دانلود مقاله کامپوزیت ها

تاریخچه: کامپوزیتها (مواد چند سازه ای یا کاهگل های عصر جدید )رده ای از مواد پیشرفته هستند که در آنها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است.اجزای تشکیل دهنده ویژگی خود را حفظ کرده در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی شوند.استفاده از این مواد در طول تاریخ نیز مرسوم بوده است .از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به کاه گل وآجرهای گلی که در ساخت آنها از تقویت کننده کاه استفاده می شده است اشاره کرد..هنگامی که این دو باهم مخلوط بشوند در نهایت آجرپخته بدست می آید که بسیار ماندگارتر و مقاوم تر از هر دو ماده اولیه یعنی گل و کاه است.قایق‌هایی که سرخ‌پوست‌ها با قیر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم بز ساخته می‌شدند و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است،نیز از کامپوزیت‌های نخستین هستند.

بسیاری از نیازهای صنعتی صنایعی مانند صنایع فضایی ، راکتورسازی، الکترونیکی و غیره نمی‌تواند با استفاده از مواد معمولی شناخته شده ، برآورده شود.

اما قسمتی از آن نیازها، می‌تواند با استفاده از قدیمی ترین مثال از کامپوزیت ها مربوط به افزودن کاه به گل جهت تقویت گل و ساخت آجری مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است .

قدمت این کار به 4000 سال قبل از میلاد مسیح باز می گردد .

در این مورد کاه نقش تقویت کننده و گل نقش زمینه یا ماتریس را دارد .

ارگ بم که شاهکار معماری ایرانیان بوده است،نمونه بارزی از استفاده از تکنولوژی کامپوزیت ها در قرون گذشته بوده است.مثال دیگر،تقویت بتن توسط میله های فولادی می باشدکه قدمت آن به سال 0081 میلادی باز می گردد .

در بتن مسلح یا تقویت شده،میله های فلزی،استحکام کششی لازم را در بتن ایجاد می نمایند چرا که بتن یک ماده ترد می باشد و مقاومت اندکی در برابر بارهای کششی دارد .

بدین ترتیب بتون وظیفه تحمل بارهای فشاری و میله های فولادی وظیفه تحمل بارهای کششی را بر عهده دارند .

تاریخچه مواد پلیمری تقویت شده با الیاف به سالهای 1940 در صنایع دفاعی و به خصوص کاربردهای هوا - فضا بر می گردند برای مثال در سال 1945 بیش از 7 میلیون پوند الیاف شیشه به طور خاص برای صنایع نظامی ، مورد استفاده قرار گرفته است .

در ادامه با توجه به مزایای آنها ، به صنایع عمومی نیز راه یافتند.

تعریف: کامپوزیت = پلیمرهای تقویت شده با الیاف معمولا یک ماده کامپوزیت را به صورت یک مخلوط فیزیکی در مقیاس ماکروسکوپیک از دو یا چند ماده مختلف تعریف می کنند که این مواد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خودرا حفظ کرده و مرز مشخصی را با یکدیگر تشکیل می دهند.این مخلوط در مجموع و با توجه به برخی معیارها خواص بهتری از هریک از اجزای تشکیل دهنده خودرا دارا می باشد.در کامپوزیت عموماً دو ناحیه متمایز وجود دارد.

۱- فاز پیوسته (ماتریس) 2-فاز ناپیوسته(تقویت کننده) در یک کامپوزیت به طور کلی الیاف،عضو بار پذیر اصلی سازه هستند در حالیکه ماتریس آنها را در محل وآرایش مطلوب نگاه داشته وبعنوان یک محیط منتقل کننده بار بین الیاف عمل می کند،به علاوه آنهارا از صدمات محیطی دراثر بالا رفتن دما و رطوبت حفظ می کند.

کامپوزیتها شامل یک یا چند فاز غیر پیوسته در یک فاز پیوسته می باشند.

خواص کامپوزیتها تابع موارد زیر می باشد: 1- خواص فازهای تشکیل دهنده آن ( ماتریس و الیاف ) 2- توزیع فازها 3- اثرات متقابل فازها بر یکدیگر 4- ابعاد ماده تقویت کننده شامل : شکل و اندازه و توزیع ذرات نقاط قوت کامپوزیت ها: • وزن کم این مواد در عین بالا بودن نسبت مقاومت به وزن آنها (حتی تا 15 برابر برخی از فولادها ).

• مقاومت بالا نسبت به خوردگی.

•وجود روش های مختلف ساخت و امکان تولید اشکال پیچیده و متنوع ویژگی های اصلی کامپوزیت ها : کامپوزیت ها دارای: وزن مخصوص کم- پایداری حرارتی خوب- توانایی بالا در جذب انرژی ها- ظرفیت دمپینگ بالا- سهولت در تولید- مقاومت خستگی خوب مقاومت مکانیکی بالا- مقاومت شیمیایی (ضدخوردگی)- صافی سطح- سبکی و سهولت در نصب- حمل آسان- کاهش هزینه های پمپاژ- عدم نیاز به حفاظت کاتدیک- طول عمر مفید بسیار بالا- بهداشتی بودن- مقاومت خوب دمایی- عدم تخریب در مقابل اشعه ماوراء بنفش- عدم نیاز به پوششهای مختلف می باشند.

تقسیم بندی مواد کامپوزیت: کامپوزیتها را می توان از نقطه نظر فاز پیوسته تقسیم بندی نمود: 1) کامپوزیتهای زمینه سرامیکی ( CMC ) 2) کامپوزیتهای زمینه فلزی ( MMC) 3) کامپوزیتهای زمینه پلیمری ( PMC ) کامپوزیت های پایه پلیمری: کامپوزیتهای پایه پلیمری که مهم ترین دسته از کامپوزیت ها می باشند طیف وسیعی از صنایع ، از صنایع رده بالا مثل تولید قطعات هواپیما گرفته تا صنایع رده پایین مثل تولید سینک ظرفشویی و ....

از کامپوزیتهای پایه پلیمری تولید می شوند و درحال حاضر 59 درصد بازار کامپوزیت ها را به خود اختصاص داده اند و به همین دلیل بزرگترین زیر مجموعه مواد مرکب محسوب می گردند .

ردپای کامپوزیت های پایه پلیمری را در حوزه های زیر می توان جستجو نمود : 1- صنایع حمل و نقل شامل حمل و نقل هوایی ، جاده ای و دریایی 2- صنایع نظامی و هوا – فضا 3- صنایع انرژی در هر حوزه های تولید و انتقال برق و صنعت نفت ، گاز و پتروشیمی 4- صنعت ساخت و ساز شامل صنایع زیر بنایی و صنعت ساختمان 5- صنایع مبلمان شهری 6- وسایل خانگی 7- لوازم ورزشی کامپوزیت های پایه پلیمری در حال حاضر تنها به میزان 1 درصد در مهد تولد خود یعنی صنایع هوا – فضا کاربرد دارند و قسمت عمده الباقی در صنایع ساخت و ساز و حمل و نقل به کار گمارده می شوند.درحقیقت توسعه فناوری تولید کامپوزیتهای پایه پلیمری،این امکان را فراهم کرده است تا اغلب صنایع از مزایای منحصر به فرد این مواد بهره جویند.مطابق آمار ارائه شده ، بیشترین میزان مصرف کامپوزیت ها معطوف به صنعت ساخت و ساز مشتمل بر ساختمان،ابر سازه ها ، صنایع نفت و گاز و لوله می باشد .

مزایای کامپوزیت های پایه پلیمری: مزایای سازه های مبتنی بر کامپوزیت های پلمیری نسبت به نمونه های سنتی بتنی ، چوبی و فلزی را که باعث نفوذ آنها در گستره وسیعی از صنایع مختلف شده است ، در موارد زیر می توان خلاصه نمود : 1- کاهش وزن سازه ساخته شده با توجه به معماری قابل تغییر بر اساس خواست طرح 2- ایمن بودن در برابر پدیده خوردگی 3- قابلیت تحمل بارهای سیکلی و مقاومت بسیار مناسب در برابر پدیده خستگی 4- سادگی روشهای تولید و امکان تولید اشکال بسیار پیچیده باروشهای بسیار آسان ، کارآمد و مقرون به صرفه 5- سهولت فرایندهای تعمیر و عیب یابی 6- ضریب انبساط حرارتی پایین و عایق مناسب حرارتی 7- عایق الکتریکی 8- بهبود اتصالات و امکان تولید یکپارچه 9- خصوصیات ارتعاشی بسیار مناسب و مقاوم بودن نسبت به پدیده تشدید در ارتعاشات نسبت به فلزات 10- قابلیت مونتاژ آسان ساختار کامپوزیت های پایه پلیمری: در کامپوزیت های پایه پلیمری ، ماتریس یا همان زمینه یک ماده پلیمری است که به آن لفظ رزین اطلاق می گردد و شامل دو دسته کلی ترموپلاستیک و ترموست ها هستند.الیاف تقویت کننده نیز شامل انواع شیشه،آرامید،کربن و بورن می باشد .

دراین ترکیب نقش باربری به صورت عمده بر عهده الیاف است .

رزین وظیفه توزیع بار اعمال شده در شبکه الیاف و نگهداشتن موقعیت الیاف در جای خود را بر عهده دارد .

امروزه استفاده از الیاف طبیعی در کامپوزیت های موسوم به کامپوزیت سبز نیز رونق خاصی پیدا کرده است.

نوع دیگری از تقسیم بندی کامپوزیت ها : 1- کامپوزیت های پودری - نسبت طول به قطر آنها تقریبا نزدیک یک است.

- خواص کامپوزیتها به جهت الیاف بستگی ندارد.

- سفتی یا مدول کامپوزیت بالا است ولی استحکام کششی افزایش ندارد.

- بهبود خواص هدایت الکتریکی و حرارتی - کاهش جمع شدگی 2- کامپوزیتهای لیفی- کامپوزیتهای تک لایه- کامپوزیتهای چند لایه- کامپوزیتهای زاویه دار ویژگی برجسته این کامپوزیتها : استحکام ویژه بالا، کنترل خواص ناهمسانی نقش الیاف در ساختار مواد کامپوزیت: الیاف اصلی ترین اِلمان 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 نوع الیاف، مقدار و آرایش یافتگی آنها روی خواص زیر تاثیر می گذارد: 1- استحکام و مدول کششی، فشاری و خمشی 2- استحکام خستگی 3- ضرایب انتقال حرارت و الکتریسیته 4- وزن مخصوص کامپوزیت 5- قیمت 1- استحکام و مدول کششی، فشاری و خمشی 2- استحکام خستگی 3- ضرایب انتقال حرارت و الکتریسیته 4- وزن مخصوص کامپوزیت 5- قیمت الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت : 1- الیاف شیشه 2- الیاف کربن 3- الیاف آرامید 4- الیافهای دیگر مثل : آزبست، بازالت، بر، پلی اتیلن الیاف شیشه( glass fibre): رایج ترین و پرمصرف ترین لیف، شیشه می باشد.

ماده اصلی تشکیل دهنده آن (سیلیکا) Sio2 می باشد.

انواع مختلف الیاف شیشه: الیاف نوع C، الیاف مقاوم در برابر مواد شیمیایی الیاف نوع D، الیاف مقاوم در برابر امواج الکترومغناطیس الیاف نوع E، عایق جریان الکتریسیته الیاف نوع M، الیاف با مدول بالا الیاف نوع S، الیاف با استحکام بسیار بالا عوامل موثر بر استحکام الیاف شیشه: 1- سرعت اعمال بار بالا = استحکام بیشتر 2- افزایش دما = کاهش استحکام 3- افزایش رطوبت = کاهش استحکام 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 الیاف کربن: الیاف کربن در کامپوزیت های با زمینه سبک مانند انواع رزین ها به کار می رود .

کامپوزیت های الیاف کربن در مواردی که استحکام و سختی بالا به همراه وزن کم و ویژگیهای استثنایی مقاومت به خوردگی مدنظر باشند ، یگانه گزینه پیش روست .

همچنین هنگامی که مقاومت مکانیکی در دمای بالا ، خنثی بودن از لحاظ شیمیایی و ویژگی ضربه پذیری بالا نیز انتظار برود ، باز هم کامپوزیت های کربنی بهترین گزینه هستند .

با توجه به این ویژگی ها ، پهنه گسترده موارد کاربرد این ماده در گستره های گوناگون فناوری به سادگی قابل تصور است.

الیاف کربن دارای دانسیته 27/2 گرم بر سانتی متر مکعب و شامل ساختار گرافیتی و بسیار نازک می باشند.

الیاف آرامید: مزایا : - نسبت استحکام و مدول به وزن بسیار عالی - مقاومت ضربه عالی - مقاومت در برابر شکست ناشی از خزش - مقاومت خستگی خوب - عدم حساسیت به شکاف یا ترک - مقاومت بالا در مقابل اسیدها و بازها - خواص خوب اتلاف انرژی ارتعاشی - خواص دی الکتریک عالی نسبت به شیشه - خواص خود خاموش کنی با نشر دود کم - امکان استفاده مداوم تا دمای حدود 180 درجه سانتی گراد - 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 : اندازه 1 میلیمتر تا 25 میلیمتر جهت قالبگیری رزین ها و نقش آنها در کامپوزیت ها: انواع مختلف رزین‌ها: 1- رزینهای پلی استر 2- رزینهای وینیل استر 3- رزینهای اپوکسی 4- رزینهای فنلی 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 : - استحکام و مدول عرضی موثر - خواص فشاری ( موثر) - استحکام برشی ( موثر) - استحکام برشی صفحه ای ( موثر ) - خواص کششی ( کم اثر ).

فرایند پذیری یک کامپوزیت به خصوصیات فیزیکی رزین ها مانند گرانروی، نقطه ذوب و دمای پخت رزین بستگی 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 :