس می باشد. بواسطه استفاده از این لمینیت جهت دار، خواص کششی، پیچشی یا انعطاف پذیری و برشی پیچشی یک سازه را  می توان تا اندازه ای از یکدیگر جدا نموده و به طور مثال دسته گلف را می توان از نقطه نظر سفتی پیچشی به گونه ای تغییر داد که تغییری در خواص انعطافی یا سفتی کششی آن به وجود نیاید.

در داخل یک لمینای تولید شده الیاف استفاده شده می توانند به صورت مواد یکسان و مشابه و یا آنکه چندین الیاف ترکیبی (هیبرید) باشند. الیاف متعارف موجود تجاری به شرح ذیل هستند:

• فایبر گلاس (fiberglass)

• گرافیت (graphite)

• آرامید (aramid)

• پلی اتیلن ( polyethylene)

• بور (boron)

• سیلیکون کارباید (silicon carbide)

• سیلیکون نیترید، سیلیکا، آلومین، آلومین سیلیکا (silicon nitride, silica, alumina, alumina silica)

۳-۱٫ سیستم های ماتریس الیاف

کاربرد این سیستم ها به گونه ای است که در نهایت کاربران انتهایی تنها ساختارهای کامپوزیتی نهایی را مشاهده نخواهند نمود و بر این مبنا برخی ممکن است ترکیباتی از الیاف و رزین های مختلف را مشاهده نموده و برخی دیگر نیز نتیجه فرآوری و رویه متراکم سازی را به صورت ساختارهای لایه لایه یا لمینیت مشاهده نمایند. شماتیک این مراحل از الیاف اولیه تا رسیدن به کامپوزیت نهایی در شکل ۱-۱ نشان داده شده است.

۴-۱ آرایش یافتگی رشته های نخ، تقارن و تراز

۱-۴-۱٫ آرایش یافتگی و جهت گیری رشته های نخ  (لا)

یکی از مزیت های استفاده از یک کامپوزیت مدرن پتانسیل مشخص نمودن جهت الیاف به منظور تعیین واکنش به ضروریات بار می باشد. این بدان معنا خواهد بود که طراحان کامپوزیت می بایست چگونگی آرایش مواد، جهت گیری یا آرایش الیاف در هر رشته نخ، و چگونگی آرایش یافتگی توده نخ ها (پشته شدگی / انباشتگی رشته های نخ) را نشان دهند.

۲-۷-۱٫ قالب گیری انتقالی رزین

مباحث قبلی بر روی حرکت رزین به سمت خارج از لایه جهت کاهش حفره ها تمرکز داشته است. انتقال رزینی شامل جابجایی مواد تقویتی الیاف خشک در یک قالب بسته و سپس تزریق یک رزین کاتالیز شده به قالب جهت کپسوله نمودن ماده تقویتی و تشکیل یک کامپوزیت می باشد (فصل ۲۰). انگیزه استفاده از این فرآیند ناشی از هزینه های بالای احیا می باشد که برای تبدیل مواد خام و همچنین رویه چیدمان لازم است. این فرآیند قابلیت بهره گیری از فشارهای تزریقی پایین همانند ۵۵ MPa (80  psi) را خواهد داشت. و از این طریق تجهیزات دارای هزینه پایین تر خواهند بود نظیر بکارگیری ادوات پلاستیکی یا یک دستگاه واکیوم بگ به جای استفاده از دستگاه های فلزی

۳-۷-۱٫ رشته پیچی فیلامنت

فرآیند رشته پیچی یک رویه ای است که از طریق آن مواد تقویتی پیوسته به شکل دسته رشته های نتابیده یا فتیله ها (دسته از الیاف نتابیده و جمع شده) بر روی یک مرغک یا مندریل در حال گردش پیچیده می شوند. این مرغک می تواند به صورت استوانه ای باشد و یا آنکه به صورت گرد یا هر شکل دیگر، به گونه ای که حالت انحنا به خود نگیرد. ماشین های خاص (شکل ۷-۱) از یک سیستم چشمی که به صورت عرضی نصب شده است و هماهنگ با سرعت گردش مندریل است استفاده نموده و از این طریق زاویه پیچش مواد تقویتی و میزان چیدمان الیاف را کنترل می نمایند.

۱۰-۱٫ آزمایش کامپوزیت

جهت اطمینان از پارامترهای مربوط به سازگاری و یکنواختی، کامپوزیت های با قابلیت تولید مجدد، سه سطح  آزمایش مورد استفاده قرار می گیرد: آزمایش مواد وارده، آزمایش در زمان فرآوری و کنترل و تایید نهایی ساختار

۱-۱۰-۱٫ آزمایش مواد وارده

آزمایش مواد وارده به جستجوی تطبیق مواد خام با مشخصه ها ضروری و اطمینان از قابلیت کاربرد آنها در فرآیند تولید می پردازد. سطوح اطلاعات در خصوص مواد خام کامپوزیتی به میزان سطح اطلاعاتی فلزات نمی باشند، که می توان آنها را از طریق تولید کنندگان بیشماری با توجه به ویژگی های یکسان آنها به طور کلی حاصل آورد. با این حال، تامین کنندگان اندکی در زمینه مواد خام کامپوزیتی وجود دارند و بدین سان تعداد گوناگونی مرتبط با رزین ها، الیاف و تولید کنندگان خود سبب جلوگیری از ایجاد یک مشخصه استاندارد ضروری و کاربرد آن برای مواد خام کامپوزیتی، بعنوان آلیاژ،  می شود. سازمان ASTM (استاندارد جامعه تست و مواد آمریکا)، SAE/AMS/NOMETCOM (جامعه مهندسین اتومبیل، استانداردهای مواد هوانوردی، کمیته مواد غیر فلزی) و SACMA (انجمن تامین کنندگان مواد پیشرفته کامپوزیتی) سعی در استاندارد سازی مواد خام نموده و روش هایی را جهت انجام آزمایشات از طریق انتشار مشخصه های مورد نیاز فراهم آورده اند (ضمیمه A). با این وجود، این استانداردها به سطح مقبول برای استفاده از آنها، بطور مستقل و کامل، بدون تعامل خاص با تامین کنندگان و کاربران و انجام آزمایشات از طریق کاربران نرسیده اند.

تولید کنندگان کامپوزیت ها متکی به مشخصه هایی جهت کنترل الیاف، رزین و یا مواد از پیش آغشته می باشند. بسیاری از فروشندگان رزین های از پیش آغشته و الیاف تنها در ارتباط با مشخصه هایی که عرضه می دارند دارای مجوز هستند که خود ممکن است با مشخصه های کاربران دیگر متفاوت باشد. بنابراین کاربران می بایست با فروشندگان این مواد مشاوره نمایند تا آنکه محدوده اطلاعات و مجوز آنها در این باب قبل از اعمال کنترل خاص مشخص و محرز شود.

به عنوان بخشی از روال تایید مواد خام، طراحی کامپوزیت و تصدیق محصول نهایی، تست مکانیکی اجزای کامپوزیت می بایست انجام گردد. آزمایش مواد کامپوزیتی خود ارائه دهنده چالش های منحصر به فردی می باشد چرا که آنها از ویژگی های خاصی برخوردار می باشند. عواملی که در آزمایش فلزات چندان مهم تلقی نمی گردند در بررسی کامپوزیت ها بسیار مهم خواهند بود (فصل های ۳۴، ۳۹).