کامپوزیت های زمینه پلیمری (معرفی،انواع،کاربرد و روش تولید)

نویسنده :فاطمه حاجی محمدی

وب سایت عصر مواد مطالبی را در خصوص کامپوزیت ها و انواع و کاربرد آن ارائه داده است که برای دسترسی به آن می توانید اینجا کلیک کنید.و همچنین قصد داریم در طی این مطلب به معرفی کامپوزیت های زمینه پلیمری و کاربرد و روش های تولید آن بپردازیم.

 

کامپوزیت زمینه پلیمری چیست:

 

کامپوزیت‌های زمینه پلیمری (PMC) دسته ای از کامپوزیت ها هستند که از الیاف کوتاه یا بلند در زمینه پلیمری ساخته می‌شوند.

کامپوزیت‌های زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری (پلاستیک تقویت شده مولکول درشت) به عنوان زمینه با رشته‌ایی به عنوان عامل تقویت کننده تشکیل شده است‌. 

کامپوزیت های پایه پلیمری Polymer Matrix Composite (PMC) نسبت به دو گروه دیگر کامپوزیت ها یعنی کامپوزیت های زمینه فلزی و سرامیکی توسعه بیشتری یافته اند. دو گروه اصلی پلیمرها (ترموست – ترموپلاست) به عنوان ماتریس کامپوزیت های با زمینه پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرند. ترموست ها موادی هستند که واکنش پخت آنها در هنگام ساخت قطعه انجام می گیرد و پس از آن سخت شده و تغییر شکل مجدد آنها غیر ممکن می گردد. از سوی دیگر ترموپلاستیک ها با اعمال گرما نرم شده و می‌توانند به طور مکرر شکل‌دهی شوند.

کامپوزیت های زمینه پلیمری از خواص مکانیکی و حرارتی بسیار خوبی برخوردار هستند به طور کلی سختی و استحکام ماده تقویت کننده بسیار بالاتر از پلیمر است و در نتیجه عنصر اصلی تحمل بار در کامپوزیت زمینه پلیمری تقویت کننده می باشد. ماتریس نقش نگهداری تقویت کننده را دارد و باید بار اعمالی را به طور موثر انتقال بدهد. برای اینکه این انتقال به نحو احسن انجام شود و در حقیقت ماتریس و تقویت کننده باید فصل مشترک خوبی با یکدیگر داشته باشند که نتیجه این امر، افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری خواهد بود. عملکرد کامپوزیت های زمینه پلیمری عموماً توسط خواص ماتریس پلیمری (رزین)، خواص تقویت کننده (الیاف)، نسبت تقویت کننده به ماتریس و هندسه و جهت گیری تقویت کننده در داخل کامپوزیت زمینه پلیمری تعیین می شود. خواص مکانیکی خوب کامپوزیت های زمینه پلیمری نتیجه بهره برداری از خواص ویژه رشته های شیشه ای، کربنی آرامیدی می باشد. البته آرایش ها و نحوه چیدمان مواد تقویت کننده (الیاف بریده شده تصادفی تک جهتی و غیره) گستره خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری را کاملاً تغییر می دهند.

 

عوامل موثر بر خواص کامپوزیت های پایه پلیمری

 

۱- شکل تقویت کننده ها
۲- کسر حجمی تقویت کننده ها
۳- هندسه تقویت کننده ها

 

تقویت کننده ها:

 

فاز دومی است که به زمینه کامپوزیت اضافه شده و خواص جدیدي را ایجاد میکند.

-رشته یا لیف ماده ظریف ایست ست که دارای قطر یا ضخامت کمتر از ۲۵۰ میکرومتر و با نسبت ابعادی بیشتر از ۱۰۰ میکرو متر است و دارای دو گروه الیاف پیوسته (continuous fibers)مثلAl2o3,Sic،الیاف ناپیوسته (discontinuous fibers) مثل Tib2,Glass است.

-ویسکرها (whiskers)رشته های کوتاه تک کریستال ای هستند که استحکام آنها نزدیک به استحکام تئوری است و عیوب کریستالی ندارند و چون عیوب کریستالی ندارند استحکام بالایی دارند.

– ذرات (particles)

– فیلامنت Filament همان فیبر پیوسته است اما نسبت طول به قطر به بی نهایت میل می‌کند.

– مونوفیلامنت Monofilamentیک فیبر پیوسته است که دارای قطر بیشتر از ۱۰۰ میکرومتر است.

– ریبون Ribbon همان فیبر است اما با سطح مقطع مستطیلی به طوری که نسبت به عرض بیشتر از ۴ است.

– پارتیکل Particle ماده‌ای است که شکل هم محور است و نسبت ابعادی آن یک است.

– Staple Fiber الیاف کوتاه هستند و ابعاد طول آن ۱۰ تا ۱۰۰ میلیمتر است که به صورت گسسته و مجزا قرار می گیرند.

 

ماده زمینه(ماتریس) :

 

یکی از مسائل مهم در انتخاب ماتریس حداکثر دمای کارکرد است. با افزایش دما خواص پلیمرها کاهش می یابد. یکی از معیارها برای تعیین مقاومت دمایی نسبی پلیمرها، دمای انتقال شیشه ای (Tg) است. Tg دمایی است که در آن پلیمر از حالت سخت و شیشه ای به حالت نرم و لاستیکی تبدیل می شود. در دماهای بالاتر از دمای انتقال شیشه ای استحکام و سفتی پلیمرها افت قابل توجهی پیدا می کند.

ماده زمینه می تواند ترموست یا ترموپلاستیک باشد.

 

ترموست: ترموست ها موادی هستند که واکنش پخت آن ها در هنگام ساخت قطعه انجام می گیرد و پس از آن سخت شده و تغییر شکل مجدد آنها غیر ممکن می گردد.

 

ترموپلاستیک ها: ترموپلاستیک ها با اعمال گرما نرم شده و می توانند به طور مکرر شکل دهی شوند. ترموپلاستیک ها معمولا به چندین نوع تقسیم می شوند: آمورف، بلور و کریستال مایع.

 

اگرچه ترموپلاستیک ها در مقایسه با ترموست ها از مقاومت حرارتی و پایداری شیمیایی پایین تری برخوردار هستند اما در مقابل ترک خوردگی و ضربه مقاومت بیشتری دارند.

 

روش های ساخت کامپوزیت پایه پلیمری:

 

فرآیند تولید کامپوزیت ها با زمینه پلیمری بسیار زیاد بوده و این روش ها به پارامترهای مختلفی از جمله نوع ماتریکس، نوع و شکل و هندسه تقویت‌کننده، دمای کاری و کاربرد بستگی دارد و در سازه های کامپوزیتی به کار می رود. فرایندهای اصلی ساخت و تولید کامپوزیت های پلیمری عبارتند از:
۱- روش تولید قالب باز شامل:
۱-۱- لایه گذاری دستی
۱-۲- پاششی
این روش تولید با قالب باز می باشد.

۲- روش تولید خاص شامل:
۲-۱- پالتروژن
۲-۲- رشته پیچی
جهت تولید قطعات خاص مانند لوله و پروفیل، ورق و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.
۳- روش تولید قطعات کامپوزیتی صنعتی
۳-۱- روش تولید BMC
۳-۲- روش تولید SMC
۳-۳- روش تولید GMT
۳-۴- روش تولید RTM

 

کاربرد کامپوزیت های زمینه پلیمری:

 

امروزه کامپوزیت های زمینه پلیمری کاربرد های فراوانی دارند که از جمله آنها می توان به قطعات به کار رفته در صنعت هوا و فضا، لوله های انتقال گاز ، تابلو برق های کامپوزیتی ،کابل ها ،جلیقه های ضدگلوله، پره نیروگاه بادی ،پره هلیکوپترو … اشاره کرد.

 

انواع کامپوزیت های زمینه پلیمری:

 

این نوع کامپوزیت ها بر اساس نوع تقویت شدن به شیشه ایی ، کربنی و آرامید تقسیم می شود.

 

۱- الیاف شیشه:

 

کامپوزیت پلیمری رشته شیشه ای شامل رشته های شیشه ایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه پلیمری است.

روش هاي ساخت الیاف شیشه:

 ۱- ذوب کردن مواد اولیه در دماي بیشتر از ºC 1500 و عبور دادن آن از نازل هاي یک محفظه

۲- فرایند سل- ژل در دماي کمتر از C °۱۰۰۰ با استفاده از مواداولیه و عبـور دادن ژل از نازل ها و سپس عملیات حرارتی

 

۲- الیاف کربن:

 

الیاف شامل صفحات زیادي که داراي ساختار حلقه هاي شش ضلعی هستند، می باشد. استحکام و سـفتی قابـل تـوجهی در داخل سطح این صفحه وجود دارد ولی استحکام عمـود بـر صـفحات (عمـود بـر محـور الیـاف) پـایین اسـت. ایـن مشـابه لایه هاي پیاز است که میتوان آن ها را نسبتاً آسان از یکدیگر جـدا کـرد. میـزان هم سوسـازي صـفحات گرافیتـی بـا دمـاي عملیات حرارتی نهایی افزایش می یابد.

 

روش هاي ساخت الیاف کربن:

 

 ۱- پیرولیز (حرارت دادن) کنترل شده یک پیش سازه الیافی (رشته اي) آلی

۲- رسوب نشانی شیمیایی بخار به کمک کاتالیست

 

کاربردهاي الیاف کربن:

 

یک ماده ایده آل مهندسی باید ضمن سبکی از استحکام و چقرمگی بالایی برخوردار باشـد . الیـاف کـربن همـراه بـا مـاده زمینه کامپوزیت می تواند این منظور را برآورده سازد. به همین دلیل الیاف کربن در زمینه هاي بسیار متنوعی کاربرد دارند که به عنوان مثال شامل بال ها، چرخ ها و درهاي هواپیما و پره هاي هلی کوپتر، پل هاي قابل حمل، سپر گرمایی موشک ها وراکت ها، مخازن نگهـداري مـواد شـیمیایی ، صـنایع هسـته اي، مفاصـل مصـنوعی ، قطعـات دریچـه قلـب ، دسـت و پـاي مصنوعی، تجهیزات پرتو ایکس و پره هاي کمپرسور می شود.

 

۳-الیاف آرامید:

 

این الیاف یک نوع الیاف آلی ساخت دست بشر است که اولین بار با نام تجاري کولار وتوسـط شـرکت Dupont تولیـد شد.

 

ویژگی الیاف آرامید:

 

۱- استحکام کششی نسبتاً بالایی دارند به طوری که به تنهایی هم می تواند استفاده شود در ساخت کابل یا طناب

۲-  منحنی تنش کرنش قسمت زیادی با نقطه شکست خطی هستند به همین دلیل دارای خاصیت پلاستیک کامل است

۳- دانسیته خیلی کم دارند بنابراین سختی وزن یا استحکام به وزن آنها بالاست

۴- چقرمگی مناسبی دارند به طوری که جذب کننده انرژی مکانیکی هستند و مقاومت به شکسته بالایی دارند ۵- عایق الکتریسیته و حرارت هستند مدول الاستیک متوسطی دارند.

۶- این مواد شکست آنها تدریجی است به همین دلیل می توانند تغییر شکل های زیادی را تحمل کنند .

 

معایب الیاف آرامید:

 

۱-  این الیاف خیلی گران تر از الیاف شیشه هستند.

۲-  چسبیدن این الیاف به زمینه به خوبی الیاف شیشه و کربن نیست چنانچه اگر بخواهید تشکیل یک پیوند قوی بدهند امکان پذیر نیست.

۳- نمگیر هستند و می توانند آب و رطوبت را جذب کنند.

 ۴- استحکام فشاری نسبتاً کمی دارد و استحکام فشاری کامپوزیت به دست آمده است این مواد کمتر از الیاف کربن است.

 

کاربرد الیاف ارامید:

 

کاربرد آن ها در جلیقه های ضد گلوله است

-در کامپوزیت زمینه پلیمری ، غیر از سه نوع رشته تقویت کننده شیشه ایی ، کربنی و آرامید گاه از بور ، کاربید سیلیسیم و اکسید آلومینیم در حد محدودی استفاده می شود رشته های بور در اجزا هواپیماهای نظامی ، تیغه ای پره بالگرد و برخی وسایل ورزشی بکار می رود از رشته کاربید سیلیسیم و آلومینا در راکت ها ی تنیس ، مدار چاپی و دماغه مخروطی موشک استفاده می شود.