فصل اول:

 

 

كامپوزيت ها

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

کامپوزیت ها [1]

بسیاری از فن آوریهای نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولیاز خواص را با آلیاژهای فلزی ، سرامیکی و پلیمرهای معمولی حاصل نمی آید بدست می دهد . به عنوان نمونه مواد مورد نیاز درسفینه های فضائی ، زیر دریائی ها و کاربردهایحمل و نقل از این قبیل است که باید در عین چگالی کم ، استحکام سفتی و مقاومت بهسایش و ضربه نیز وجود داشته باشد .از اينرو نياز به مواد

جديدي به نام كامپوزيت ميباشد. کامپوزیت عبارت است از هر ماده چند فازی که سهم برای بدست آوردن مواد با استحکام و به ویژه استحکام به وزن بالا، می توان رشته هایی با مدول کشسانی و استحکام بالا را در یک زمینه فلزی یا پلیمری قرار داد. در کامپوزیت ها که مواد مرکب هم نامیده می شوند، دو یا چند ماده در مقیاس ماکروسکوپی با هم ترکیب شده و خواص مورد نظر را ایجاد می کنند. اگر چه می توان با ترکیب کردن بعضی مواد در مقیاس میکروسکوپی هم به خواص مورد نظر دست یافت، که به بحث آلیاژها مربوط می گردد.درواقعکامپوزیتها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است.ضمن آنکه اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می‌بخشند. کاپوزینت یک ماده چند فازی است که بصورت مصنوعی ساخته می شود فازهاباید از لحاظ شیمیائی متفاوت باشد و با فصل مشترکهایی مچزا شوند. مطابق این تعریف ،اغلب آلیاژهای فلزی و بسیاری از سرامیکها کامپوزیت نیستند زیرا فارهای چند گانهآنها درنتیجه یک پدیده طبیعی تشکیل شده است .بسیاری از کامپوزیت هاتنها از دو فازتشکیل شده اند:

فاز زمینه که پیوسته است وفاز دیگر که غالبافاز پراکنده است تقويت كننده گفته ميشود . خواص کامپوزیت به خواص فازهای تشکیلدهنده آن ، مقادیر آنها و هندسه فاز پراکنده شده وا بسته است . منظور از هندسه فازپراکنده شده ، شکل و اندازه ذرات ، نحوه توزیع و جهت آنهاست .

1-1-ساختمان کامپوزیت ها:

کامپوزیت ها از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند: 1)الیاف یا تارها. 2)پرکننده یا ماتریس. 3)چسب. معمولاً ماتریس دارای سختی و استحکام کمتری نسبت به ا لیاف می باشند، ولی اختلاط الیاف و ماتریس باعث تشکیل محصولی می شود که دانسیته کمی داشته ودر عین حال از استحکام فشاری و کششی بالایی برخوردار می باشد. مانند مواد اپوکسی مثل نارمکو((Narmco2387 که دارای دانسیته / lb044/0، استحكام فشاری / lb23000 و استحكام کششی / lb4200 است.

1-1-1-رشتهها:
هر چه قطررشته کوچکتر باشد ، رشته مستحکم ترازماده زمینه خواهد بود.موادی که بعنوان رشته های تقویت کننده بکارمیرود استحکامکششی بالایی دارند.براساس قطر و مشخصه رشته ها به 3 دسته تقسیم می شوند:ویسکرها،رشته ها وسیم ها.ویسکرها تک بلورهای بسیارنازکی هستند که نسبت طول به قطرآنهافوق العاده زیاداست.آنها مستحکم ترین موادی هستندکه شناخته شده اند. موادویسکری شامل گرافیت ، کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم و اکسید آلومینیم است.

1-1-2-فاز زمینه:
فاززمینه کامپوزیت های رشته ای میتواند فلز ،پلیمر یا سرامیک باشد. معمولا ازفلزات یا پلیمرها به عنوان ماده زمینه استفاده میشود،زیراانعطاف پذیری مطلوبی دارند.درکامپوزیت های زمینه سرامیکی جز تقویتکننده برای بهبود چقرمگی شکست استفاده می شود . در انتخاب ترکیب زمینه–رشته ، مهمترین عامل استحکامپیوند است .

1-2- انواع کامپوزیت ها:

کامپوزیت ها را مي توان بر اساس شكل تقويت كننده،نوع تقويت كننده وفاز زمينه دسته بندي كرد.دسته بندي بر اساس شكل تقويت كننده شامل سه دسته است: 1)کامپوزیت با الياف تصادفی. 2) کامپوزیت لايه ای. 3) کامپوزیت ذره ای.وبر اساس فاز زمينه به سه دسته عمده تقسيم ميشود:1)زمينه پليمري،2)زمينه فلزي،3)زمينه سراميكي،

درابتدا درمورد شكل الياف توضيح داده ميشود:

1-2-1- کامپوزیت با الياف تصادفی:

از لحاظ تکنولوژیکی ، مهمترین کامپوزیتها آنهايي هستندکه فازپراکنده شده در آنهابه شکل رشته است.کامپوزیتهای رشته ایی تقویت شدهاستحکام ویا سفتی بالائی دارند. خواص مکانیکی این کامپوزیت ها به خواص رشته و میزان نیروی منتقل شده بهرشته از سوی فاز زمینه بستگی دارد .بنابراین طول بحراني رشته در استحكام كامپوزيت نقش دارد.این مواد دارای استحکام و سختی بالاتری نسبت به سایراشکال کامپوزیت ها هستند، که ازکاهش نقایص کریستالی و جهت یافتگی کریستال ها در جهت طول آنها ناشی میشود. این حالت ساده ترین شکل مواد کامپوزیت است که در آن تعیین دقیق خواص ممکن نمی باشد.

1-2-2- کامپوزیت لايه ای:

در این مواد که حداقل شامل دو ماده مختلف می باشند، لایه ها طوری روی هم قرار داده می شوند که استحکام لازم را درجهت مورد نظرایجاد کنند. مانند مواد ساخته شده از دو لایه فلز با ضریب انبساط حرارتی مختلف، فلزات روکش دار، لایه های شیشه- پلاستیک که در آنها شیشه سختی لازم را برای پلاستیک و پلاستیک انعطاف پذیری لازم را برای شیشه تأمین می کند.

1-2-2-1- انواع کامپوزیت های لایه ای:

1)تک لایه : در این کامپوزیت ها، در یک صفحه الیاف در یک جهت قرار داشته و می توان آنها را در جهت دیگر تقویت کرد. الیاف معمولاً بدلیل داشتن سختی و مدول الاستیسیته بالا در جهت اعمال بار قرار داده می شود و ماتریس باعث توزیع مناسب بار می شود.

2)چند لایه: در این کامپوزیت ها نیروهای اعمالی به یک صفحه، می توانند در جهات مختلف وارد شود و لایه ها را با زوایای مختلف برای دستیابی به سختی مناسب در کنار یکدیگر قرار می دهند.

3)صفحات مختلط(هیبرید): در این کامپوزیت ها علاوه بر داشتن لایه ها با جهات مختلف، جنس لایه ها هم متفاوت است. در اینجا استفاده از مواد مناسب، به عملکرد سازه های مختلف در مقابل

نیروهای مکانیکی و عوامل محیطی بستگی دارد.

1-2-3- کامپوزیت ذره ای:

این مواد شامل یک ماتریس و یک ماده دیگری که در آن به شکل ذرات کوچک توزیع شده اند،

می با شند. فازپراکنده شده در کامپوزیت های تقویت شده با ذرات هم محور و همسواست ، یعنی ذراتتقریبا در همه جهات همسو هستند. دو زیر دسته این نوع کامپوزیت ها عبارتند از : کامپوزیت های درشت ذره و مستحکم شده به وسیله پراکندگی ذرات .تفاوت این دو گروه بهمکانیزم مستحکم شدن یا تقویت شدن بستگی دارد واژه درشت بدین جهت استفاده می شود کهنشان دهد فعل و انفعال بین ذره–زمینه نمی تواند در مقیاس اتمی یا مولکولی صورت گیرد ومکانیک محیطهای پیوسته استفاده می شود . در بیشتر این نوع کامپوزیت ها ، فاز پراکنده سخت تروسفت تر از زمینه است این ذرات تقویت شده٬ جابجائی و حرکت فاز زمینه را در مجاور خود مهار ومتوقف می کنند. اساسا زمینه ، مقداری از تنش اعمال شده را به ذرات منقل میکند . میزان تقویت شدن یا بهبود رفتار مکانیکی به استحکام پیوند در فصل مشترکزمینه–ذره بستگیدار د . کامپوزیت های ذره ای به صورت های زیر هستند:

1)غیر فلز در غیر فلز.

2)فلز در غیر فلز.

3)غیر فلز در فلز.

4)فلز در فلز.

1-2-4- کامپوزیت های زمینه پلیمری
کامپوزیتهای زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری پلاستيك تقويت شده مولكول درشت به عنوان زمينه تشكيل شده است،. از ویژگیهای این دسته از کامپوزیت ها ، کاربرد متنوع وگسترده ، خواص خوب در دمای محیط ، سهولت ساخت و هزینه کم است . . این نوع کامپوزیت هابراساس بر اساس نوع تقویت شدن به شیشه ایی ، کربنی و آرامید تقسیم می شوند. کامپوزیت هایپلیمری رشته پلیمری رشته شیشه ای شامل رشته های شیشه ایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه است در آینده بجای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویت کننده دركامپوزيت هاي پليمري استفاده خواهد شد،چون رشته هاي كربني بيشترين استحكام ويژه ومدول ويژه را در ميان رشته هاي تقويت كننده دارا است. در کامپوزیت های زمینه پلیمری ، غیر از سه نوع رشته تقویت کننده شیشه اي،كربني ،آراميد ،گاه از بور ،كاربيد سيليسيوم واكسيد آلومينيومدر حد محدودي استفاده ميشود.

1-2-5- کامپوزیت های زمینه فلزی
درکامپوزیت های زمینه فلزی زمینه عبارت است از یک فلز انعطاف پذیر . برتری های ایننوع کامپوزیت نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری شاکل دمای عملکرد بالاتر ، شعلهپذیر نبودن و مقاومت بیشتر در برابر تهاجم
سیالات آلیاست . البته هزینه آنها بیشتر و در نتیجه استفاده از آنها محدود تر است .
از سوپر آلیاژها ، آلیاژهای آلومنییم و منیزیم ،تیتانیم و مس به عنوان مواد زمینه استفاده می شود . موادتقویت کنند ه ممکن است بهشکل ذرات ، رشته های پیوسته و ناپیوسته و یا ویسکرها باشند که 10 الی 60% حجمیکامپوزیت را تشکیل می دهد رشته های پیوسته شامل کربن ، کاربید سیلیسیم ، بور ،آلومینا و فلزات دیر گداز است رشته های ناپیوسته از ذرات همین مواد تشکیل می شونداز یک جهت می توان سرمت ها را جز این ( MMC) ها قرار دارد .
خودرو سازان اخیرا درمحصولات خود شروع به استفاده از کامپوزیتهای زمینه فلزی کرده اند به عنوان نمونهبرخی قطعات موتور از زمینه آلیاژهای آلومینیم تقویت شده با رشته های آلومینا و کربنتولید شده که سبک وزن تر هستند و مقاومت آنها در برابر سایش و اعوجاج حرارتی بیشتراست استفاده از این نوع کامپوزیت ها در محورهای محرک که سرعت چرخش بالاتر و میزانکمتر سرو صدای ناشی از ارتعاش را به همرا دارد صورت گرفته است . صنایع هوا فضا نیزاز این نوع کامپوزیت ها بهره می برد له عنوان نمونه در قطعات تلسکوپ فضائی هابل ازرشته های گرافیتی پیوسته استفاده شده است .

1-2-6-کامپوزیت های زمینه سرامیکی
بدلیل مقاومت آلی در برابر اکسایش در دمای بالا، با وجود احتمال شکست ترد ، بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنش هایشدید ميباشند . به ویژه در قطعات موتور خودرو و توربین های گازی هواپیما . چرمگی شکستاین کامپوزیت ها معمول است در حالی که در اغلب فلزات 15 است . چقرمگی شکست نسل جدیدو توسعه یافته کامپوزیت های زمینه سرامیکیکه بصورت ذزه ای، رشته ای یا ویسکری از مواد سرامیکی است بهبود یافته وبه 6 رسیده است . این بدان دلیل است که ترکی که در زمینه توسط ذرات ، رشته ها یاویسکرها ايجاد ميشود، نه تنها اشاعه نمی یابد بلکه از اشاعه آن ممانعت به عمل مِی آید،به این امرکمک می کند.

کامپوزیت های زمینه سرامیکی رابا روش های پرسکاری گرم ، پرسکاری ایزوستاتیک گرم وزینتر کردن فاز مذاب تولید میکنند، آلومینا های تقویت شده با ویسکرهایSiCبه عنوانابزار برش در ماشین کاری آلیاژهای فلزی سخت استفاده می شود.
سراميك­هاي پيشرفته داراي ويژگي­هاي مطلوبي مانند سختي، استحكام بالا،تحمل دماهاي بالا، خنثايي شيميايي، مقاومت در برابر فرسايش و چگالي كم هستند. وليدر برابر بارهاي كششي و ضربه ضعيف­هستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطاف­پذيرينشان نمي­دهند و مستعد شكست تحت بارهاي مكانيكي و شوك حرارتي هستند. در مقايسه­ايبين سراميك­ها و ديگر مواد ، بايد گفت كه سراميك­ها تنها گروهي از موادهستند كه در دماهاي بالا قابل استفاده­اند و داراي سختي، استحكام و مدول الاستيكبالاتري از فلزات و پليمرها مي­باشند. همچنين چگالي، ضريب انبساط حرارتي و هدايتالكتريكي و حرارتي كمي دارند. به ويژه چگالي و انبساط حرارتي كم سراميك­ها اهميتزيادي در اغلب كاربردها دارد. كه اگر چه نسبت مدول الاستيسيتة تقويت‌كننده و زمينهدر كامپوزيت­هاي زمينه فلزي و پلميري عموماً بين 10 و 100 است ولي براي كامپوزيتزمينه سراميكي، اين نسبت معمولاً برابر يك يا كمتر از آن است. نسبت مدول بالا دركامپوزيت­هاي زمينه فلزي و پليمري، سبب انتقال موثر بار از زمينه به تقويت­كنندهمي­شود. در حالي كه در يك كامپوزيت سراميكي، زمينه و تقويت­كننده در توانايي تحملبار اختلاف زيادي ندارد؛ به اين معنا كه هدف از ساخت كامپوزيت سراميكي، افزايشاستحكام نيست. مگر آن­هايي كه زمينة آنها مدول الاستيسيتة كمي دارند. ازحوزه­هاي مهم در تهيهكامپوزيت­هاي زمينه سراميكي انواع گوناگون شيشه، شيشه‌سراميك­ها و سراميك­هاييهمچون كربن، كاربيدسيليسيوم، نيتريدسيليسيوم، آلومينات­ها و اكسيدها. تقويت­كنندهايمورد استفاده عبارتند از كاربيدها، بوريدها، نيتريدها و كربن.

كامپوزيت­هاي زمينهسراميكي تنها كامپوزيت­هايي هستند كه بالاي 900 درجة سانتيگراد استحكام خود را حفظمي­كنند. عمده­ترين كامپوزيت­هاي زمينه سراميكي عبارتند از: كامپوزيت­هايكربن/كربن، كامپوزيت­هاي آلومينا/SiCو كامپوزيت­هايي بازمينهSi3N4 يا SiC تقويت شده با اليافپيوسته SiC و كربن.
معمولاً كاربرد كامپوزيت­هايسراميكي به دو دستة هوافضايي و غيرهوافضايي تقسيم مي­شوند. در كاربردهاي هوافضاييمسالة اصلي، عملكرد كامپوزيت است. در حالي كه در كاربردهاي غير هوافضايي عامل قيمتبسيار مهم است.

كامپوزيت­هاي سراميكي با اليافپيوسته، عموماً داراي خواص مكانيكي ويژةبالايي هستند و مي­توانند در كاربردهايهوافضايي دماي بالا به كار گرفته شوند. كامپوزيت­هاي كربن/كربن با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتي درشاتل­هاي فضايي استفاده شده است و كامپوزيت­هاي كاربيد سيليسيم/كربن مواد مناسبيبراي هواپيماها هستند.

از كاربردهاي غيرهوافضايي كامپوزيت­هاي سراميكي مي­توان به اجزاي موتورهاي دما بالا، مته و ابزارتراش، اجزاي مقاوم در برابر سايش، لوله اگزوز، نازل، لوله­هاي مبدل گرما و غيرهاشاره كرد.

1-3- خواص مکانیکی کامپوزیت ها:

در حالت کلی کامپوزیت ها غیر همگن و آنیزوتروپ هستند. برای مطالعه وبحث بیشتر درباره خواص مکانیکی کامپوزیت ها باید به دو جنبه اصلی آنها یعنی خواص مکانیکی ذرات و خواص مکانیکی خود جسم پرداخته شود.

مکانیک ذرات به بررسی رفتار کامپوزیت ها در مقیاس میکروسکوپی می پردازد و خواص مکانیکی مواد تشکیل دهنده را بررسی می کند. مکانیک جسم به بررسی رفتارکامپوزیت ها با فرض هموژن بودن می پردازد و تأثیر مواد تشکیل دهنده در خواص کامپوزیت ها را بررسی می کند.

طبق استاندارد ASTM براى محاسبه استحكام و مدول الاستيسيته يك جسم، ازآزمايش كشش

استفاده مى كنيم، ولى در يك جسم آنيزوتروپ به علت دخالت تغيير شكل هاى مختلف درهم، به

انجام آزمايش هاى پيچیده ترى نياز دارد.

 

1-4- شكل و چگونگي بافتن الياف:

الیاف تک را رشته می نامند. یک مجموعه از رشته ها را که معمولاً 3000 تا 4000 رشته می باشد، ریسمان می نامند. 50 تا 60 ریسمان نیز دسته نامیده می شود. حال اگر ریسمان از پیچاندن رشته ها دور هم ایجاد شود، ریسمان تابیده خواهد بود.

برای مصارف صنعتی، دسته و ریسمان تابیده را بافته که به ترتیب دسته بافته و پارچه نامیده می شود. دسته به علت جذب زیاد چسب استحکام کمتری دارد ولی پارچه اجازه می دهد که رطوبت

توسط اعمال فشار از رزین خارج شود و یک لایه با استحکام بالا ایجاد گردد.

همچنین الیاف به صورت کوتاه و بریده شده که در جهات مختلف نسبت به هم قرار گرفته اند،هم مورد استفاده قرارمی گیرند. این نوع الیاف معمولاً از ریختن خرده های ا لیاف شیشه با طول تقریبی

mm 25تا mm50 بصورت تصادفى روى يك سطح بدست مى آيند.

نوع ديگر الياف نوارها يا تسمه ها مى باشند كه در صنايع هوا- فضا بكارمي روند. معمولاً الياف بر را

به علت سختى زياد نمي بافند، بلكه بصورت نوار در مى آورند.

 

1-4-1- الیاف تجاری:

انواع الیاف تجاری عبارتند از:

شیشه : نوع اصلی این الیاف E-glassو نوع دیگر آن S-glass است که استحکام و مدول و قیمت بالاتری نسبت به نوع E-glass دارد. استحکام کششی مناسب الیاف شیشه باعث شده تا این الیاف در بسیاری از مصارف بکار رود.

کربن وگرافیت: الیاف کربنی ارزان از تجزیه حرارتی بسیاری از مواد آلی بدست می آیند وبرای مصارف عمومی بکار می روند. نوع دیگر الیاف کربنی، الیاف گرافیتی است.

بر: این الیاف با روش تبخیر بدست می آیند. در این روش یک سیم نازک تنگستنتوسط جريان الكتريكى گرم شده و بواسطه وجود هيدروژن در هوا و با كنترل دقيق دما،بر روى تنگستن مى نشيند. به علت نياز به مقاومت بالا در درجه حرارت هاى بالا، از W خالص استفاده می شود.

از آنجا که انهدام الیاف بعد از مقاومت زمينه و رسیدن به استحکام برشی به خمش الیاف بستگی دارد، الیاف بر به علت داشتن قطر بالا که حدود μm125 است دارای مقاومت خمشی خوبی است.

الیاف آرامید: این الیاف از جدیدترین الیاف صنعتی و تجاری است و تنها محصول این الیاف کولار می باشد.

 

1-5- مزایای کامپوزیت ها [2]:

1) استحکام ویژه بالا:استحکام ویژه عبارتست از نسبت استحکامبه وزن. کامپوزیت هااستحکام ویژه بالاتری نسبت به بسیاری از مواد دیگر دارند.

2) توانایی شکل گیری: کامپوزیت هامی توانندساده تر از مواد دیگر بهشکل های دقیق تر و پیچیده ترساخته شوند.

3) با دوام بودن ذاتی: مثال های بسیاری از قطعات وجود دارد که پس از گذشت سال ها هنوز در حال سرویس دهی هستند و فقط %2تا % 3 از استحکام اولیه کاسته شده است.

4)سرمایه گذاری کم : اگرچه در فرآیندهایی نظیر قالبگیری به روش تزریق ترموپلاستیک نیاز به سرمایه گذاری زیادی در تجهیزات در حدود چند میلیون دلار است، اما هزینه کلی وارد شدن به تجارت کامپوزیت هابسیار کمتر از مبادرت ورزیدن به ساخت بسیاری از مواد دیگر است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم:

 

کامپوزیت های زمینه فلزی

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

کامپوزیت های زمینه فلزی مدت های مدیدی وجود داشتند ، اما به عنوان مواد مهندسی قابل پذیرش تنها از نیمه دوم قرن بیستم مورد توجه قرار گرفتند . از آغاز تحقیقات بر روی آن ها ، کامپوزیت های زمینه فلزی به موادی با کارایی بالا در صنایع هوافضا ، خودرو، سیستم های الکترونیکی و محصولات تفریحی مبدل شده اند .

در این راستا می توان به ساخت کابل هایی از جنس کامپوزیت زمینه فلزی رشته ای به کار رفته در خطوط انتقال قدرت ، سیستم های ابر رسانای دما بالا ، کامپوزیت های زمینه فلزی ذره ای به کار رفته در خودرو و هواپیما های غیر نظامی و ساخت زیر لایه هایی با هدایت حرارتی بالا برای قظعات الکترونیکی، اشاره نمود.

کامپوزیت زمینه فلزی یکی از مهم ترین انواع مواد پیشرفته می باشد که قدمتی بیش از 50 سال دارد، با این وجودپیشرفت های تکنو لوژی در تولید و کاربرد انواع متفاوت و متنوع کامپوزیت های زمینه فلزی باعث شده است این مواد همچنان در حیطه مواد پیشرفته باقی بمانند . به عنوان مثال می توان به ظهور انواع نانوکامپوزیت های زمینه فلزی در بسیاری از کاربرد های سازه ای و غیر سازه ای اشاره کرد . با این وجود به نظر می رسد هنوز توانایی به کار گیری این کامپوزیت ها در بسیاری از موارد ناشناخته مانده است . از مزایای قطعات ساخته شده از جنس کامپوزیت های زمینه فلزی به جای مواد معمولی، می توان به مواردی همچون کارایی بالاتر در عملکرد ، کاهش وزن قابل توجه ، صرفه اقتصادی ( در بیشتر موارد با در نظر گرفتن افزایش عمر قطعه ) و فقدان مشکلات زیست محیط و ... اشاره نمود.

این نوع کامپوزیت ها در صنایع بسیاری قابل کاربرد می باشند که به تعدادی از آن ها به اجمال اشاره می شود .

- قطعات مورد نیاز صنایع نظامی از جمله سازه های هوافضایی

- صنعت هواپیماسازی ( نظامی و غیر نظامی )

- صنعت حمل و نقل ( خودرو و راه آهن )

- خطوط انتقال قدرت

- ابر رساناهای دما بالا و ...

کامپوزیت های زمینه فلزی ، مانند سایر کامپوزیت ها ، شامل حداقل دو فاز مجرای فیزیکی و شیمیایی می باشد و توزیع مناسب آن ها خواصی را ایجاد می نماید که هیچ کدام از اجزاء به تنهایی دارای آن خواص نخواهند بود . عموما این مواد کامپوزیتی شامل دو فاز می باشند، فاز تقویت کننده ( رشته ای یا ذره ای ) که در زمینه فلزی توزیع شده است . مثال هایی از این گونه مواد شامل کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با رشته های پیوسته به کار رفته در خطوط انتقال قدرت ، رشته های در یک زمینه مسی برای کابرد در آهنر باهای ابر رسانا ، کامپوزیت های ذره ای کاربید تنگستن/ کبالت مورد استفاده در ابزار برش و مته های سوراخ کاری ، و کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با ذرات به کار رفته در صنایع هوا فضا و خودرو ، می باشند .

کامپوزیت های زمینه فلزی مزایای زیر را نسبت به فلزات غیر کامپوزیتی نشان می دهند :

- کاهش وزن قابل توجه ناشی از نسبت استحکام به وزن بزرگتر.

- پایداری ابعادی استثنایی.

- پایداری بیشتر در دما های بالا ( یعنی مقاومت به خزش )

- مقاومت بسیار بالا تر به خستگی چرخه ای .

همچنین این کامپوزیت ها نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری نیز مزایای زیر را نشان می دهند :

- استحکام و سفتی بیشتر .

- دمای کاری بالاتر

- ضریب هدایت الکتریکی بیشتر

- ضریب هدایتی حرارتی بیشتر

- خواص عرضی بهتر

- اتصال پذیری بهتر

- مقاومت بالاتر در مقابل تابش ( لیزر، ماورابنفش، هسته ای و ...)

- عدم آلودگی بسیار ناچیز (عدم تصاعد گاز یا جذب رطوبت ).

1-1 ) انواع کامپوزیت های زمینه فلزی

همه کامپوزیت های زمینه فلزی ، یک فلز یا آلیاژ فلزی به عنوان زمینه دارند . تقویت کننده نیز می تواند فلزی یا سرامیکی باشد . در برخی موارد غیر معمول ممکن است کامپوزیت شامل زمینه ای از آلیاژ فلزی باشد که با یک کامپوزیت پلیمری رشته ای ، تقویت شده باشد ( مانند ورقه ای از اپوکسی تقویت شده با الیاف شیشه یا اپوکسی تقویت شده به رشته های آرامید ).

به طور کلی سه نوع کامپوزیت زمینه فلزی وجود دارد :

الف ) کامپوزیت های تقویت شده با ذره

ب) کامپوزیت های تقویت شده با رشته های کوتاه یا ویسکر

ج) کامپوزیت های تقویت شده با رشته های پیوسته یا ورق

در گستره کامپوزیت های تقویت شده به شکل غیر پیوسته ، کامپوزیت های زمینه فلزی ساخته شده از روش های ذوبی، ارزان تر از کامپوزیت های ساخته شده به روش متالورژی پودر می باشند . دو نوع کامپوزیت زمینه فلزی ریختگی وجود دارد :

- کامپوزیت ریختگی دارای تقویت کننده موضعی.

- بیلت کامپوزیتی ریختگی شامل توزیع یکنواختی از تقویت کننده در زمینه ای از آلیاژ کار پذیر . این بیلت های کامپوزیتی را می توان تحت عملیات فورج، اکستروژن، نورد و یا فرایند های دیگر شکل دهی قرار داد .

1-2 ) خصوصیات کامپوزیتی های زمینه فلزی

یکی از نکات بارز کامپوزیت های زمینه فلزی ، سفتی و استحکام افزایش یافته آنهاست . خصوصیات دیگری نیز وجود دارد که به همین میزان ارزشمند می باشند .به عنوان مثال می توان به توانایی کنترل انبساط حرارتی در کاربرد هایی مانند بسته های الکتریکی ، اشاره نمود . با افزودن تقویت کننده سرامیکی، می توان ضریب انبساط حرارتی کامپوزیت را کاهش داد. مشخصه های هدایت الکتریکی و حرارتی در برخی کاربرد ها اهمیت زیادی پیدا می کنند . مثلا ابر رسانا ها مشخصا به خواص ابر رسانایی نیاز دارند . در این مورد زمینه فلزی علاوه بر کنار هم نگه داشتن رشته های کوچک ابر رسانا ، یک محیط با هدایت حرارتی بالا نیز محسوب می شود . از دیگر خصوصیات مهم این مواد که ممکن است اهمیت بسیار زیادی نیز داشته باشد ، مقاومت به سایش است ( مثلا کامپوزیت هایبه کار رفته در ابزار برش یا مته های سوراخ کاری ودر دیسک ترمز ) . بنابراین ، اگر چه عموما برای ذرات یا رشته ها، در متون مربوط به کامپوزیت های زمینه فلزی واژه تقویت کننده به کار می رود ، اما باید توجه داشت که در بسیاری از موارد ممکن است افزایش استحکام ، مهمترین ویژگی کامپوزیت نباشد .

تقویت کننده ها

تقویت کننده های مورد استفاده در کامپوزیت های زمینه فلزی را می توان به شکل رشته های پیوسته ، رشته های کوتاه ، ویسکر ها یا ذرات تولید نمود. پارامتری که باعث تمیز دادن اشکال مختلف تقویت کننده ها از یکدیگر می شود ، نسبت ابعادی نامیده می شود . نسبت ابعادی ، نسبت طول به قطر ( یا ضخامت ) رشته، ذره یا ویسکر است . بنابراین رشته های پیوسته نسبت ابعادی تقریبا بی نهایت و ذرات کاملا هم محور نسبت ابعادی حدود واحد خواهند داشت .

2-1) مواد رشته ای

اصولا همه مواد ( پلیمر ها، فلزاتو یا سرامیک ها ) را می توان به شکل الیاف یا رشته درآورد. یک رشته را می توان به عنوان ماده ای طویل شده با قطر یا ضخامت کمتر از و نسبت ابعادی بزرگتر از 100، تعریف نمود .

باید توجه داشت که این بیان ، نه تنها یک تعریف کاربردی است بلکه یک تعریف کاملا هندسی است که می توان آن را برای هر جسمی به کار برد .

رشته ها که غالبا دارای سطح مقطع کوچک و نسبت ابعادی بزرگ می باشند، خواص منحصر بفردی مطابق ذیل دارند :

- انعطاف پذیری بالا

- استحکام بالاتر از ماده حجیم با همان ترکیب

در مواردی که رشته ها طویل هستند ، لازم است در یک محیط زمینه پیوسته به کار گرفته شوند، به این معنا که زمینه بتواند با تثبیت این رشته ها به مجموعه خاصیت کامپوزیتی دهد .

2-2 ) انعطاف پذیری رشته ها

انعطاف پذیری در رشته های نازک ویژگی مهمی محسوب می شود . انعطاف پذیری بالا یکی از مشخصات ذاتی جسم دارای قطر کوچک و مدول کم است انعطاف پذیری رشته ها این امکان را فراهم می آورد تا بتوان از تکنیک های زیادی برای ساخت کامپوزیت های تقویت شده با رشته بهره برد . یک رشته را به عنوان میله الاستیک طویل شده در نظربگیرید ؛ در این صورت انعطاف پذیری آن، تابع معکوسی از مدول الاستیک آن، و ممان ثانویه سطح یا ممان اینرسی سطح مقطع آن، خواهد بود . مدول الاستیک یک جسم عموما مستقل از شکل و اندازه آن بوده و معمولا برای یک ترکیب شیمیایی معین ثابت ( با فرض کاملا چگال بودن ماده ) می باشد . بنابراین در مورد یک ترکیب و چگالی مشخص، انعطاف پذیری ماده توسط شکل آن یا دقیق تر ، قطر آن تعیین می شود .

2-3 ) رشته های کربن

کربن یکی از عناصر بسیار متنوع به شمار می رود . این عنصر بسیار سبک بوده و دارای چگالی نظری است و به اشکال گوناگونی وجود دارد . دو نوع از گونه های مهم کربن ، الماس و گرافیک می باشند . در بین اشکال نسبتا جدیدتر کربن ، می توان به فولرن باکمینستر، که باکیبال هم خوانده می شود ، اشاره نمود که از روش های کششی به شکل نانولوله ها تهیه می شوند . در بین رشته ها کربن نوع گرافیتی آن حائز اهمیت است .

2-4 ) الیاف بور

بور همانند کربن ، رشته عنصری دیگری است که سفتی و استحکام بالایی دارد . این الیاف معمولا با روش رسوب شیمیایی بخار(CVD) بر روی یک زیر لایه تنگستنی یا کربنی تولید می شوند ( شکل 2-9 ). برخی خصوصیات مهم الیاف تهیه شده از روش عبارتند از :

- اصولا یک پوشش روی یک زیر لایه رشته ای رسوب داده می شود ، در نتیجه غلافی با قطر زیاد به همراه هسته مرکزی آن به وجود می آید، یعنی خود رشته یک کامپوزیت است .

- برخلاف فرایند های معمولا شکل دهی رشته ها، الیافCVDرا نمی توان با کشیدن شکل داد؛ یعنی طویل شدن در مورد آن اتفاق نمی افتد ، بلکه به جای آن رشد جانبی به صورت ضخیم شدن رخ می دهد .

- قطر نهایی الیاف می تواند بیش از 10 برابر قطر رشته زیر لایه اولیه باشد .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل2-9:رسوب شيميايي(CVD)بور يا كاربيد سيليسيم روي زيرلايه تنگستن يا كربن

 

 

بور بر روی زیر لایه تنگستنی (که به شکلB(w)نوشته می شود )و sic بر روی زیر لایه کربنی ( که به شکلsic(c) نوشته می شود )،دو نمونه از الیاف کامپوزیتی هستند . همچنین در مواردی نیز بور بر روی زیر لایه کربن پوشش داده می شود . بیشتر کاربرد های B(w) در هوافضاو صنعت ساخت وسایل ورزشی می باشد . عمده ترین مشکل بیشتر رشته های تولید شده ازCVD. قطر بزرگ ( که باعث انعطاف پذیری کمتر آنها می گردد )و هزینه تولید زیاد آنهاست .

2-4-1 ) تنش های باقیمانده

رشته های تولید شده از روشCVD ، مثل الیاف بور، دارای تنش های باقیمانده ای ناشی از فرایند رسوب شیمیایی بخار می باشند . تنش های ناشی از رشد برآمدگی های بور، تنش های پدید آمده از نفوذ بور به داخل هسته بوراید تنگستن، همگی در ایجاد تنش باقیمانده سهیم هستند . این تنش ها به صورت جبری ( ریاضی ) به تنش های اعمالی افزوده شده و می توانند تاثیر زیادی بر خواص مکانیکی الیاف داشته باشند . از لحاظ مورفولوژی، برجسته ترین کارکرد این تنش های داخلی ، تشکیل ترک های شعاعی در مقاطع عرضی رشته ها

می باشند.

2-5) رشته های اکسیدی

الیاف اکسیدهای سرامیکی ، چه پیوسته و چه نا پیوسته ، از حدود سال های 1970 به شکل تجاری قابل تولید بودند . در ادامه ، برخی از جوانب مهم فرایند تولید و ریز ساختار این رشته ها را مورد بررسی قرار می دهیم .

2-5-1) رشته های اکسیدی نوع آلومینا

رشته های پیوسته تک کریستاب اکسید آلومینیوم را می توان از طریق کشیدن آلومینای مذاب بدست آورد . یکی از رشته های تولید شده با این روش ، موسوم به سافیکن ، ساختاری هگزاگونال با محور cموازی با محور رشته دارد، یعنی صفحه قاعده آن (0001) عمود بر محور رشته است. قطر این الیاف بسیار زیاد و درحدود mµ250-75است .

2-6) رشته های غیر اکسیدی

چندین رشته غیر اکسیدی پیوسته نیز به شکل تجاری تولید می شوند . توسعه الیاف کاربید سیلیسیم را باید به عنوان مهمترین پیشرفت در زمینه تولید تقویت کننده های سرامیکی در ربع آخر قرن بیستم محسوب نمود . به ویژه، باید به فرایندي اشاره کرد که مشتمل بر پیرولیز کنترل شده یک پیش ماده پلی کربوسیلان و تشکیل الیافی بسیار نازک و انعطاف پذیر است . این فرایند در ساخت الیاف سرامیکی از پیش ماده های پلیمری ، فرایندی پیش رو محسوب می گردد .

2-7 ) ویسکر ها

ویسکر ها رشته های کوتاه تک کریستالی هستند که استحکام بسیار زیادی از خود نشان می دهند.

این استحکام زیاد ( نزدیک به استحکام تئوری ) ، به دلیل عدم عیوب کریستالی همچون نا بجایی ها می باشد . تک کریستال بودن بدین معنی است که ویسکر ها هیچ گونه مرز دانه ای ندارند . ویسکر ها معمولا دارای قطری در حدود چند میکرون و طولی در حدود چند میلی متر می باشند و در نتیجه نسبت ابعادی آنها ( طول به قطر ) بین 50 تا 1000 تغییر می کند .

ویسکر ها ابعاد و خواص یکنواختی ندارند و تغییرات خواص آنها زیاد است که این امر بزرگترین نقص آنها به شمار می رود . چگونگی به کار بردن و هم راستا نمودن (تنظیم کردن) ویسکر ها در زمینه کامپوزیت از دیگر مشکلات آنها به شمار می آیند . ویسکر ها معمولا از طریق رشد فاز بخار تولید می شوند .

2-8)ذرات

2-8-1)كاربيد سيليسيم ذره اي

مدت مديدي است كه كاربيد سيليسيم به صورت ذره اي توليد مي شود. اين ماده بسيار ارزان بوده واستفاده از آن براي كاربرد هاي سايشي،ديرگدازي وشيميايي متداول است.sicذره اي از طريق انجام واكنش ميان سيليس به شكل ماسه وكربن به شكل كك درc 2400ْدريك كوره الكتريكي ،توليد مي شود.در مراحل بعدي

sicتوليدشده به شكل گرانول هاي بزرگ،به اندازه دلخواه خرد مي شوند.دونوع تقويت كننده ذره اي در شكل2-13نشان داده شده است كه يكي با گوشه هاي تيز وديگري با گوشه هاي گرد شده درشكل ديده مي شوند

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

شكل2-13:تصويرSEMازتقويت كننده ذره ايSIC،(الف)مورفولوژي تيزو(ب)مورفولوژي گرد

 

2-8-2)كاربيدتنگستن ذره اي

كاربيدتنگستن راازكربن دهي كردن فلزتنگستن بدست مي آورندوخودفلزتنگستن ازاحياي اكسيد تنگستن توسط هيدرژن بدست مي آيد.درعمل كاربيدتنگستن رامي توان مستقيما از كاني يا اكسيد آن استخراج نمودولي معمولا كربن دهي گازي ترجيح داده مي شود.در ضمن به منظوركنترل اندازه ذره و نيزتوزيع اندازه مناسب،كربن سياه به مجموعه افزوده مي شود.

2-9) مقایسه رشته ها با هم

مهمترین خواص هر ماده تقویت کننده، استحکام و مدول یانگ می باشند . همه تقویت کننده های با کارایی بالا ( رشته ها ، ذرات و ویسکر ها )، دارای چگالی پایینی هستند . با کمی دقت می توان به این مطلب پی برد که عناصر تشکیل دهنده این تقویت کننده ها مربوط به دو ردیف اول جدول تناوبی هستند . باید توجه داشت که صرف نظر از اینکه تقویت کنننده ها به صورت عنصری یا ترکیب هستند ، غالبا پیوند های کوالانسی که مستحکم ترین نوع پیوند است، بین آنها حاکم است . معمولا چنین مواد سبک ، سفت و مستحکمی در اغلب کاربرد ها عملکرد بسیار مطلوبی دارند ، اما این موارد به طور خاص در صنایع هوافضا ، حمل و نقل زمینی، انرژی و سازه های ساختمانی مورد توجه زیادی قرار گرفته است . انعطاف پذیری الیاف به مدول یانگ و قطر آن مرتبط می باشد. به طور کلی در مورد رشته های با مدول بالا ، قطر ، پارامتر کنترل کننده انعطاف پذیری است . برای یک مدول مشخص، E ، قطر کوچکتر، انعطاف پذیری بیشتر الیاف را به دنبال خواهد داشت . اگر نیاز یه خم کردن ، پیچیدن و یا بافتن یک الیاف باشد تا بتوان با ان اشکال پیچیده تولید نمود ، خصیصه انعطاف پذیری اهمیت خود را آشکار می نماید.

3)مواد زمینه

گستره وسیعی از فلزات و آلیاژها را می توان به عنوان مواد زمینه به کار برد .

3-1) زمینه های متداول در کامپوزیت های فلزی

3-1-1) آلومینیوم و آلیاژهای آن

آلیاژهای آلومینیوم به دلیل چگالی کم و استحکام، چقرمگی و مقاومت به خوردگی عالی آنها ، به طور گسترده در صنایع خودرو سازی و هوافضا مورد استفاده قرار گرفته اند .به عنوان مثال ، آلیاژ هایAL-Zn-Mg-Cu,AL-Cu-Mg از جمله آلیاژ های بسیار مهم رسوب سختی شونده می باشند .آلیاژهای آلومینیوم را می توان به اقسام ریختگی ، کار پذیر و پیر سخت شونده طبقه بندی نمود . برخی از عملیات متداول پیر سختی یا رسوب سختی برای آلیاژ های آلومینیوم به شرح زیر است :

- t4 : محلول سازی، کوئنچ کردن و سپس پیر سازی در دمای اتاق یا « پیر سازی طبیعی ».

- t6: محلول سازی ، کوئنچ کردن و سپس در دمای بالاتر از دمای اتاق ( 190-120 سانتی گراد ) یا « پیر سازی مصنوعی ».

- t7x: محلول سازی ، کوئنچ کردن و فرا پیر سازی ( فرتوت سازی ).

- t8xx: محلول سازی ، کوئنچ کردن، کار سرد و پیر سازی مصنوعی .

دمای محلول سازی نوعا بین 440 و 540 سانتی گراد است ومحیط کوئنچ کردن می تواند آب یا یک خنک کننده مصنوعی باشد .

مذاب آلومینیوم همانند بیشتر فلزات ، ویسکوزیته کمی دارد که باعث تسهیل در امر ریخته

گری می شود . ارتباط دما با ویسکوزیته مذاب آلومینیوم بدین ترتیب است

( 1976، smithells ):

که ویسکوزیته بر حسب R,MPa.s ثابت جهانی گازها (j/k mol8.3144) وT دما بر حسب کلوین است . در نقطه ذوب، آلومینیوم خالص ویسکوزیته ای تقریباmpa.s 12دارد . افزودن ذرات سرامیکی یا آخال ها به آن ، به سرعت ویسکوزیته را بالا می برد . این امر یکی از معضلات مهم در تولید کامپوزیت های زمینه فلزی است .

3-1-2) آلیاژ های تیتانیم

تیتانیم یکی از مهمترین مواد به کار رفته در صنایع هوافضاست . تیتانیم خالص دارای چگالی g/cm³ 4.5 و مدول یانگ آن Gpa 115 است . در آلیاژهای تیتانیم چگالی می تواند بین 4.3 تا g/cm³ 5.1تغییر کند در حالی که مدول یانگ می تواند مقداری بین80 تا Gpa 130داشته باشد . بنابراین تیتانیم و آلیاژهای آن ، نسبت های استحکام به وزن و مدول به وزن نسبتا بالایی دارند ، نقطه ذوب تیتانیم نیز نسبتا بالا ( 1672 سانتی گراد ) بوده و از مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی خوبی برخوردار است . همه این عوامل، تیتانیم را به گزینه ای مطلوب برای کاربرد در صنایع هوافضا بدل نموده است . آلیاژهای تیتانیم در موتور جت ( تیغه های توربین و کمپر سور )، قطعات بدنه هواپیما و غیره مورد استفاده قرار می گیرند . اما در هر حال ، این فلز جزو فلزات گران قیمت محسوب می شود .

در سرعت هاي بسیار بالا ، مثلا در هواپیما های نظامی مافوق صوت ، روکش هواپیما در اثر حرارت آنقدر داغ می شود که آلیاژهای آلومینیوم گزینه مناسبی برای آن نیستند . آلیاژهای تیتانیم باید در چنین دماهای بالایی مورد استفاده قرار گیرند .

تیتانیم میل ترکیبی زیادی با اکسیژن ، هیدروژن و نیتروژن دارد . تنها وجود چند ppm از این عناصر بین نشین در تیتانیم ، می تواند خواص مکانیکی را به شدت تغییر دهد . ضمنا ممکن است این تغییرات ریز ساختاری باعث ترد شدن شدید آلیاژ گردد . به همین دلیل است که جوشکاری تیتانیم ، امری مشکل بوده و نیاز به محافظت زیادی در برابر اتمسفر دارد . معمولا روش های پرتو الکترونی در خلا برای این آلیاژها به کار برده می شوند .