مواد پیشرفته
مهندسی مواد به عنوان یک علم، دانش نوپایی است که با کشف روش های استخراج و تصفیه فلزات، شناسایی خواص ساختاری و فیزیکی آن ها و تکنیک های شکل دهی و تولید قطعات فلزی متولد شده است. امروزه علم مواد نقشی کلیدی در پیشرفت صنایع هستهای، تکنولوژی پزشکی و کاربردهای فضایی و نظامی داشته است. تحقیقات کاربردی در متالورژی و مواد، پیوسته افق های جدیدی را فراروی پیشرفت تمدن بشری گشوده است. علم مواد علاوه بر کاربردهای گوناگون در صنایع مختلف، در جهت طراحی، تولید و توسعه مواد پیشرفته به سرعت در جهان در حال توسعه می باشد. ساخت مواد مرکب، نانو مواد و مواد مغناطیسی جدید با خواص ویژه، ساخت مواد پیشرفته با استفاده از ترکیبات بین فلزی، تولید آلیاژهای سازگار با بدن، طراحی و تولید آلیاژهای قابل کاربرد در شرایط سخت، تولید آلیاژهای سبک برای تهیه قطعات حساس و تولید مواد هوشمند، مثال هایی اندک از کاربرد علم مواد در تولید مواد پیشرفته مهندسی می باشد.
در میان انواع مواد پیشرفته مهندسی و روش های نوین تولید مواد، برخی از آن ها از لحاظ صنعتی اهمیت بیشتری داشته و جای خود را نسبتاً در صنعت باز کرده اند. در این مقاله به شرح مختصری از مهم ترین زیر مجموعه های مواد پیشرفته از جمله مواد سرامیکی، مواد الکترونیک، کامپوزیت ها و غیره پرداخته می شود.
سرامیک های مهندسی
سرامیک های مهندسی در تمام زمینه های تکنولوژی مدرن امروزی، از هد به کار رفته در هارد کامپیوتر تا ابررساناهای دما بالا استفاده می شوند. این مواد به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد، طیف وسیعی از مواد مورد استفاده در صنعت رو به رشد امروزی را به خود اختصاص داده اند.
برخی از خصوصیات ویژه سرامیک های مهندسی عبارتند از:
- سختی و مقاومت به سایش بسیار زیاد: برخی از سرامیک های مهندسی از نظر سختی بر اساس معیار موس، بعد از الماس قرار می گیرند و لذا به علت داشتن این خاصیت می توانند موادی مناسب در ابزار برش فولاد در سرعت بالا باشند. همچنین به علت سختی بسیار بالا، این مواد مقاوم در برابر سایش هستند و در مواردی که ماده به علت اصطکاک زیاد با دیگر سطوح ساییده می شود، می توانند مورد استفاده قرار بگیرند.
- مقاومت حرارتی زیاد: بازده و کارایی اغلب فولادهای ریختگی در دماهای حدود ۱۰۰۰ فارنهایت کم می شود، اما برخی سرامیک های پیشرفته که جهت کاربرد در دماهای بالا طراحی می شوند، می توانند در دماهایی حدود ۲۰۰۰ فارنهایت و در سیکل های طولانی کارایی قابل توجهی داشته باشند.
- مقاومت شیمیایی زیاد: فلزات به خصوص در حالتی که در معرض هوا و رطوبت، آب شور، دمای بالا و … قرار میگیرند، خورده می شوند اما اغلب سرامیک ها در محیطهای شیمیایی و خورنده واکنش نمی دهند و به اصطلاح خورده نمی شوند. این خاصیت باعث شده که از آن ها به عنوان اندام مصنوعی و ایمپلنت در بدن استفاده شود.
- خواص الکتریکی منحصر به فرد: با توجه به ترکیب شیمیایی و نوع پیوند، سرامیک ها می توانند به عنوان مواد عایق الکتریکی، ذخیره کننده الکتریسیته و یا رسانای الکتریکی و حتی ابررسانای الکتریکی مورد استفاده قرار بگیرند.
سرامیک های مهندسی
مواد الکترونیک
این مواد که شامل عایق ها، نیمه هادی ها، هادی ها و ابررساناها می باشند، در بسیاری از کاربردهای صنعتی و زندگی روزمره انسان به چشم می خورد. در میان دسته بندی ذکر شده، امروزه نیمه هادی ها در صنایع و قطعات با تکنولوژی بالا بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. نیمه هادی ها دسته ای از مواد الکترونیک محسوب می شوند که هدایت الکتریکی آن ها بین مواد عایق و مواد هادی قرار می گیرد. از مهم ترین خصوصیات مواد نیمه هادی به دارا بودن ۴ الکترون در باند ظرفیت آن ها می توان اشاره کرد. کربن، سیلیکون و ژرمانیوم از مهم ترین نیمه هادی ها محسوب می شوند. مواد نیمه هادی خود به دو دسته بزرگ نیمه هادی های ذاتی و نیمه هادی های غیر ذاتی تقسیم می شوند.
مواد مغناطیسی
این مواد دارای تنوع فراوانی بوده و به خاطر عملکرد ویژه و دارا بودن شار مغناطیسی، هیچ ماده دیگری نمی تواند جایگزین آن ها باشد. جایگزینی این مواد با مواد دیگر در صورتی امکان پذیر است که خاصیت دیگری جایگزین خواص مغناطیسی شود یا این که خواص فیزیکی دیگری بتوانند وظیفه میدان های مغناطیسی را انجام دهند. از جمله مواد مغناطیسی پیشرفته می توان به نانو سیال های مغناطیسی اشاره کرد. سیال های نانو از مواد مهندسی جدید هستند که حاوی ذرات با ابعاد نانو در یک مایع می باشند. این مواد را می توان به عنوان نوعی جدید از مواد کامپوزیتی پایه مایع با ذرات پخش شده با ابعاد نانو دانست. به طور کلی سیال های نانو براساس نوع ذرات به چهار گروه عمده تقسیم می شوند. این چهار گروه عبارتند از: نانو سیال های سرامیکی، فلزی، آلیاژی و پایه کربن.
نانو سیال های مغناطیسی
این سیال ها را می توان به راحتی توسط یک آهن ربای دائمی در مکان مورد نظر نگه داشت. بنابراین می توان از آن ها به عنوان مواد آب بند با اصطکاک کم در برابر تغییرات فشار سیستم استفاده نمود. همچنین می توان از این مواد در بلندگوها برای ارتقاء سطح تماس حرارتی و کمک به خنک شدن بهتر بلندگو اشاره کرد. همچنین نانو سیال های مغناطیسی در سنسورهای شتاب دهنده-کند کننده، تعدیل کننده های ارتعاش، نانوکامپوزیت های پلیمری، سنسورهای دینامیکی و دارو رسانی به روش مغناطیسی در بدن، دارای کاربرد می باشند.
کامپوزیت ها
در سال های اخیر مواد کامپوزیتی به عنوان یکی از زمینه های تحقیقاتی بسیار مناسب و جدید مطرح بوده است و پیشرفت های بسیاری نیز در مورد ساخت و به کارگیری آن ها حاصل شده است. در ادامه به بیان شرح مختصری از کامپوزیت های زمینه پلیمری، فلزی و سرامیکی پرداخته می شود.
- کامپوزیت های زمینه پلیمری
مواد پلیمری به علت خواص منحصر به فرد از جمله وزن پایین، سهولت و هزینه اندک فرایند تولید و به ویژه مقاومت در برابر مواد شیمیایی و مقاومت به خوردگی، بیشترین کاربرد را به عنوان زمینه در تولید مواد کامپوزیتی دارند. اجزای اصلی تشکیل دهنده این کامپوزیت ها شامل رزین، فاز تقویت کننده، مواد پرکننده و مواد افزودنی می باشد، که هر کدام از این مواد نقش خاصی در خواص نهایی این نوع از کامپوزیت ها دارند.
نقش اصلی رزین ها در کامپوزیت های زمینه پلیمری، انتقال تنش به الیاف تقویت کننده و محافظت از آن ها در برابر تخریب های مکانیکی و محیطی است. از جمله فازهای تقویت کننده مهم در این نوع از کامپوزیت ها می توان به الیاف اشاره کرد. وضیفه اصلی الیاف، افزایش استحکام و سفتی زمینه بوده و این افزایش استحکام وابسته به جهت گیری الیاف می باشد. الیاف به سه دسته کلی مصنوعی، طبیعی و مرکب تقسیم می شوند. اصلی ترین الیاف استحکام دهنده چه از نظر حجم تولید و چه از نظر میزان کاربرد شامل الیاف آرامید، الیاف کربن و الیاف شیشه می باشند.
- کامپوزیت های زمینه سرامیکی
این کامپوزیت ها با هدف غلبه بر تردی ذاتی مواد سرامیکی منفرد و تولید مواد پایه سرامیکی برای قطعات ساختاری مورد استفاده در محیط های سخت، به وجود آمدند. از جمله کاربردهای کامپوزیت های زمینه سرامیکی می توان به موتورهای جت و موشک، توربین های گازی، محافظ حرارتی برای وسایل نقلیه فضایی، دیواره راکتورهای هسته ای، ترمز هواپیما، کوره های عملیات حرارتی و … اشاره نمود.
مواد کامپوزیتی زمینه سرامیکی به دو دسته کلی اکسیدی و غیراکسیدی تقسیم می شوند. اکسیدهایی که بیشتر به عنوان زمینه کاربرد دارند عبارتند از: آلومینا، سیلیکا، آلومینو سیلیکات باریم و آلومینو سیلیکات لیتیم. در این میان آلومینا به خاطر ویژگی های مناسب حرارتی و پایداری شیمیایی بیشترین کاربرد را دارد. اگر چه مواد کامپوزیتی با زمینه اکسیدی پایداری حرارتی بیشتری دارند اما مواد کامپوزیتی با زمینه غیر اکسیدی دارای برخی از ویژگی های مناسب ساختاری، سختی بالا و مقاومت به خوردگی بالا می باشند که منجر به جایگزینی آن ها با کامپوزیت های با زمینه اکسیدی شده است.
تقویت کننده های ناپیوسته سرامیکی همانند ویسکرها، ورق های کوچک و ذرات حاوی SiC، AlN و … به علت ناسازگاری با بسیاری از زمینه های سرامیکی رایج، امروزه کاربرد کمی دارند. لذا کامپوزیت های سرامیکی امروزه با الیاف پیوسته تولید می شوند که عموماً به فرایندهای تولید با قیمت تولید بالا نیاز دارند. کامپوزیت های سرامیکی با الیاف پیوسته، عموماً دارای خواص مکانیکی ویژه بالایی هستند و می توانند در کاربردهای هوا-فضایی و در شرایط دمای بالا به کار گرفته شوند. شیشه، آلومینا، کربن و کاربید سیلیسیم بیشترین کاربرد را به عنوان تقویت کننده های پیوسته دارند. این کامپوزیت ها به علت خاصیت شبه انعطاف پذیری بیشترین کاربرد را نسبت به سایر کامپوزیت های سرامیکی ترد پیدا کرده اند.
- کامپوزیت های زمینه فلزی
این کامپوزیت ها گروهی از مواد مهندسی با کاربردهای حرارتی و ساختاری گسترده می باشند. این مواد برخلاف زمینه فلزی خود، قابلیت استفاده در دمای بالا را دارا هستند و دارای استحکام و سفتی بالا، هدایت حرارتی، مقاومت سایشی، مقاومت خزشی و پایداری ابعادی مناسبی هستند. در کاربردهای ساختاری معمولاً از زمینه سبک تر مانند آلومینیوم، منیزیم و یا تیتانیم استفاده می شود، در حالی که برای کاربردهای دما بالا استفاده از فلزاتی همانند کبالت و آلیاژهای کبالت-نیکل متداول تر است. در مواد کامپوزیتی زمینه فلزی، فاز زمینه یک آلیاژ یا فلز خالص و فاز تقویت کننده به صورت فلز و یا افزودنی های سرامیکی می باشد. این کامپوزیت ها امروزه کاربردهای زیادی در صنایع نظامی و هوا-فضا پیدا کرده اند. از جمله این کاربردها می توان به استفاده از این نوع مواد مرکب در ساخت قطعات هواپیما، ماشین ها و بالگردها اشاره نمود.
کشورهای پیشرفته صنعتی، توسعه و تکامل مواد جدید و بهبود یافته را به عنوان یک استراتژی مدنظر داشته و به طور جدی برای دست یابی به اهداف آن برنامه ریزی می کنند. این گونه برنامه ریزی ها نیروی محرک ابداعات و اختراعات در همه شاخه های مهندسی بوده و امکان طرح های جدید را برای سازه ها، تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی و بسیاری از موارد دیگر فراهم می آورد. لذا امروزه از نیازهای مبرم دانشجویان و متخصصین صنعتی برای همگام شدن با تکنولوژی روز، داشتن اطلاعات مفید و کاربردی در حوزه مواد پیشرفته می باشد. یکی از کتاب های ارزشمند در این حوزه، کتاب”HANDBOOK OF ADVANCED MATERIALS” می باشد که توسط James K. Wessel و همکارانش در ۶۴۸ صفحه و ۱۴ فصل تالیف شده است و به شرح موارد زیر می پردازد:
- فصل اول: کامپوزیت های پلیمری
- فصل دوم: مواد سرامیکی پیشرفته
- فصل سوم: کامپوزیت های سرامیکی تقویت شده با الیاف پیوسته
- فصل چهارم: تراشه های سرامیکی ناقل دمای پایین
- فصل پنجم: مواد بین فلزی
- فصل ششم: کامپوزیت های زمینه فلزی
- فصل هفتم: نیکل و آلیاژهای نیکلی
- فصل هشتم: آلیاژهای تیتانیم
- فصل نهم: آلومینیوم و آلیاژهای آلومینیومی
- فصل دهم: مواد FGM
- فصل یازدهم: خوردگی مواد مهندسی
- فصل دوازدهم: دستورالعمل ها و استانداردهای مواد پیشرفته
- فصل سیزدهم: بازرسی غیرمخرب ساختارهای سرامیکی
- فصل چهاردهم: پیشرفت های اخیر در نمونه سازی سریع و تولید نمونه های جامد با استفاده از لیزر
علاقمندان و کاربران محترم وب سایت عصر مواد می توانند این کتاب را از لینک زیر دریافت نمایند:
Handbook Of Advanced Materials
فرمت: PDF
تعداد صفحه: ۶۲۳
زبان: انگلیسی
حجم: ۱۳٫۴ مگابایت
لینک دانلود غیر مستقیم:
 |
 |
 |
 |
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.