صنعت كامپوزيت

مواد مرکب به خاطر داشتن وزن سبک ، همچنین حجمی مساوی با حجم آلیاژهای دیگر و خواص مکانیکی منحصر به فردی که ارائه می کنند در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از این مواد بیشتر در سازه های فضای  و صنایع هوایی استفاده می شود. مواد مرکب از دو جزء اصلی تشکیل شده اند: 1- فلز پایه 2- عامل تقویت کننده

بصورت کلی از فلزات با وزن کم به عنوان فلز پایه و همچنین از مواد سرامیکی به عنوان تقویت کننده استفاده می شود از مهمترین و معروفترین مواد مرکب می توان به ماده مرکب با زمینه آلومینیومی و تقویت کننده ذره ای کاربید سیلیکون اشاره کرد آلومینیوم و کاربید سیلیکون به علت نزدیک بودن دانسیت هایشان به یکدیگر می توانند خصوصیات عالی مکانیکی را در وزن کم بوجود بیاورند در این تحقیق نحوه ساخت این ماده مرکب از روش ریخته گری در قالب فلزی مورد بررسی قرار می گیرد و تاثیر دو فاکتور مختلف ، یک درصد وزنی تقویت کننده و دیگری سرعت هم زدن مخلوط مذاب بر روی خواص مکانیکی از جمله سختی و استحکام مورد بحث و بررسی قرار می گیرد نتایج حاصل شده به ما نشان می دهد که با اضافه کردن مواد سرامیکی به فلز پایه تغییرات ای در رفتار مکانیکی فلز پایه ایجاد می شود که در این پایان نامه به تفصیل به بررسی این رفتار می پردازیم .

مقدمه

استفاده از مواد کامپوزیت طبیعی، بخشی از تکنولوژی بشر از زمانی که اولین بناهای باستانی، کاه را برای تقویت کردن آجرهای گلی به کار بردند بوده است. مغولهای قرن دوازدهم، سلاح های پیشرفته ای را نسبت به زمان خودشان با تیر و کمان هایی که کوچکتر و قوی تر از دیگر وسایل مشابه بودند ساختند. این کمانها سازه های کامپوزینی ای بودند که به وسیله ترکیب زردپی احشام (تاندون)، شاخ، خیزران (بامبو) و ابریشم ساخته شده بودند که با کلوفون طبیعی[1] پیچیده می شد.این طراحان سلاح های قرن دوازدهم، دقیقاً اصول طراحی کامپوزیت را می فهمیدند. اخیراً بعضی از این قطعات موزه ای 700 ساله کشیده و آزمون شدند. آنها از نظر قدرت حدود %80 کمانهای کامپوزیتی مدرن بودند. در اواخر دهه 1800، سازندگان کانو قایق های باریک و بدون بادبان و سکان، تجربه می کردند که با چسباندن لایه های کاغذ محکم کرافت[2]  با نوعی لاک به نام شلاک[3]، لایه گذاری کاغذی را تشکیل می دهند. در حالی که ایده کلی موفق بود، ولی مواد به خوبی کار نمی کردند. چون مواد در دسترس، ترقی نکرد، این ایده محو شد. در سالهای بین 1870 تا 1890 انقلابی در شیمی به وقوع پیوست. اولین رزین های مصنوعی (ساخت بشر) توسعه یافت به طوری که می توانست به وسیله پلیمریزاسیون از حالت مایع به جامد تبدیل شود. این رزین های پلیمری از حالت مایع به حالت جامد توسط پیوند متقاطع مولکولی تبدیل می شوند. رزین های مصنوعی اولیه شامل، سلولوئید، ملامین و باکلیت[4] بودند.در اوایل دهه 1930 دو شرکت شیمیایی که روی توسعه رزین های پلیمری فعالیت می کردند، عبارت بودند از ” American Cyanamid ” و ” Dupont ” .

در مسیر آزمایشاتشان هر دو شرکت به طور مستقل و در یک زمان به فرمول ساخت رزین پلی استر دست یافتند. هم زمان، شرکت شیشه ” Owens – lllinois ” شروع به ساخت الیاف شیشه به همان صورت بنیادی بافت پارچه های نساجی نمود. در طی سال های 1943 و 1936 محققی به نام ” Ray Green ” در اوهایو این دو محصول جدید را ترکیب کرد و شروع به قالب گیری قایق های کوچک نمود. این زمان را شروع کامپوزیت های مدرن می شناسند. در حین جنگ جهانی دوم، توسعه رادار به محفظه های غیر فلزی نیاز پیدا کرد و ارتش آمریکا با تعداد زیادی پروژه های تحقیقاتی، تکنولوژی نوپای کامپوزیت ها را توسعه بخشید. فوراً، به دنبال جنگ جهانی دوم، کامپوزیت به عنوان یک ماده مهندسی اصلی پدیدار شد. صنعت کامپوزیت در اواخر دهه 1940 با علاقه شدید به آن شروع شد و به سرعت در دهه 1950 توسعه یافت. بیشتر روش های امروزی قالبگیری و فرایند انجام کار روی کامپوزیت ها در سال 1955 گسترش یافت. قالبگیری باز (لایه گذاری دستی)، قالبگیری فشاری، استفاده از پاشش الیاف سوزنی، قالبگیری به روش انتقال رزین، روش فیلامنت وایندینگ، استفاده از کیسه خلاء و روش پاشش در خلاء همگی بین سالهای 1946 و 1955 توسعه یافتند و در تولید استفاده شدند. محصولات ساخته شده از کامپوزیت ها در طی این دوره شامل این موارد بودند: قایق ها، بدنه اتومبیل ها، قطعات کامیون ها، قطعات هواپیماها، مخازن ذخیره زیر زمینی، ساختمان ها و بسیاری دیگر از محصولات مشابه.

امروزه صنعت کامپوزیت به رشد خود ادامه می دهد چرا که به دنبال افزایش قدرت، سبکی، دوام و زیبایی محصولات می باشیم.

مروری بر منابع

کامپوزیت ها مخلوط یا ترکیبی از چند ماده ( حداقل دو ماده ) یا جزء اصلی هستند . اجزای تشکیل دهنده هر کامپوزیت از لحاظ شکل ، ترکیب شیمیایی و خواص با یکدیگر متفاوتند . کامپوزیت ها در اصل به منظور دستیابی به ترکیبی از خواص ، که درهریک از مواد یا اجزای تشکیل دهنده آنها به تنهایی وجود ندارد تولید می شوند بدین ترتیب می توان موادی با خواص جدید وبهتر با توجه به کاربردهای صنعتی مورد نظر تولید کرد .
مواد کامپوزیتی معمولاً شامل یک ماده خالص یا ترکیبی از حداقل دو ماده به عنوان ماده زمینه و یک یا چند ماده دیگر موسوم به ماده تقویت کننده هستند.

کامپوزیت های دارای ذرات ریز

این نوع کامپوزیت ها شامل ذراتی از عنصر یا ترکیبی غیر از عنصر یا ترکیب فاز
زمینه اند. ذرات فاز تقویت کننده می تواند به صورت نامنظم و غیریکنواخت در مرزدانه ها ، یا تقریباً ‌یکنواخت در تمامی زمینه و یا جهت دار پراکنده و توزیع شود بدین صورت توزیع ذرات ماده تقویت کننده در ماده زمینه می تواند به گونه ای باشد که خواص ایجاد شده به صورت همسانگرد و یا ناهمسانگرد باشد. حالت توزیع
غیر یکنواخت و جهت دار ماده تقویت کننده در کامپوزیت ها ، اهمیت صنعتی ویژه ای دارد. برای مثال توزیع ذرات فاز (Ni₃ AL) در سوپر آلیاژهای پایه‌نیکل در جهات <100>. برای شکل گیری ذرات رسوب در جهات خاص امکانات مختلف زیر وجود دارد :

1. انجماد یوتکتیکی جهت دار ( در سوپر آلیاژهای دمای بالا)
2. جدایش به کمک ایجاد میدان مغناطیسی (مورد استفاده برای مغناطیس های دائمی)
3. اتصال فازهایی که قبلاً به طورمصنوعی جهت دار شده است ( مواد تقویت شده با الیاف ) رشد طبیعی فازهای مخلوط ( مانند چوب ).

خواص فیزیکی  و مکانیکی کامپوزیت  به مقدار درصد ذرات فاز دوم ، اندازه و شکل ذرات و نحوه توزیع آنها در فاز زمینه بستگی دارد اگر ذرات پراکنده شده در فاز زمینه به صورت ریز و تقریباً یکنواخت توزیع شده و با فاز زمینه  تطابق ساختاری نداشته باشد، مانع حرکت نابجایی ها شده و موجب افزایش استحکام فاز زمینه می شود. کامپوزیت هایی که در دمای معمولی محیط استحکام آنها با پراکنده سازی ذرات فاز دوم افزایش یافته است می تواند از آلیاژهای پیرسختی شده، که شامل رسوب هایی با تطابق ساختاری با فاز زمینه است، ضعیفتر باشد. در هر صورت تا زمانی که در این نوع کامپوزیت ها فعل و انفعالاتی مانند پیر سازی بیش از حد، بازپخت بیش از حد، رشد دانه ها، رشد فاز دوم پراکنده شده در فاز زمینه که منجر به نرم شدن می شود انجام نگرفته است ، استحکام آنها بالاست. اما زمانی که یکی از پدیده های اشاره شده انجام گیرد ، استحکام کامپوزیت به تدریج کاهش می یابد .

کامپوزیت های تقویت شده با الیاف ( فایبرها)

اغلب کامپوزیت های تقویت شده با الیاف استحکام ، مقاومت به خستگی ، سفتی و استحکام ویژه (‌نسبت استحکام به وزن ) با درآمیختن الیاف قوی ، سفت اما ترد به زمینه نرم و انعطاف پذیرتر،بهبود می یابند. در این نوع کامپوزیت ها ماده زمینه تنش اعمالی را به الیاف منتقل می کند .استحکام کامپوزیت می تواند هم در دمای معمولی محیط وهم در دماهای بالا در حد بالایی باشد .

تفسیر نتایج

بعد از بررسی نتایج آزمون سختی بر روی نمونه هایی که با سرعت همزدن 400 دور در دقیقه ریخته گری شده اند. مشاهده شد که در سرعت همزدن 400 دور در دقیقه بیشترین سختی در نمونه ای که 15 درصد SiC داشت وجود دارد. و کمترین سختی در نمونه ای که 25 درصد SiC  دارد به وجود آمده است. عوامل مختلفی را می توان در نظر گرفت که در بدست آمدن این نتایج نقش داشته اند از جمله این عوامل می توان:

عامل اول: اندازه ذرات SiC  را نام برد بدین ترتیب که ذرات SiC که در این آزمایش مورد استفاده قرار دادیم بسیار ریز بودند و این ذرات در حین انجماد دندریت آلومینیوم از زمینه آلومینیوم پس زده شده اند. و بعد از آن در یک مکان در کنار همدیگر جمع شده اند و ایجاد تجمعات SiC کرده اند که این خود تاثیر بسیار در کاهش سختی دارد .به این صورت که درصد وزنی SiC بالاتر از یک حدی که می رود بزرگی و تعداد این تجمعات بیشتر می شود و باعث کاهش سختی در نمونه می شود .

عامل دوم: که می توان به آن اشاره نمود میزان تخلخل در این نمونه ها است که بعد از بررسی نتایج آزمون تخلخل در این نمونه ، مشاهده می شود که میزان تخلخل در تمام نمونه ها حدود 1/4 درصد است و برای همه نمونه ها ثابت است پس به این عامل نمی توان استنادکرد .

عامل سوم: سرعت همزدن مذاب است که این عامل نقش موثری در پخش شدن ذرات SiC دارد که اگر سرعت همزدن مناسب نباشد باعث می شود که ذرات SiC بصورت نامتوازن در مذاب پخش شوند و عامل تشدید کننده ای برای ایجاد تجمعات SiC باشد و باعث افت سختی باشد پس می توان میزان سختی پایین در این سری نمونه ها با دور همزدن 400 دور در دقیقه را با این دلیل نیز توجیه کرد .

عامل چهارم: یکی دیگر از عوامل درجه حرارت مذاب می باشد به علت ریز بودن ذرات SiC چگالی این ذرات  از آلومینیوم پایین تر است اگر درجه حرارت مذاب بالا باشد ویسکوزیته مذاب پایین می آید که این عامل باعث می شود که ترشوندگی SiC توسط مذاب آلومینیوم ضعیف شود و ذرات به روی سطح مذاب بیایند و در داخل مذاب نمانند .حال به بررسی نتایج آزمون سختی در سرعت هم زدن 800 دور در دقیقه می پردازیم.

نتیجه گیری

نتیجه ای که می توان از این تحقیق گرفت این است که با افزایش درصد وزنی SiC  تا حدی به آلومینیوم خواص مکانیکی از قبیل سختی و استحکام را می توان بهبود بخشید ولی اگر بیش از حد باشد باعث ایجاد تجمعات SiC  در آلومینیوم می شود، که این امر خود باعث می شود خواص مکانیکی دوباره افت داشته باشند در مورد تعداد دور همزدن مخلوط مذاب نیز می توان گفت که هر چقدر مذاب با سرعت بالاتری همزده شود میزان تخلخل در مذاب بیشتر می شود به این خاطر که میزان هوای بیشتری از بیرون به داخل مذاب به وسیله همزن کشیده می شود و باعث ایجاد تردی در نمونه می شود ولی از یک سو هر چقدر سرعت همزدن بیشتر باشد باعث می شود که به خوبی ذرات SiC در مذاب پخش شوند، وخواص مکانیکی مناسبتری داشته باشیم پس می توان گفت هر چقدر میزان همزدن بیشتر شود خواص مکانیکی از جمله تنش سیلان بیشتری می شود ولی ماده نرمی خود را از دست می دهد یعنی میزان تغییر طول ای که در هنگام شکست انجام می دهد کمتر می شود .

پیشنهادات

برای بدست آوردن نتایج بهتر در این آزمایش باید به چند نکته توجه شود :

اول اینکه سرعت همزدن مخلوط مناسب باشد یعنی اینکه سرعت همزدن قدری باشد که بتواند ذرات SiC  را به صورت همگون و یکنواخت در مذاب پخش کند واز ایجاد تجمعات در آنها جلوگیری کند هر چقدر سرعت همزدن بیشتر باشد باعث می شود بتوان مقدار SiC  بیشتری به آلومینیوم اضافه کرد و خواص مکانیکی بهتری را دریافت کرد البته باید توجه شود که هر چقدر سرعت همزدن بیشتر شود هوای بیشتری داخل مذاب می رود برای اینکه از ورود هوا به مذاب جلوگیری شود باید از وارد شدن هوا به مذاب جلوگیری کرد. از عوامل دیگر می توان به درجه حرارت مذاب اشاره کرد هر چقدر درجه حرارت مذاب بیشتر باشد باعث می شود سیالیت مذاب بیشتر شود و خاصیت ترشوندگی SiC  کاهش یابد به این خاطر که چگالی SiC کم است و به روی مذاب می آید و در داخل مذاب نمی ماند عامل سوم را می توان درجه حرارت قالب نام برد به این خاطر که هر چقدر درجه حرارت قالب کمتر باشد قابلیت انتقال حرارت قالب بهتر باشد باعث می شود که مذاب سریع تر منجمد شود و ذرات SiC فرصت خارج شدن از مذاب را نداشته باشند.

1_ Rosin

2_Kraft

3_Shellac

4_Bakelhte

1- فصل اول: مقدمه 1

• 2- فصل دوم: مروری بر منابع
• 1-2- کامپوزیت های دارای ذرات ریز
• 1-1-2- خواص کامپوزیت های ذره ای
  • 2-1-2- انواع کامپوزیت های ذره ای از لحاظ جنس تقویت کننده
• 2-2- کامپوزیت های تقویت شده با الیاف
• 1-2-2- خواص کامپوزیت های تقویت شده با الیاف
• 2-2-2- خصوصیات کامپوزیت های تقویت شده
• 3-2- مختصر در مورد آلومینیوم
• 4-2- سرامیک های پیشرفته
• 5-2- توضیحات مختصر در مورد آزمون مکانیکی
• 1-5-2- آزمون سختی
• 2-5-2- آزمون کشش
• 2-5-3- آزمون تخلخل سنجی

3- فصل سوم: روش انجام آزمایش

4- فصل چهارم: تحلیل نتایج

• 1-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه AX
• 2-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه BX
• 3-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه CX
• 4-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه DX
• 5-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه EX
• 6-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه AY
• 7-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه BY
• 8-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه CY
• 9-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه DY
• 10-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه EY
• 11-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه AZ
• 12-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه BZ
• 13-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه CZ
• 14-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه DZ
• 15-4- نتایج حاصل از آزمون نمونه EZ

5- فصل پنجم: تفسیر نتایج

• نتیجه گیری
• پیشنهادات
• منابع

شکل ها

• 2-1- فرم های مختلف ساختارهای کامپوزیت
• 2-2- فرآیند ریخته گری کامپوزیت
• 2-3- نمایش تنش کششی و برشی
• 2-4- ساختار کامپوزیت لایه ای
• 2-5- کامپوزیت تقویت کننده شده با الیاف
• 2-6- نمونه آزمون کشش
• 3-1- نمونه آزمون کشش
• 4-1- ساختار AX
• 4-2- ساختار BX
• 4-3- ساختار CX
• 4-4- ساختار DX
• 4-5- ساختار EX
• 4-6- ساختار AY
• 4-7- ساختار BY
• 4-8- ساختار CY
• 4-9- ساختارDY
• 4-10- ساختار EY
• 4-11- ساختار AZ
• 4-12- ساختار BZ
• 4-13- ساختار CZ
• 4-14- ساختار DZ
• 4-15- ساختار EZ

نمودارها

• 2-1- مقایسه بین استحکام تسلیم
• 2-2- تاثیر خاک رس بر خواص
• 2-3- نمودار تنش – کرنش
• 2-4- ازدیاد طول شیشه
• 4-1- نمودار کشش AX
• 4-2- نمودار کشش BX
• 4-3- نمودار کشش CX
• 4-4- نمودار کشش DX
• 4-5- نمودار کشش EX
• 4-6- نمودار کشش AY
• 4-7- نمودار کشش BY
• 4-8- نمودار کشش CY
• 4-9- نمودار کشش DY
• 4-10- نمودار کشش EY
• 4-11- نمودار کشش AZ
• 4-12- نمودار کشش BZ
• 4-13- نمودار کشش CZ
• 4-14- نمودار کشش DZ
• 4-15- نمودار کشش EZ
• 4-16- منحنی بر حسب SiC در سرعت 400
• 4-17- منحنی بر حسب SiC در سرعت 800
• 4-18- منحنی بر حسب SiC در سرعت 1200
• 4-19- تنش بر حسب SiC در سرعت 400
• 4-20- تنش بر حسب SiC در سرعت 800
• 4-21- تنش بر حسب SiC در سرعت 1200
• 4-22- انرژی بر حسب SiC در سرعت 400
• 4-23- انرژی بر حسب SiC در سرعت 800
• 4-24- انرژی بر حسب SiC در سرعت 1200

جداول

• 2-1- مثالها و کاربردهای کامپوزیت
• 2-2- خواص الیاف
• 2-3- تاثیر مکانیزم های استحکام بخش در آلومینیوم
• 2-4- خواص سرامیک ها
• 4-1- درصد وزنی SiC
• 4-2- سرعت همزن
• 4-3- سختی نمونه AX
• 4-4- سختی نمونه BX
• 4-5- سختی نمونه CX
• 4-6- سختی نمونه DX
• 4-7- سختی نمونه EX
• 4-8- سختی نمونه AY
• 4-9- سختی نمونه BY
• 4-10- سختی نمونه CY
• 4-11- سختی نمونه DY
• 4-12- سختی نمونه EY
• 4-13- سختی نمونه AZ
• 4-14- سختی نمونه BZ
• 4-15- سختی نمونه CZ
• 4-16- سختی نمونه DZ
• 4-17- سختی نمونه EZ
• 4-18- سختی بر حسب SiC سرعت 400
• 4-19- بیشترین و کمترین سختی سرعت 400
• 4-20- تغییرات سختی
• 4-21- سختی بر حسب SiC سرعت 800
• 4-22- بیشترین و کمترین سختی سرعت 800
• 4-23- تغییرات سختی
• 4-24- سختی بر حسب SiC سرعت 1200
• 4-25- درصد تغییرات سختی
• 4-26- تنش شکست بر حسب SiC سرعت 400
• 4-27- بیشترین و کمترین تنش سرعت 400
• 4-28- تغییرات تنش سرعت 400
• 4-29- تنش بر حسب درصد SiC سرعت 800
• 4-30- بیشترین و کمترین تنش
• 4-31- تغییرات تنش سرعت 800
• 4-32- تنش بر حسب درصد SiC سرعت 1200
• 4-33- بیشترین و کمترین تنش
• 4-34- تغییرات تنش سرعت 1200
• 4-35- انرژی بر حسب SiC سرعت 400
• 4-36- بیشترین و کمترین تنش
• 4-37- تغییرات تنش سرعت 400
• 4-38- انرژی بر حسب SiC سرعت 800
• 4-39- بیشترین و کمترین تنش
• 4-40- درصد تغییرات انرژی سرعت 800
• 4-41- انرژی بر حسب SiC سرعت 1200
• 4-42- بیشترین و کمترین تنش
• 4-43- تغییرات انرژی سرعت 1200

منابع

1. دوره‌آموزشی ساخت کامپوزیتها / نویسنده انجمن سازندگان مواد مرکب CFA، مترجم مسعود اسماعیلی 1381-ISBN 964-7089-17-1
2. متالورژی مکانیکی / جورج ای . دیتر ، ترجمه شهره شهیدی – تهران مرکز نشر دانشگاهی ، ISBN 961-01-0548-1
3. اصول علم مواد / تالیف حسین تویسرکانی – اصفهان : دانشگاه صنعتی اصفهان ،مرکز نشر ، 1379-ISBN 964-6029-77-9
4. ریخته گری فلزات غیر آهنی / تالیف جلال حجازی – تهران آزاد . 1380-ISBN 964-6204-78-3
5. تکنولوژی و کاربرد کامپوزیت/ تالیف مهندس جمشید قضاتی مصلح آبادی– تهران انتشارات دانش و فن،  1381-ISBN 964-6471-42-0
6. ساخت کامپوزیت ها(محصول ،مواد و مهندسی فرایند ) /  تالیف دکتر سانجی مزومدار –ترجمه  مهندس علی رسولی – تبریز انتشارات دانیال . 1383ISBN 964-90286-1-7
7. ساختار،خواص و کاربرد آلیاژهای مهندسی / تالیف ویلیام اسمیت-ترجمه دکتر علی اکبر اکرامی و دکتر سید مرتضی سید ریحانی – موسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف.1381 ISBN 964-6379-71-0
8. فرشاد اخلاقی،حسن محمدی مقالکی و سید علیرضا لاجوردی ،”تولید کامپوزیت های Al/SiC به روش گردابی “،دوازدهمین سمینار سالانه جامعه ریخته گران ایران ،دانشگاه تهران –دانشکده فنی ،ص 191.
9. Han,G.Pollar,”Stress-induced microstructural defects in a 15%SiC aluminium alloy metal matrix composite,”Mat.Sci.Letters ,1992,vol.11,P.44.
10. S.V.Kamat,Plastics deformation in Al-Alloy matrix-alumina particulate composites “,Script.metall.1991,Vol .25,P.27.