لینک پرداخت و دانلود *پایین مطلب*
فرمت فایل:Word (قابل ویرایش و آماده پرینت)
تعداد صفحه:115
فهرست مطالب:
-۱ کامپوزیتها چه هستند؟
ماده کامپوزیتی از ترکیب دو یا چند ماده ساخته می شود تا خواص ترکیبی بی نظیری را ایجاد کند . البته بیان فوق یک تعریف کلی است و می‌تواند آلیاژهای فلزی، پلیمرهیا پلاستیکی ،مواد معدنی . چوب را در بگیرد. «مواد کامپوزیتی مسلح شده با الیاف» با مواد فوق فرق دارند. زیرا اجزای سازنده‌ی این مواد از نظر مولکولی با هم فرق دارند و بصورت مکانیکی قابل جدا شدن هستند. بطور کلی اجزای تشکیل دهنده‌ی مسلح شده با عم عمل می‌کنند، اما در عین حال شکل اصلی خود را حفظ می کنند. خواص نهایی مادهی کامپوزیتی از خواص مواد تشکیل دهنده‌ی آن به مراتب بهتر است.
ایده ساخت کامپوزیتها توسط بشر کشف نشد، بلکه این مواد در طبیعت وجود دارند. برای مثال چوب که از ترکیبی از الیاف سلولزی در زمینه چسبی به نام لیگنین تشکیل شده است، یک کامپوزیت است. صدف جانوران بی‌مهره مثل حلزون و صدف خوراکی مثال دیگری از کامپوزیتها است. بعضی از پوسته صدفها از کامپوزیت‌های پیشرفته‌ای که بدست بشر ساخته شده، سختتر و محکمتر است. دانشمندان کشف کرده‌اند الیاف که از شبکه تار عنکبوت بدست می‌آیند از الیافی که بطور مصنوعی تولید میشوند، محکمتر است. در هند،یونان و دیگر کشورها، صدها سال بود که از مخلوط سبوس یا کاه با خاک رس برای ساختمان‌سازی استفاده می شد. مخلوط سبوس و خاک اره با خاک رس مثالی از «کامپوزیت با ذرات ریز» و مخلوط خاک رس با کاه نمونه ای از «کامپوزیت الیاف کوتاه» است. این مواد مسلح کننده برای بهبود کارائی کامپوزیت اضافه می شود.
مفهوم اصلی کامپوزیت به معنی دارا بودن یک ماده زمینه‌ای (ماتریس) مناسب است. معمولاً مواد کامپوزیتی بوسیله الیاف مسلح کننده دریک زمینه رزیتی ساخته میشوند. مسلح کننده‌ها می‌توانند الیاف، ویسکرها و .. بوده و زمینه می‌تواند از جنس فلزات، سرامیکها یا پلاستیکها باشند.
مسلح کننده‌ها می‌توانند از پلیمرها،پلاستیکها، و فلزات ساخته شوند. الیاف می‌توانند بصورت بهم پیوسته، زنجیره‌های بلند یا کوتاه باشند. کامپوزیت‌هایی که با زمینه پلیمری ساخته میشوند، رایج‌تر هستند و بطور وسیع در صنایع مختلف بکار می‌روند. در این کتاب کامپوزیت‌هایی که زمینه‌ی آنها از جنس رزین برپایه پلیمری است، بررسی می شوند. این مواد می‌توانند جزء «رزیتهای ترموست» یا «رزینهای ترموپلاستیک» باشند.
بافت یا الیاف مسلح کننده باعث استحکام و سختی کامپوزیت می شود. در حالیکه زمینه سبب سختی و مقاومت به خوردگی کامپوزیت می گردد. الیاف مسلح کننده می‌تواند بصورت شکلهای مختلفی از الیاف پیوسته بلند با بافتهای موجدار تا الیاف کوتاه تکه‌تکه و حصیری (درهم گیرکرده) وجود داشته باشند. هریک از این اشکال خواص مختلفی را ایجاد می‌کنند. این خواص شدیداً به روشی که الیاف در کامپوزیت قرار داده میشوند، بستگی دارد. دریک کامپوزیت تمامی شکلهای فوق‌الذکر و یا یکی از آنها می‌تواندت مورد استفاده قرار گیرد. موضوع مهمی که در مورد کامپوزیتها بایستی در نظر گرفته شود این است که الیاف نیرو تحمل می‌کند و لذا حداکثر استحکام
کامپوزیت در راستای محور الیاف است. وجود الیاف بلند پیوسته در جهت اعمال نیرو باعث می شود که خواص کامپوزیت کاملاً با خواص رزین متفاوت باشد. کامپوزیتی دارای الیاف به شکل بصورت تکه‌های کوچک است، خواص ضعیفتری نستب به کامپوزیتی که الیاف آن بصورت پیوسته است، از خود نشان میدهد. شکل الیاف برحسب نوع کاربرد (مهندسی یا غیرمهندسی) و روش ساخت انتخاب می شود . برای کاربر دهای مهندسی (ساختمانی)، الیاف پیوسته یا بلند پیشنهاد می شود. در حالیکه برای کاربردهای غیرمهندسی (غیرساختمانی) الیاف کوتاه انتخاب می شود. در ریخته‌گری تزریقی و ریخته‌گری تحت فشار از الیاف کوتاه، در حالیکه در تابیدن تارها،بسته‌بندیهای رولری و پولتروژن از الیاف پیوسته استفاده می شود.
۳-۱ نحوه عملکرد الیاف و زمینه
ماده کامپوزیتی با مسلح کردن پلاستیکها توسط الیاف تشکیل میشوند برای درک بهتر رفتار کامپوزیتها، باید اطلاعات دقیقی از نقش الیاف و مواد زمینه در کامپوزیتها در دسترس باشد،مهمترین وظایف الیاف و زمینه کامپوزیتها بشرح زیر است:
وظایف مهم و اصلی الیاف در کامپوزیتها عبارتند از:
تحمل بار و نیرو؛ در یک کامپوزیت ساختمانی(مهندسی) ۷۰% تا ۹۰% نیرو توسط الیاف تحمل می شود.
سختی، استحکام، پایداری گرمایی و بقیه‌ی خواص ساختاری در کامپوزیتها به الیاف آن بستگی دارد.
هدایت الکتریکی یا عایق بودن کامپوزیت، به نوع الیاف مورد استفاده در آن بستگی دارد.
زمینه (مادهی زمینه) وظایف زیر را در ساختار کامپوزیت انجام میدهد. بسیاری از این وظایف برای عملکرد مطلوب یک مادهی کامپوزیت ضروری است. الیاف موجد در زمینه و یا خود الیاف به تنهایی بدون حضور مادهی زمینه و یا یک چسب بندرت استفاده می شود. وظایف مهم زمینه کامپوزیت شامل موارد زیر است.
زمینه؛ الیاف را به هم پیوند میدهد و بار وارده به کامپوزیت را به الیاف را منتقل می‌کند. زمینه، به ساختار ماده ی کامپوزیتی سختی،یکپارچگی و شکل می‌بخشد.
زمینه؛ الیاف را ایزوله می‌کند. بطوریکه تکه‌تکه الیاف می‌توانند به طور جداگانه نقش خود را ایفا کنند. این عمل تجمع آنها را کاهش داد ویا آن را متوقف می‌کند.
زمینه؛ سطحی با کیفیت پرداخت خوب بوجود آورده و کمک می‌کند که محصول دارای شکل نهایی یا نزدیک به آن باشد.
زمینه از الیاف در مقابل هجوم شیمیایی و آسیبهای مکانیکی (سایش) محافظت می‌کند.
خواص شکل دهد از قبیل : انعطاف پذیری، استحکام فشاری و … به نوع ماده زمینه بستگی دارد. زمینه انعطاف‌پذیر باعث افزایش چقرمگی ساختار می شود و در جائیکه به چقرمگی بیشتری نیاز باشد از کامپوزیتها با زمینه ترموپلاستیک استفاده می شود.
نحوه شکست مادهی کامپوزیت، نه تنها بشدت به نوع مادهی زمینه‌ی بستگی دارد، بلکه به میزان سازگاری آن با الیاف نیز وابسته است.
۴-۱ مزایای خاص کامپوزیتها
معمولاً، کامپوزیتها برای کاربردهایی که کارآیی زیاد و وزن کم لازم است، طراحی و ساخته میشوند. این مواد دارای مزایای بسیار زیادی نسبت به مواد مهندسی سنتی هستند که در زیر شرح داده می شود:
۱) مواد کامپوزیتی قابلیت یکپارچه کردن اجزا را دارند،چند جزء فلزی مختلف می‌تواند با یک کامپوزیت جایگزین شود.
۲) با قرار دادن سنسورهایی در ساختارهای کامپوزیتی می‌توان آنها را به سرویسهای ردیابی مجهز کرد .از این امکان برای آشکارسازی آسیب ناشی از خستگی در ساختار هواپیما استفاده می شود و نیز می تواند برای ردیابی جریان رزین در فرایند RTM (قالب‌گیری رزین) استفاده گردد. مواد دارای سنسور، را مواد هوشمند می‌نامند.
۳) مطابق جدول (۱-۱) کامپوزیت‌های سختی ویژه‌ی (نسبت سختی به دانسیته) بالایی دارند. کامپوزیتها دارای سختی فولاد، با یک پنجم وزن آن و دارای سختی آلومینیوم، با یک دوم وزن آن هستند.
۴) استحکام ویژه‌ی (نسبت استحکام به چگالی) کامپوزیتها بسیار بالا است. به همین دلیل هواپیما و اتومبیل سریعتر حرکت کرده و سوخت کمتری مصرف می کنند. استحکام ویژه‌ی کامپوزیتها ۳ تا ۵ برابر آلیاژهای فولاد و آلومینیوم است. به دلیل سختی ویژه و استحکام ویژه‌ی بالاتر، قطعات کامپوزیتی وزن کمتری نسبت به قطعات مشابه دارند.
۵) استحکام خستگی (حد دوام) کامپوزیتها بسیار بالا است. آلیاژهای فولاد و آلومینیوم دارای حد خستگی خوبی در حدود ۵۰% استحکام استاتیکی خود هستند. کامپوزیت‌های کربن/اپوکسی با الیاف همجهت دارای استحکام خستگی بالایی نزدیک به ۹۰% استحکام استاتیکی خود می باشد.
۶) کامپوزیتها مقاومت به خوردگی خوبی دارند. آهن و آلومینیوم در حضور آب و هوا خورده میشوند لذا احتیاج به پوشش و آلیاژ خاص دارند. اما لایه‌ی بیرونی کامپوزیتها از پلاستیک است، لذا مقاومت شیمیای و مقاومت به خوردگی آنها بسیار خوب است.
۷) زمینه‌ی کامپوزیتها بسیار انعطاف‌پذیر است. برای مثال ضریب انبساط گرمایی (CTE) ساختار کامپوزیت را می‌توان با انتخاب یک مادهی مناسب برای زمینه و روی هم قرار گرفتن پیوسته (متوالی) الیاف آن به صفر رساند. از طرفی چون CTE کامپوزیتها از فلزات بسیار کمتر است، ساختار کامپوزیتها پایداری ابعاد خوبی دارند.
۸) شکل نهایی قطعه یا نزدیک به شکل نهایی را می‌توان با مواد کامپوزیتی ایجاد کرد. این مزیت کامپوزیتها باعث کاهش عملیات ماشین کاری و یا حذف آن می شود و درنتیجه زمان انجام فرایند و قیمت آن را کاهش میدهد.
۹) ساخت قطعات با شکلهای پیچیده و طرحهای خاص که بعضی مواقع توسط فلزات امکان‌پذیر نیست، با استفاده از کامپوزیتها بدون نیاز به پرچکاری یا جوشکاری اجزای مختلف می‌تواند صورت گیرد . این موضوع ضریب اطمینان قطعه را افزایش داده و زمان تولید را کاهش میدهد. همچنین عملیات ساخت راعملی‌تر می‌کند.
۱۰) کامپوزیتها از روشهای طراحی برای ساخت (DF,) و طراحی برای مونتاژ (DFA) را امکان‌پذیر وعملی می‌کند. این روشها کمک می‌کنند که تعداد اجزا محصول به حداقل برسد و در نتیجه باعث کاهش زمان اتصال و مونتاژ میشوند. با کاهش تعداد اتصالات، قطعه با اجزای با استحکام بالا و قیمت پایین ساخته می شود. با کاهش زمان و هزینه‌ی مونتاژ، سوددهی افزایش می‌یابد. تکنیکهای DFM و DFA در فصل ۵ شرح داده میشوند.
۱۱) کامپوزیتها دارای خواص ضربه‌ای خوبی هستند. کامپوزیت‌های شیشه و کولار دارای استحکام ضربه‌ای بیشتری نسبت به فولاد و آلومینیوم هستند. در بین کامپوزیت‌های ترموپلاستیک، خواص ضربه‌ای «کامپوزیت نایلون (NylonLG 60) » شامل ۶۰% الیاف شیشه‌ای بلند، «کامپوزیت نایلون ۶۶ (NylonSG 40) » شامل ۴۰% الیاف شیشه‌ای کوتاه «کامپوزیت پلی پروپیلن (PPLG40) » شامل ۴۰% الیاف شیشه‌ای بلند «کامپوزیت پلی پروپیلن (PPSG40)» شامل ۴۰% الیاف شیشه‌ای کوتاه، «کامپوزیت PPS (PPSLG 50)» شامل ۵۰% الیاف شیشه‌ای بلند و «کامپوزیت پلی‌اروتان (PULG60)» شامل ۶۰% الیاف شیشه‌ای بلند آمده است. الیاف شیشه‌ای بلند ۳ تا ۴ برابر خواص ضربه‌ای را نسبت به الیاف شیشه‌ای کوتاه افزایش می‌دهند.
۱۲) ویژگیهای صوتی، ارتعاشی و خشنی (زبری) (NEH) کامپوزیتها از فلزات بهتر است. کامپوزیتها ارتعاشات را بهتر از فلزات از بین می‌برند. این ویژگی کاربردهای مختلفی همچون لبه انتهایی هواپیما تا چوب گلف دارد.
۱۳) با استفاد هاز روشهای طراحی و ساخت مناسب،می‌توان قطعات کامپوزیتی کارآمد و مؤثرتری تولید کرد. کامپوزیتها این اجازه را به ما می‌دهند که آزادی عمل زیادی در طراحی قطعات داشته باشیم بطوریکه کارایی محصول حفظ شده و از طراحی اضافی خودداری شود. این عمل با تغییر جهت الیاف، نوع الیاف و یا سیستمهای رزینی حاصل می گردد.
۱۴) کامپوزیت‌های فنولیک مسلح شده با شیشه وآرامید دارای خواص لازم برای JAR و FAA برای کاهش دوم و سموم هستند. از این مزیت در کانالهای داخلی هواپیما،انبارها،دیوارهای آشپزخانه کشتی و … استفاده می شود.
۱۵) کامپوزیتها در فشار و دمای کمتری نسبت به فلزات تولید میشوند، لذا قیمت ابزار و تجهیزاتی که برای مراحل ساخت کامپوزیتها لازم است. از ابزار مورد نیاز برای ساخت فلزات ارزانتر است. با توجه به کاهش پیوسته‌ی عمر تولید محصولات، این موضوع امکان تغییر طرح را در بازار رقابتی امروز به وجود می‌آورد.
۵-۱ معایب کامپوزیتها
اگرچه کامپوزیتها مزایای بسیاری دارند،اما دارای معایبی زیر هستند:
۱) قیمت مواد مصرفی در کامپوزیتها در مقایسه با موادی که برای تولید آلومینیم و فولاد به کار می‌روند، بسیار گرانتر است. برمبنای وزن قطعات، قیمت مواد مصرفی در کامپوزیتها تقریباً ۵ تا ۲۰ برابر از آلومینیوم و فولاد گرانتر است. برای مثال : قیمت الیاف شیشه‌ای ۱ تا ۸ برپوند، قیمت الیاف کرفن ۴۰-۸۰ دلار برپوند، قیمت اپوکسی ۵/۱ دلار برپوند، قیمت شیشه/اپوکسی ۱۲ دلار بر پوند و قیمت کربن /اپوکسی ۱۲-۶۰ دلار برپوند است. در حالیکه قیمت فولاد ۲/۰ تا ۱ دلار بر پوند و قیمت آلومینیوم ۶/۰ تا ۱ دلار برپوند می باشد.
۲) در گذشته از کامپوزیت ها برای ساختن ساختارهای بزرگ با تعداد کم (یک تا سه قطعه درهر روز) استفاده می شد. فقدان روشهای تولید انبوه. استفاده‌ی گسترده و وسیع از کامپوزیتها را محدود می‌کرد. اخیراً روشهای پولتروژن، (FTM) ، (SRIM)، (SMC)، و تابیدن تارها برای افزایش سرعت تولید،بصورت خودکار مورد استفاده قرار می گیرند. روزانه بین ۱۰۰ تا ۲۰۰۰۰ قطعه اتومبیل تولید می شود. بعنوان مثال، ظرفیت کارخانه‌ی ماشین سازی کرویت ۱۰۰ ماشین در روز و ظرفیت کارخانه‌ی ماشین‌سازی فوردتاروس ۲۰۰۰ ماشین در روز است. شرکتهای زنجیر‌ه‌ای قایقرانی مثل دلفی سگیناو و تی‌اردبلیو بیش از ۲۰۰۰ قایق در روز با مدلهای مختلف تولید می کنند. همچنین، کالاهای ورزشی از قبیل چوب گلف ۱۰۰۰۰ قطع در روز تولید میشوند.
۳) روشهای کلاسیک طراحی محصولات فلزی، در کتابهای راهنمای (هند بوکها) ماشین‌کاری، اطلاعات درباره فلزات و کتابهای راهنمای طراحی ارائه می شود. اطلاعات زیادی در مورد طراحی فلزات در دسترس است، اما به دلیل فقدان اطلاعات اساسی درباره‌ی کامپوزیتها چنین کتابهایی برای طراحی قطعات کامپوزیتی وجود ندارد.
۴) مقاومت گرمایی قطعات کامپوزیتی به مقاومت زمینه‌ی کامپوزیت در برابر حرارت بستگی دارد. چون در زمینه‌ی اکثر کامپوزیتها از مواد پلیمری استفاده میشود، مقاومت در برابر حرارت کامپوزیت به خواص پلاستیکی آن محدود می شود. بطور متوسط کامپوزیتها در محدوده دمایی C ْ۴۰- تا C ْ۱۰۰+ کار می‌کنند . در محدوده دمایی بالاتر ،بین Cْ۱۵۰+ و Cْ۲۰۰+ از پلاستیک‌های مقاوم در برابر حرارت از قبیل اپوکسی‌ها، بیس آلمیدها و پیک (PEEK) استفاده میشود. در جدول (۱-۲) حداکثر دمای کاربرد مداوم پلیمرهای مختلف آمده است.
۵) مقاوت در برابر حلالها، مقاومت شیمیایی و ترک ناشی از تنشهای محیطی کامپوزیتها ،به خواص پلیمرها بستگی دارد. بعضی از پلیمرها دارای مقاومت کمی در برابر حلالها و ترک ناشی از نتشهای محیطی هستند.
۶) کامپوزیتها رطوبت را جذب می کنند. این موضوع خواص و پایداری ابعادی کامپوزیتها را تحت تأثیر قرار میدهد.
۶-۱ فرآوری کامپوزیتها
فرایند تولید کامپوزیتها ،علم تغییر شکل مواد از یک شکل به شکل دیگر است. چون در کامپوزیتها دویا چند ماده مختلف وارد می شود، لذا روشهای تولید کامپوزیتها با فرایند تولید فلزات بسیار متفاوت است. روشهای گوناگونی برای تولید انواع مختلفی از مواد مسلح کننده و رزین‌ها وجود دارد. کار مهندس تولید، اتنخاب صحیح فرایند تولید و تعیین شرایط تولید با توجه به قابلیت کارآیی مناسب،سرعت تولید و قیمت تجهیزات مورد استفاده است. مهندس باید قضاوت درستی در انتخاب فرایند داشته باشد تا با کمترین هزینه بهترین کار را به انجام برساند. برای این کار مهندسین باید اطلاعات مفیدی از مزایا، معایب و محدودیتهای هر فرایند داشته باشند. این کتاب، روشهای مختلف ساخت را که معمولاً در تولید کامپوزیتها ترموست و ترموپلاستیک به کار می‌روند و نیز شرایط تولید،مراحل سات، محدودیتها ومزایای هر روش تولید را بررسی می‌کند. این روشها در فصل ۶ توضیح داده شده‌اند.
۷-۱ ساخت محصولات کامپوزیتی
محصولات کامپوزیتی با تغییر شکل مواد اولیه به شکل نهایی توسط یک فرایند‌های ساخت مشروح در بخش (۶-۱) تولید می شوند. مصولاتی که بدین گونه ساخته می شوند، ابتدا ماشین‌کاری می شوند و سپس متناسب با کاربرد لازم به بقیه‌ی اجزا متصل می‌گردند. ساخت محصول نهایی به چهار مرحله‌ی زیر تقسیم می شود:
۱) شکل دهی: در این مرحله، مواد اولیه به شکل و اندازه خاص تبدیل میشوند. عمل شکل‌دهی معمولاً تحت فشار و حرارت انجام می شود. تمامی روشهای ساخت کامپوزیتها در بخش (۶-۱)، دراین گروه قرار دارند. عملیات شکل‌دهی کامپوزیتها در فصل ۶ بطور کامل و همراه با جزئیات شرح داده شدهاست.
۲) ماشین کاری: عملیات ماشین‌کاری برای حذف مواد اضافی یا غیر مطلوب بکار می‌رود. عملیات سوراخ کاری، تراش‌کاری، برش کاری و سنگ‌زنی در این گروه قرار دارند. ابزار و شرایط لازم برای عملیات ماشین‌کاری کامپوزیتها نسبت به فلزات متفاوت است. ماشین‌کاری کامپوزیت ها در فصل ۱۰ بررسی شده است.
۳) اتصال و مونتاژ: انجام اتصال و مونتاژ اجزا، بمنظور بستن (جفت کردن) اجزای مختلف به یکدیگر برای تولید محصول با کیفیت مطلوب انجام می‌گیرد. اتصالات چسبی، ذوبی ،اتصالات مکانیکی و … معمولاً برای مونتاژ قطعه به کار می رود. عملیات مونتاژ وقت‌گیر و گران قیمت است. لذا سعی می شود تا حدامکان برای کاهش قیمت محصول، مرحله مونتاژ و اتصال اجزاء حذف شود. همانطوریکه کاملاً در فصل ۵ توضیح داده شده است، این عمل بوسیله یکپارچه شدن اجزاء امکان‌پذیر است. عملیات اتصال و مونتاژ که برای شکل‌دهی محصولات کامپوزیتی به کار می روند، در فصل ۹ توضیح داده است.
۴) پرداخت کاری: عملیات پرداخت به دلایل مختلفی از قبیل: به‌سازی ظاهر محصول،حفاظت محصول در برابر آسیب محیطی، بوجود آوردن یک پوشش مقاوم به سایش و یا یک پوشش فلزی شبیه به فلز صورت می‌گیرد. شرکتهای تولید کننده چوب گلف، به منظور بهبود ظاهر و زیباشدن نمای چوب گلف، از چوبهای کامپوزیتی روکش‌دار و رنگ‌دار استفاده می کنند.
لازم نیست که تمامی عملیات ذکر شده در بالا در یک شرکت تولیدی انجام شود. بعضی مواقع محصولی که در یک شرکت ساخته می شود. برای انجام عملیات بعدی به شرکتی دیگر فرستاده می شود. به عنوان مثال: شفت اتومبیل که در یک شرکت میل لنگ‌سازی ساخته میشود،برای مونتاژ برروی محصول نهایی، به شرکت سازنده اتومبیل (خط ۱ یا خط ۲) فرستاده می شود و سپس به شرکتهای سازنده تجهیزات اصلی فروخته می شود. در بعضی موارد، محصولاتی از قبیل: چوبهای گلف، راکتهای تنیس، قلابهای ماهیگیری و …دریک شرکت ساخته شده و مستقیماً به توزیع کننده برای استفاده مصرف کننده فرستاده میشوند.
مواد
حداکثر دمای استفاده مداوم (Cْ)
ترموست‌ها
وینلی لستر ۱۵۰-۸۰
پلی استر ۱۵۰-۶۰
فنولیک ۱۵۰-۷۰
اپوکسی ۲۱۵۰-۸۰
سیانات استر ۲۵۰-۱۵۰
بیس آلمید ۳۲۰-۲۳۰
ترموپلاستیک‌ها
پلی اتیلن ۸۰-۵۰
پلی پروپیلن ۷۵-۵۰
استال ۹۵-۷۰
نایلون ۱۰۰-۷۵
پلی استر ۱۲۰-۷۰
PPS 220-120
PEEK 250-120
تفلون ۲۶۰-۲۰۰
۸-۱ بازارهای کامپوزیت (تجارت کامپوزیت)
دلایل زیادی برای افزایش کاربرد کامپوزیتها وجود دارد. ولی انگیزه اصلی برای استفاده از محصولاتی که از کامپوزیتها ساخته می شوند، محکمتر و سبکتر بودن این محصولات است. هم اکنون تمامی صنایع از مزایای کامپوزیتها آگاهی دارند و مشکل است. بتوان صنعتی را پیدا کرد که از این فواید اطلاع نداشته باشد. امروزه صنایع حمل و نقل مصرف‌کنندگان اصلی کامپوزیتها هستند. بطوریکه در سال ۲۰۰۰ میلادی، بالغ بر ۳/۱ میلیون پوند کامپوزیت بمصرف رسانده‌اند. مواد کامپوزیتی در بسیاری از صنایع استفاده می شود.
در سه یا چهار دهه گذشته. تغییرات بنیادی در فنآوری کامپوزیتها و نیازهای آن صورت گرفته است. این تغییرات محیطی، نیازها و فرصتهای جدیدی را بوجود آورد که تنها با پیشرفت در مواد جدید و بکارگیری فنآوری پیشرفته امکان‌پذیر است.
در دهه ی گذشته، روشهای پیشرفته ی ساخت مواد و سیستم ها و دستگاه‌های مربوط به کامپوزیتها رشد چشمگیری داشته‌اند تا نیازهای بازارهای مختلف را برطرف سازند. با توجه به مزایا و سوددهی این صنعت، بسیاری صنایع بر روی کامپوزیتها سرمایه‌گذاری کرده‌اند. توسعه وافزایش استفاده از کامپوزیتها به دلیل کاهش قیمت الیاف و کاهش هزینه‌های مربوط به روشهای ساخت خودکار (اتوماتیک) و روشهای تولید انبوه بوده است. بعنوان مثال، قیمت الیاف کربن از ۱۵۰ دلار بر پوند در سال ۱۹۷۵ به ۸ دلار بر پوند در سال ۲۰۰۰ کاهش یافت. این کاهش قیمت به دلیل توسعه ی روشهای تولید کم هزینه و افزایش مصرف صنایع صورت گرفته است.
در پایان. می توان بازارهای فروش مواد کامپوزیتی را به گروههایی از قبیل : صنایع هواپیماسازی، صنایع اتومبیل سازی، ساختمان‌سازی، صنایع دریایی، سازندگان تجهیزات مقاوم به خوردگی، سازندگان کالاهای مصرفی، تجهیزات کاربردی، تجاری و غیره طبقه‌بندی کرد
.
۱-۸-۱ صنعت هواپیما سازی
صنعت هواپیماسازی از نخستین صنایعی بود که مزایای استفاده از کامپوزیتها را درک کرد. به کمک کامپوزیتها هواپیماها، موشکها و پرتابه‌ها سریعتر ومسافت طولانی‌تری را پرواز کردند. معمولاً کامپوزیت‌های با الیاف شیشه ای، کربن وکولار برای ساخت قطعات هواپیما طراحی میشوند. عموماً صنعت هواپیماسازی از کامپوزیت‌هایی با الیاف کربن به دلیل ویژگی برجسته و کارایی بالا استفاده می‌کند. روش لایه‌گذاری دستی یک روش عمومی برای ساخت قطعات هواپیما است. همچنین از روشهای RTM و تابیدن تارها استفاده می شود.
در سال ۱۹۹۹، صنعت هواپیماسازی ۲۳ میلیون پوند کامپوزیت مصرف کرد. در هواپیماهای نظامی از قبیل: F-11 و F-14 و F-15 و F-16 جهت کاهش وزن بدنه هواپیما از کامپوزیتها استفاده شده است. قطعات کامپوزیتی که در هواپیماهای جنگی فوق‌الذکر استفاده میشوند،عبارتند از دم‌های افقی و عمودی، رویه بال، جعبه‌های بالابر،درب‌ها و قطعات بدنه هستند که در جدول (۳-۱) نشان داده شده‌اند. استفاده از قطعات فوق‌الذکر باعث کاهش ۲۰% تا ۳۵% وزن کلی هواپیما می شود. کاهش وزن در هواپیماهای جنگی و موشکها باعث افزایش ظرفیت حمل بار می شود.
سبکی و تلرانس ابعادی قطعات مورد استفاده در صنایع هواپیمایی از دلایل اصل کاربرد کامپوزیتها در این صنعت است. در لایه‌های پایین جو (LEO) ، جائیکه تغییرات دما بین Cْ۱۰۰- تا Cْ۱۰۰+ است،برای محافظت از بدنه و عکس‌العمل سایر اجزاء باید پایداری ابعادی وجود داشته باشد. کامپوزیت اپوکسی کربن بصورت ورقه‌ای طراحی می شود تا ضریب انبساط حرارتی اجزاء و قطعات به صفر برسد. در شاتل فضایی، کامپوزیتها باعث کاهش وزنی معادل ۲۶۸۸ پوند در این سفیه شدند.
درهواپیماهای مسافری مثل بوینگ ۷۴۷ و ۷۶۷ ، برای کاهش وزن هواپیما، کاهش مصرف سوخت و افزایش ظرفیت حمل بار از قطعات کامپوزیتی استفاده می شود. کامپوزیت‌های مورد استفاده در این هواپیماها در جدول (۳-۱) آمده است.
۲-۸-۱ صنعت اتومبیل سازی (خودرو)
(جدول ۳-۱) قطعات کامپوزیتی مورد استفاده در هواپیما
قطعات کامپوزیتی
جنگنده F-14 درب‌ها، دم‌های افقی، پوششهای آیرودینامیک،رویه‌های تثبیت‌کننده
جنگنده F-15 پره‌ها،سکان‌ها، دم‌های افقی، ترمزها، رویه‌های تثبیت کننده.
جنگنده F-16 دم‌های عمودی و افقی، پره اصلی بال، رویه‌های رویی جعبه و پره عمودی.
بمبن افکنB-1 درب‌ها، دم‌های عمودی وافقی، بال ها، راههای ورودی
هواپیمای AV-8B درب‌ها، سکان‌ها، دم‌های عمودی وافقی، قسمتهای متحرک بال هواپیما، بال ها، پوششهای آئرودینامیک، جعبه پرده
بوینگ۷۳۷ لرزه‌گیرها، تثبیت کنند‌ه‌های افقی، بال‌ها.
بوینگ ۷۵۷ درب‌ها، سکانه‌ها،بالابرها،قسمتهای متحرک بال هواپیما، لرزه‌گیرها، بال‌ها. پوششهای آئرودینامیک.
بوینگ ۷۶۷ درب‌ها، سکانه‌ها، بالابرها، قسمتهای متحرک بال هواپیما، لرزه‌گیرها، پوششهای آئرودینامیک.
مواد کامپوزتیی به عنوان یک «مادهی منتخب» در بعضی کاربردهای صنعت اتومبییل سازی، به دلیل داشتن سطح نهایی مرغوب به کار می‌روند. سازندگان اتومبیل با استفاه از کامپوزیتها قادر هستند، ظاهر، قیمت و کارایی اتومبیل را بنحو مطلوب تغییر دهد. امروزه استفاده از بدنه‌های از جنس کامپوزیت، در همه نوع اتومبیل از اتومبیل‌های ورزشی واتومبیل‌های مسافربری گرفته تا کامیون‌های سنگین، متوسط و کوچک موفقیت‌آمیز بوده است. بطوریکه درسال ۲۰۰۰ میلادی ،صنایع اتومبیل‌سازی ۳۱۸ میلیون پوند کامپوزیت بمصرف رساند.
چون بازارهای اتومبیل نسبت به قیمت بسیار حساس هستند،کامپوزیت‌های با الیاف کربن به دلیل قیمت‌های بالای مواد آنها هنوز قابل قبول نیستند. در صنایع اتومبیل سازی از کامپوزیت‌های مسلح شده با الیاف شیشه ای استفاده می شود. در جدول (۴-۱) مقدار متوسط کامپوزیت‌های مصرف شده در اتومبیل با نوع ماده زمینه و روشهای ساخت آنها آمده است.
۳-۸-۱ صنعت کالاهای ورزشی
وسایل ورزشی و تفریحی مصرف کنندگان اصلی مواد کامپوزیتی هستند. علت افزایش میزان مصرف کامپوزیتها در وسایل ورزشی و قایق‌های مسابقه‌ای کارآیی فوق‌العاده آنها است. اگر از یک فروشگاه وسایل ورزشی بازدید کنید، حتماً محصولاتی نظیر چوبهای گلف، راکتهای تنیس، اسکی‌های روی برف، قلابهای ماهیگیری و… در آنجا خوا هید دید،این وسایل مواد کامپوزیتی ساخته شده‌اند. اینگونه کالاها سبکتر هستند و کارآیی بیشتری دارند و باعث می شود که مصرف کننده آن را بهتر در دست گرفته و در استفاده از آن راحت‌تر باشد.
کاربردها مقداراستفاده
(Kg106) مواد زمینه مقدار استفاده
(kg 106) فرایند ساخت مقدار استفاده (kg 106)
تیرهای ضرب‌گیر ۴۲ پلی‌استر (TS) 42 SMC 40
صندلی/کف بارگذاری ۱۴ پلی پروپیلن ۲۲ GMT 20
کلاهک دودکش ۱۳ پلی کربنات/PBT 10 قالب‌گیری تزریقی ۱۳
نگهدارنده رادیاتور ۴ پلی اتیلن ۴ قالب کیسه‌ای خارجی ۵
سقف بدنه ۴ اپوکسی ۴ تارهای پیچیده شده ۳
دیگر موارد ۱۱ دیگر موارد ۷ دیگر موارد ۸
جمع کل ۸۹
جمع کل ۸۹ جمع کل ۸۹
هزینه تمامی کالاهای ورزشی مصرفی در آمریکا در سال ۱۹۹۹ (شامل گلف، هاکی، بسکتبال، بیس بال، تنیس و …) که توسط شرکت سازنده ی کالاهای ورزشی (نورس پالم بیچ، فلوریدا) گزارش شده است، حدود ۳۳/۱۷ میلیارد دلار تخمین زده شده است.
بازار وسایل نقلیه تفریحی (از قبیل دوچرخه، موتورسیکلت، قایق تفریحی، قایق موتوری، دوچرخه‌ی آبی اسنومبیل و RVS) که ۳۷/۱۷ میلیارد دلار تخمین زده شده، در سال ۱۹۹۸ بالغ بر ۳۹/۱۵ میلیارد دلار بوده است. فروش کلی گلف در سال ۱۹۹۹ ، ۶۶/۲ میلیارد دلار شالم توپها، چوب گلف و … بوده است. یک سوم آن مربوط به چوبهای گلف است. هزینه های مربوط به هاکی و ا سکیت روی یخ ۲۲۵ میلیون دلار، تخته‌های برفی ۱۸۳ میلیون،و اسکی روی برف ۳۰۳ میلیون دلار تخمین زده شده است که همگی در سال ۱۹۹۹ به فروش رسیده اند. هیچتگونه آماری واقعی در دست نیست که بیان کند در کالاهای ورزشی ذکر شده چه مقدار کامپوزیت مصرف شده است. در آمریکای شمالی سالانه ۶ میلیون چوب هاکی از جنس کامپوزیت ساخته میشود، این رقم ۱% تا ۳% بازار کامپوزیت را شامل میشود. (میزان خرده فروشی چوبهای هاکی ۶۰ تا ۱۵۰ دلار است) {۴} . در سال ۱۹۹۰ ، فروش «شرکت تجارتی کایت سانفرانسیسکو» حدود ۲۱۵ میلیون دلار تخمین زده شده است که عموماً محصولاتشان با تیوپهای کامپوزیتی پیچیده شده رولی یا تیوپهای کامپوزیتی پولترود ساخته شده‌اند. مصرف بدنه و اجزای کامپیوتری در دوچرخه ها حدود نیم میلیون قطعه یا حدود ۶۰۰۰۰۰ پوند از ماده جهانی را نشان میدهد، که قیمت آن معادل ۳۰۰۰ تا ۵۰۰۰ دلار بازای هر واحد است {۴}.
۴-۸-۱ کابردهای دریایی
بدلیل مقاومت به خوردگی کامپوزیتها،این مواد در قایق‌های مسافربری، قایق‌های قدرتی، گوی‌های شناور و … استفاده میشوند. وزن کم کامپوزیتها باعث کاهش مصرف سوخت، افزایش سرعت مسافرتهای دریایی و افزایش ظرفیت حمل بار می شود. قسمت عمده این کامپوزیتها با استفاده از پلاستیک‌های مسلح شده بوسیله‌ی شیشه (GRP) که درون قطعه بشکل حبابهای ریز شش گوش است، ساخته میشوند. براساس گزارشی که صنعت دریایی از ۳۶۱ بازار فروش تهی کرد {۵} ، حدود ۷۰% اجزای قایق های تفریحی از مواد کامپوزیتی ساخته شده است . برطبق این گزارش فروش سالیانه قایق‌های خانگی در آمریکا ۸۵/۸ میلیارد دلار و میزان فروش کامپوزیت مصرفی در صنعت کشتی‌سای جهان ۶۲۰ میلیون پوند در سال ۲۰۰۰ تخمین زده شده است.
همچنین از کامپوزیتها برای ساخت لوله‌های مصرفی در دریا برای استخراج گاز و نفت استفاده می شوند. انگیزه اصلی استفاده از کامپوزیت های GRP برای کاربردهای فوق الذکر، کاهش هزینه‌های نگهداری و کاهش هزینه ی نصب و نیز مقاومت به خوردگی و کارآیی مکانیکی است. مزیت دیگری که استفاده از اتصالات چسبی نسبت به جوشکاری دارد این است که نیاز به کار گرم قطعات را به حداق می‌‌‌رساند.
۵-۸-۱ کالاهای مصرفی
کامپوزیتها بطور وسیع در کالاهای مصرفی از قبیل: ماشینهای دوزندگی،درها، تیوپهای حمام، میزها، صندلی‌ها، رایانه ها، چاپگرها و … استفاده میشوند مهمترین و عمده‌ترین کامپوزیت‌هایی که در این رابطه استفاده می شوند، کامپوزیت‌های ساخته شده با الیاف کوتاه از طریق روش ریخته‌گری مثل ریخته‌گری تحت فشار، ریخته‌گری تزریقی، RTM و SRIM هستند.
۶-۸-۱ صنعت ساختمان سازی
صنعت ساختمان سازی و شهرسازی دومین مصرف کنندگان مهم کامپوزیت ها هستند. معماران و مهندسین ساختمان متفق‌القول هستند که در آینده، سازه‌های ساخته شده در آمریکا، مخصوصاً پل‌های موجود در راههای اصلی وضعیت بدی خواهند داشت. بطوریکه براساس اسناد ‹‹اداره مرکزی راه و ترابری آمریکا›› ، ۴۲% از پل‌های محلی احتیاج به مرمت دارند و بقیه متروک می‌گردند. دولت مرکزی تقریبا ۸۷ میلیارد دلار بودجه در ۲۰ سال آینده صرف نوسازی ساختمان‌ها نموده است. انگیزه اصلی استفاده از پلاستیک‌های مسلح شده با شیشه و کربن برای پل‌ها، کاهش هزینه‌های نصب، تعمیر و نگهداری و افزایش طول عمر و بهبود مقاومت به خوردگی و دوام پل‌ها است. از طرف دیگر، به دلیل نصب و تعمیر سریع ، ترافیک در جاده‌ها و معابر به حداقل خود می‌رسد.
استفاده کامپوزیت‌هایی از قبیل: کامپوزیت‌های اپوکسی/ شیشه،اپوکسی/ کربن، و آرامید/ اپوکسی در مطالعه، زمین لرزه و مسائل مربوط به زلزله علاوه بر رشد چشمگیر آن، بسیار موفقیت آمیز بوده است.
۷-۸-۱ کاربردهای صنعتی
استفاده از کامپوزیتها در کابردهای صنعتی مختلف توسعه یافته است. از کامپوزیتها در ساخت غلتک های صنعتی و شفتها برای صنعت چاپ و شفتهای متحرک صنعتی برای برجهای خنک کننده استفاده می شود.
بکارگیری کامپوزیتها با الیاف بافته (درهم رفته) برای موارد فوق‌الذکر بسیار مفید است. کامپوزیت‌های ساخته شده با الیاف کوتاه به روش ریخته‌گری تزریقی، در پیستونها، غلتک، پمپها و بوشها کاربرد دارند. همچنین از کامپوزیتها برای بهبود سختی، زمان پاسخگوی و کاهش استهلاک در ساختن بازوهای روبات استفاده می شود.
مواد اولیه برای ساخت قطعه
۱-۲ مقدمه
برای تولید قطعه، در هر روش ساخت از نوع خاصی ماده اولیه استفاده می شود. این ماده اولیه ممکن است ، برای یک روش ساخت مناسب باشد و در جایی دیگر همان ماده ممکن است ، برای روش ساخت دیگر مناسب نباشد.
به عنوان مثال، برای ساخت قطعه‌ای بشکل کروی از فرایند قالب‌گیری تزریقی مواد ترکیبی استفاده می شود، در صورتیکه از این روش نمی توان برای تابیدن تارها و یا فرایند پولتروژن استفاده کرد. دراثر موارد از تابیدن تراها و پولتروژن ،برای الیاف پیوسته و سیستمهای باز رزین مرطوب استفاده می شود. در فرایند تابیدن تارها، که برای ساختن چوب گلف،تیوبهای دوچرخه و سایر تولیدات مشابه استفاده می شود، به مواد پری‌پرگ نیاز است. از اینرو، برای ساخت محصولات کامپوزیتی،آگاهی داشتن از خواص مواد اولیه موجود بسایر ضروری و مهم است.
بطور کلی فرآیندهای ساخت کامپوزیتها را می توان به دو گروه، (۱) مواد کامپوزیت ترموست و (۲) مواد کامپوزیت ترموپلاستیک تقسیم کرد. ترموست‌ها موادی هستند که فقط یکبار جامد می شوند و مجدداً نمی‌توان آنها را ذوب کرد. درصورتیکه ترموپلاستیک‌ها موادی هستند، که فقط یکبار جامد می شوند و مجدداً نمی‌توان آنها را ذوب کرد. درصورتیکه ترموپلاستیک‌ها موادی هستند، که بعد جامد شدن می‌توان دوباره آنها را ذوب و مجدداً شکل دهی نمود. فرآور، سرمایه‌گذاری،قابلیت‌بازیابی، انبار کردن و کارآئی مواد ترموست و ترموپلاستیک دارای مزایا و معایب خاص خودشان هستند. در تمامی سیستمهای کامپوزیتی دو جزء اصلی، مانند تقویت‌کننده‌ها (استحکام دهنده) و رزین وجود دارد.
۲-۲ تقویت‌کننده ها (استحکام دهنده‌ها یا مسلح‌کننده‌ها)
تقویت کننده‌ها از اجزای مهم کامپوزیتها هستند . این اجزاء برای ایجاد سختی و استحکام در کامپوزیتها لازم هستند. تقویت‌کننده‌ها ساختاری میله‌ای شکل دارند. رایج‌ترین تقویت‌کننده‌ها، الیاف از جنس شیشه، کربن، آرامید و بر هستند. معمولاً قطر الیاف بین ۵ میکرون (۰۰۰۲/۰اینچ) تا ۲۰ میکرون (۰۰۰۸/۰ اینچ) است. قطر الیاف شیشه‌ای بین mتا m8، الیاف آرامیدی m5/12 و الیاف بر m100 است. بدلیل قطر کم، الیاف بسیار انعطاف‌پذیرند و به آسانی به شکلهای مختلف در می آیند. معمولاً الیاف برای کاربردهایی از قبیل تابیدن یا بافتن بصورت رشته‌ای (ایجاد الیاف بصورت تاروپود) ساخته می شود. سپس الیاف به دور ماسوره یا قرقره پیچانده شده و بصورت به بازار عرضه میشوند. دسته‌های مجتمع از الیاف تابیده شده را ‹‹ فیتیله›› و دسته‌های الیاف کربنی تابیده ندشه را ‹‹الیاف خام›› می‌نامند. در کامپوزیتها،استحکام و سختی توسط الیاف تأمین می شود و زمینه باعث یکپارچگی ساختمان کامپوزیت شده و همچنین نیرو را به الیاف منتقل می‌کند.
الیاف در مواد کامپوزیتی می‌تواند بصورتهای
مقاله در مورد بررسی کامپوزیت ها