کامپوزیت

موضوع : کامپوزیت

توضیح: این فایل به صورت ورد و آماده چاپ می باشد

2-1 كامپوزيت‌ها چه هستند؟
ماده كامپوزيتي از تركيب دو يا چند ماده ساخته مي شود تا خواص تركيبي بي نظيري را ايجاد كند . البته بيان فوق يك تعريف كلي است و مي‌تواند آلياژهاي فلزي، پليمرهيا پلاستيكي ،‌مواد معدني . چوب را در بگيرد. «مواد كامپوزيتي مسلح شده با الياف» با مواد فوق فرق دارند. زيرا اجزاي سازنده‌ي اين مواد از نظر مولكولي با هم فرق دارند و بصورت مكانيكي قابل جدا شدن هستند. بطور كلي اجزاي تشكيل دهنده‌ي مسلح شده با عم عمل مي‌كنند، اما در عين حال شكل اصلي خود را حفظ مي كنند. خواص نهايي ماده‌‌ي كامپوزيتي از خواص مواد تشكيل دهنده‌ي آن به مراتب بهتر است.
ايده ساخت كامپوزيت‌ها توسط بشر كشف نشد، بلكه اين مواد در طبيعت وجود دارند. براي مثال چوب كه از تركيبي از الياف سلولزي در زمينه چسبي به نام ليگنين تشكيل شده است، يك كامپوزيت است. صدف جانوران بي‌مهره مثل حلزون و صدف خوراكي مثال ديگري از كامپوزيت‌ها است. بعضي از پوسته صدفها از كامپوزيت‌هاي پيشرفته‌اي كه بدست بشر ساخته شده، سختتر و محكمتر است. دانشمندان كشف كرده‌اند الياف كه از شبكه تار عنكبوت بدست مي‌آيند از اليافي كه بطور مصنوعي توليد مي‌شوند، محكمتر است. در هند،‌يونان و ديگر كشورها، صدها سال بود كه از مخلوط سبوس يا كاه با خاك رس براي ساختمان‌سازي استفاده مي شد. مخلوط سبوس و خاك اره با خاك رس مثالي از «كامپوزيت با ذرات ريز» و مخلوط خاك رس با كاه نمونه اي از «كامپوزيت‌ الياف كوتاه» است. اين مواد مسلح كننده براي بهبود كارائي كامپوزيت اضافه مي شود.
مفهوم اصلي كامپوزيت به معني دارا بودن يك ماده زمينه‌اي (ماتريس) مناسب است. معمولاً مواد كامپوزيتي بوسيله الياف مسلح كننده دريك زمينه رزيتي ساخته مي‌شوند. مسلح كننده‌ها مي‌توانند الياف، ويسكرها و .. بوده و زمينه مي‌تواند از جنس فلزات، سراميكها يا پلاستيك‌ها باشند.
مسلح كننده‌ها مي‌توانند از پليمرها،‌پلاستيكها، و فلزات ساخته شوند. الياف مي‌توانند بصورت بهم پيوسته، زنجيره‌هاي بلند يا كوتاه باشند. كامپوزيت‌هايي كه با زمينه پليمري ساخته مي‌شوند، رايج‌تر هستند و بطور وسيع در صنايع مختلف بكار مي‌روند. در اين كتاب كامپوزيت‌هايي كه زمينه‌ي آنها از جنس رزين برپايه پليمري است، بررسي مي شوند. اين مواد مي‌توانند جزء «رزيتهاي ترموست» يا «رزينهاي ترموپلاستيك» باشند.
بافت يا الياف مسلح كننده باعث استحكام و سختي كامپوزيت مي شود. در حاليكه زمينه سبب سختي و مقاومت به خوردگي كامپوزيت مي گردد. الياف مسلح كننده مي‌تواند بصورت شكلهاي مختلفي از الياف پيوسته بلند با بافتهاي موجدار تا الياف كوتاه تكه‌تكه و حصيري (درهم گيركرده) وجود داشته باشند. هريك از اين اشكال خواص مختلفي را ايجاد مي‌كنند. اين خواص شديداً به روشي كه الياف در كامپوزيت قرار داده مي‌شوند، بستگي دارد. دريك كامپوزيت تمامي شكلهاي فوق‌الذكر و يا يكي از آنها مي‌تواندت مورد استفاده قرار گيرد. موضوع مهمي كه در مورد كامپوزيت‌ها بايستي در نظر گرفته شود اين است كه الياف نيرو تحمل مي‌كند و لذا حداكثر استحكام كامپوزيت در راستاي محور الياف است. وجود الياف بلند پيوسته در جهت اعمال نيرو باعث مي شود كه خواص كامپوزيت كاملاً با خواص رزين متفاوت باشد. كامپوزيتي داراي الياف به شكل بصورت تكه‌هاي كوچك است، خواص ضعيفتري نستب به كامپوزيتي كه الياف آن بصورت پيوسته است، از خود نشان مي‌دهد. شكل الياف برحسب نوع كاربرد (مهندسي يا غيرمهندسي) و روش ساخت انتخاب مي شود . براي كاربر دهاي مهندسي (ساختماني)، الياف پيوسته يا بلند پيشنهاد مي شود. در حاليكه براي كاربردهاي غيرمهندسي (غيرساختماني) الياف كوتاه انتخاب مي شود. در ريخته‌گري تزريقي و ريخته‌گري تحت فشار از الياف كوتاه، در حاليكه در تابيدن تارها،‌بسته‌بنديهاي رولري و پولتروژن از الياف پيوسته استفاده مي شود.
3-1 نحوه عملكرد الياف و زمينه
ماده كامپوزيتي با مسلح كردن پلاستيك‌ها توسط الياف تشكيل مي‌شوند براي درك بهتر رفتار كامپوزيت‌ها، بايد اطلاعات دقيقي از نقش الياف و مواد زمينه در كامپوزيت‌ها در دسترس باشد،‌مهمترين وظايف الياف و زمينه كامپوزيت‌ها بشرح زير است:
وظايف مهم و اصلي الياف در كامپوزيتها عبارتند از:
     تحمل بار و نيرو؛ در يك كامپوزيت ساختماني(مهندسي) 70% تا 90% نيرو توسط الياف تحمل مي شود.
    سختي، استحكام، پايداري گرمايي و بقيه‌ي خواص ساختاري در كامپوزيت‌ها به الياف آن بستگي دارد.
    هدايت الكتريكي يا عايق بودن كامپوزيت‌‌، به نوع الياف مورد استفاده در آن بستگي دارد. 
زمينه (ماده‌ي زمينه‌) وظايف زير را در ساختار كامپوزيت انجام مي‌دهد. بسياري از اين وظايف براي عملكرد مطلوب يك ماده‌ي كامپوزيت ضروري است. الياف موجد در زمينه و يا خود الياف به تنهايي بدون حضور ماده‌ي زمينه و يا يك چسب بندرت استفاده مي شود. وظايف مهم زمينه كامپوزيت شامل موارد زير است.
     زمينه؛ الياف را به هم پيوند مي‌دهد و بار وارده به كامپوزيت را به الياف را منتقل مي‌كند. زمينه، به ساختار ماده ي كامپوزيتي سختي،‌يكپارچگي و شكل مي‌بخشد.
    زمينه؛ الياف را ايزوله مي‌كند. بطوريكه تكه‌تكه الياف مي‌توانند به طور جداگانه نقش خود را ايفا كنند. اين عمل تجمع آنها را كاهش داد ويا آن را متوقف مي‌كند.
    زمينه؛ سطحي با كيفيت پرداخت خوب بوجود آورده و كمك مي‌كند كه محصول داراي شكل نهايي يا نزديك به آن باشد.
    زمينه از الياف در مقابل هجوم شيميايي و آسيبهاي مكانيكي (سايش) محافظت مي‌كند.
    خواص شكل دهد از قبيل : انعطاف پذيري، استحكام فشاري و … به نوع ماده زمينه بستگي دارد. زمينه انعطاف‌پذير باعث افزايش چقرمگي ساختار مي شود و در جائيكه به چقرمگي بيشتري نياز باشد از كامپوزيت‌ها با زمينه ترموپلاستيك استفاده مي شود.
    نحوه شكست ماده‌ي كامپوزيت، نه تنها بشدت به نوع ماده‌ي زمينه‌ي بستگي دارد، بلكه به ميزان سازگاري آن با الياف نيز وابسته است.
4-1 مزاياي خاص كامپوزيت‌ها
معمولاً، كامپوزيت‌ها براي كاربردهايي كه كارآيي زياد و وزن كم لازم است، طراحي و ساخته مي‌شوند. اين مواد داراي مزاياي بسيار زيادي نسبت به مواد مهندسي سنتي هستند كه در زير شرح داده مي شود:
1)    مواد كامپوزيتي قابليت يكپارچه كردن اجزا را دارند،‌چند جزء فلزي مختلف مي‌تواند با يك كامپوزيت جايگزين شود.
2)     با قرار دادن سنسورهايي در ساختارهاي كامپوزيتي مي‌توان آنها را به سرويسهاي رديابي مجهز كرد .از اين امكان براي آشكارسازي آسيب ناشي از خستگي در ساختار هواپيما استفاده مي شود و نيز مي تواند براي رديابي جريان رزين در فرايند RTM (قالب‌گيري رزين) استفاده گردد. مواد داراي سنسور، را مواد هوشمند مي‌نامند.
3)    مطابق جدول (1-1) كامپوزيت‌هاي سختي ويژه‌ي (نسبت سختي به دانسيته) بالايي دارند. كامپوزيت‌ها داراي سختي فولاد، با يك پنجم وزن آن و داراي سختي آلومينيوم، با يك دوم وزن آن هستند.
4)    استحكام ويژه‌ي (نسبت استحكام به چگالي) كامپوزيت‌ها بسيار بالا است. به همين دليل هواپيما و اتومبيل سريعتر حركت كرده و سوخت كمتري مصرف مي كنند. استحكام ويژه‌ي كامپوزيت‌ها 3 تا 5 برابر آلياژ‌هاي فولاد و آلومينيوم است. به دليل سختي ويژه و استحكام ويژه‌ي بالاتر، قطعات كامپوزيتي وزن كمتري نسبت به قطعات مشابه دارند.
5)    استحكام خستگي (حد دوام) كامپوزيت‌ها بسيار بالا است. آلياژ‌هاي فولاد و آلومينيوم داراي حد خستگي خوبي در حدود 50% استحكام استاتيكي خود هستند. كامپوزيت‌هاي كربن/اپوكسي با الياف همجهت داراي استحكام خستگي بالايي نزديك به 90% استحكام استاتيكي خود مي باشد.
6)    كامپوزيت‌ها مقاومت به خوردگي خوبي دارند. آهن و آلومينيوم در حضور آب و هوا خورده مي‌شوند لذا احتياج به پوشش و آلياژ خاص دارند. اما لايه‌ي بيروني كامپوزيت‌ها از پلاستيك است، لذا مقاومت شيمياي و مقاومت به خوردگي آنها بسيار خوب است.

فهرست مطالب
كامپوزيت‌ها
2-1 كامپوزيت‌ها چه هستند؟    1
3-1 نحوه عملكرد الياف و زمينه    3
4-1 مزاياي خاص كامپوزيت‌ها    5
5-1 معايب كامپوزيتها    9
6-1 فرآوري كامپوزيت‌ها    11
7-1 ساخت محصولات كامپوزيتي    12
مواد    15
ترموست‌ها    15
وينلي لستر    15
پلي استر    15
فنوليك    15
اپوكسي    15
سيانات استر    15
بيس آلميد    15
ترموپلاستيك‌ها    15
پلي اتيلن    15
پلي پروپيلن    15
استال    15
نايلون    15
پلي استر    15
PPS    15
PEEK    15
تفلون    15
8-1 بازارهاي كامپوزيت (تجارت كامپوزيت)    15
1-8-1 صنعت هواپيما سازي    17
2-8-1 صنعت اتومبيل سازي (خودرو)    18
قطعات كامپوزيتي    18
درب‌ها، دم‌هاي افقي، پوششهاي آيروديناميك،‌رويه‌هاي تثبيت‌كننده    18
3-8-1 صنعت كالاهاي ورزشي    19
4-8-1 كابردهاي دريايي    21
5-8-1 كالاهاي مصرفي    22
6-8-1 صنعت ساختمان سازي    23
7-8-1 كاربردهاي صنعتي    23
مواد اوليه براي ساخت قطعه    24
1-2 مقدمه    24
2-2 تقويت‌كننده ها (استحكام دهنده‌ها يا مسلح‌كننده‌ها)    25
بورن(Boron)    28
1-2-2 ساخت الياف شيشه‌اي    29
2-2-2 ساخت الياف كربني    30
3-2-2 ساخت الياف آرميدي    31
3-2 مواد زمينه (ماتريس):‌    32
مدول كششي    32
استحكام كشش    32
(72/0-36/0)0/5-5/2    32
(16-2/7)110-50    32
(6/0-4/0)1/4-7/2    33
(9-5)60-35    33
(6/0-23/0)1/4-6/1    33
(8/13-0/5)95-35    33
1-3-2 رزين هاي ترموست    33
1-1-3-2 اپوكسي    34
2-1-3-2 فنليكها    36
4-2 بافتها    37
1-4-2 بافتهاي تابيده (الياف بافته شده)    38
2-4-2 بافتهاي تابيده نشده    38
5-2 پري‌پرگ‌ها    40
1-5-2 پري‌پر‌گ‌هاي ترموست    43
بورن(Boron)    46
6-6 مزايا و معايب فرآوري كامپوزيت‌هاي ترموست و ترموپلاستيك    47
1-6-6 مزاياي فرآوري كامپوزيت هاي ترموست    47
2-6-6 معايب فرآوري كامپوزيت‌هاي ترموست    48
3-6-6 مزاياي فرآوري كامپوزيت‌هاي ترموپلاستيك    48
4-6-6 معايب فرآوري كامپوزيت‌هاي ترموپلاستيك    49
7-6 فرآيندهاي ساخت كامپوزيت‌ها    49
8-6 فرآيندهاي ساخت كامپوزيت‌هاي ترموست    50
1-8-6 فرايند لايه‌گذاري پري‌پرگ    51
1-1-8-6 كاربردهاي اصلي    52
2-1-8-6 مواد اوليه اصلي    52
3-1-8-6 ابزار توليد و تجهيزات لازم    53
4-1-8-6 ساخت قطعه    53
5-1-8-6 روشهاي اعمال حرارت و فشار    57
6-1-8-6 مراحل فرآوري اصلي    58
7-1-8-6 نمونه‌از چالشهاي ساخت    59
8-1-8-6 مزاياي فرايند لايه‌گذاري پري پرگ    60
9-1-8-6 محدوديتهاي فرايند لايه‌گذاري پري‌پرگ    60
2-8-6 فرايند لايه گذاري تر    61
1-2-8-6 كاربردهاي اصلي    62
2-2-8-6 مواد اوليه اصلي    62
3-2-8-6 نيازمنديهاي ابزار    62
4-2-8-6 ساخت قطعه    63
5-2-8-6 روشهاي اعمال حرارت و فشار    67
6-2-8-6 مراحل فرآوري اصلي    68
7-2-8-6 مزاياي فرايند لايه‌گذاري تر    68
8-2-8-6 محدوديت هاي فرايند لايه‌گذاري تر    69
3-8-6 فرايند پاششي    70
1-3-8-6 كاربردهاي اصلي    70
2-3-8-6 مواد اوليه اصلي    70
3-3-8-6 ابزار (تجهيزات ) مورد نياز    71
4-3-8-6 ساخت قطعه    72
5-3-8-6 روشهاي اعمال حرارت و فشار    76
5-3-8-6 روشهاي اعمال حرارت و فشار    77
6-3-8-6 مراحل فرآوري اصلي    77
7-3-8-6 مزاياي فرايند پاششي    78
8-3-8-6 محدوديتهاي فرايند پاششي    79
4-8-6 فرايند تابيدن تار    80
1-4-8-6 كاربردهاي اصلي    80
2-4-8-6 مواد اوليه اصلي    81
3-4-8-6 تجهيزات و ابزار توليد    82
4-4-8-6 ساخت قطعه    83
7-4-8-6 مراحل فرآوري اصلي    86
8-4-8-6 مزاياي فرايند تابيدن تار    88
9-4-8-6 محدوديتهاي فرايند تابيدنتار    88
5-8-6 فرايند پولتروژن    89
1-5-8-6 كاربردهاي اصلي    90
2-5-8-6 مواد اوليه‌ اصلي    90
3-5-8-6 تجهيزات و ابزار توليد    91
6-5-8-6 مراحل فرآوري اصلي    92
7-5-8-6 مزاياي فرآيند پولتروژن    94
8-5-8-6 محدوديت هاي فرآيند پولتروژن    94
6-8-6 فرآيند قالب گيري انتقالي رزين    95
1-6-8-6-كاربردهاي اصلي    96
2-6-8-6 مواد اوليه اصلي    96
3-6-8-6 تجهيزات و ابزار توليد    98
4-6-8-6 ساخت قطعه    100
5-6-8-6 روشهاي اعمال فشار و حرارت    102
6-6-8-6 مراحل فرآوري اصلي    102
7-6-8-6 مزاياي فرآيند قالب‌گيري انتقال رزين    103
8-6-8-6 محدوديتهاي فرايند قالب گيري انتقال رزين    104
فرآيند نوردكاري    106
1-9-8-6 كاربردهاي اصلي    106
2-7-8-6 مواد اوليه اصلي    107
3-9-8-6 تجهيزات و ابزار توليد    107
4-9-8-6 ساخت قطعه    108
5-9-6 روشهاي اعمال حرارت و فشار    110
6-9-8-6 مراحل فرآوري اصلي    110
7-9-8-6 مزاياي فرآيند نوردكاري    112
8-9-8-6 محدوديت هاي فرآيند نوردكاري    113
9-9-8-6 مشكلات عمومي فرآيند نوردكاري    113