فاكتورهای استفاده از الیاف در كامپوزیت

[Astraea 25,351]

چهار فاكتور در الیاف میتوانند در عملكرد مكانیكی یك كامپوزیت نقش مهمی را ایفا نمایند كه این موارد عبارتند از:

 

- طول: الیاف میتوانند طویل و كوتاه باشند. الیاف طویل و پیوسته برای جهت گیری و تولید آسان می باشند، ولی الیاف كوتاه نمی توانند به طور كامل برای جهت گیری مناسب كنترل شوند. الیاف بلند فواید زیادی را نسبت به الیاف كوتاه تأمین میكنند. این فواید شامل مقاومت به ضربه، انقباض كم، بهبود صافی سطح و پایداری ابعادی می باشند. هر چند الیاف كوتاه هزینه كمتر، كار كردن آسان، و زمان تناوب فرایند تولید سریعتری را دارا می باشند.

 

- جهت گیری: الیاف جهت گیری شده در یك راستا سفتی و استحكام بسیار بالایی را در آن جهت از خود نشان می دهند. اگر الیاف در بیش از یك جهت، همانند یك حصیر، جهت گیری شده باشند، سفتی و استحكام زیادی در سمت جهت گیری الیاف خواهند داشت. اگرچه برای حجم ثابت از الیاف بر واحد حجم كامپوزیت، نمی تواند با سفتی و استحكام كامپوزیت های تك جهته رقابت كند

 

- شكل: بیشترین شكل عمومی الیاف، دایروی است، زیرا كار كردن و ساخت آنها آسان است. الیاف شش ضلعی و مربعی نیز امكان پذیرند، اما مزایای استحكام و عوامل تراكم زیاد، مهم تر از مشكلات در كار كردن و تولید كردن نمی باشند.

 

- جنس ماده: جنس الیاف به طور مستقیم بر روی عملكرد مكانیكی یك كامپوزیت تأثیر می گذارد. عموماً از الیاف انتظار می رود كه دارای مدول های الاستیك و استحكام های بالایی باشند. پس نتیجه خواهیم گرفت كه این انتظارات، فاكتورهای كلیدی را در الیاف (گرافیت، آرامیدها و شیشه كه بر بازار كامپوزیت ها حكمفرمایی می كنند،) خواهند داشت.

 

 

فاكتورهای زمینه كه بر عملكرد مكانیكی كامپوزیت ها مشاركت می كنند، چیستند؟

استفاده از الیاف به تنهایی به استثنای ریسمان ها و كابل ها، محدود می باشد. بنابراین، الیاف به عنوان تقویت كننده در زمینه، استفاده می شوند. وظایف زمینه شامل اتصال الیاف به یكدیگر، محافظت الیاف از محیط، روكش دهی برای آسیب های ناشی از حمل و نقل، و توزیع بار به الیاف ها می باشد. اگرچه به طور كلی زمینه ها به تنهایی در مقایسه با الیاف دارای خواص مكانیكی پایینی می باشند، زمینه در بسیاری از خواص مكانیكی كامپوزیت تأثیر گذار می باشد. این خواص شامل مدول و استحكام عرضی، مدول و استحكام برشی، استحكام فشاری، استحكام برشی بین لایه ای، ضریب انبساط حرارتی، مقاومت دمایی، و استحكام خستگی می باشد.

 

به غیر از الیاف و زمینه، چه پارامترهای دیگری بر روی عملكرد مكانیكی یك كامپوزیت تأثیر میگذارد؟

عوامل دیگر شامل سطح مشترك الیاف

– زمینه می باشد. این عمل تعیین می كند كه به چه اندازه زمینه بار را به الیاف منتقل می كند. اتصال شیمیایی، مكانیكی و واكنش می تواند سطح مشترك را حالت دهد. در بسیاری از موارد، بیش از یك نوع اتصال پدید می آید.

- زبری طبیعی یا اچ كردن سطح الیاف باعث قفل شدگی داخلی می شود كه می تواند یك اتصال مكانیكی بین الیاف و زمینه را شكل دهد.

-اتصال شیمیایی بین سطح الیاف و زمینه شكل می گیرد. تعدادی از الیاف به طور طبیعی به زمینه متصل میشوند ولی دیگران خیر. اغلب برای شكل گیری یك اتصال شیمیایی، عوامل اتصال (عوامل اتصال تركیب هایی هستند كه بر سطوح الیاف اعمال می شوند و اتصال بین الیاف و زمینه را بهبود می بخشند. برای مثال، پرداخت سیلان بر الیاف شیشه اعمال می شود تا چسبندگی با زمینه اپوكسی را افزایش دهد.) اضافه میشوند.

- اگر ضریب انبساط حرارتی زمینه بیشتر الیاف باشد، و دماهای ساخت بیشتر از دمای عملكردی باشد، زمینه به طور شعاعی بیشتر از الیاف انقباض خواهد نمود. این باعث میشود كه زمینه پیرامون الیاف فشرده شود.

- اتصال واكنشی هنگامی اتفاق می افتد كه اتم ها یا ملكول های الیاف و زمینه در سطح مشترك، بر یكدیگر نفوذ كنند. این نفوذ میانی اغلب یك لایه بین وجهی متمایز ایجاد می كند كه فاز میانی نامیده میشود و با خواص متفاوت از الیاف و یا زمینه می باشد. اگرچه این لایه نازك بین وجهی كمك به شكل گیری یك اتصال می كند، می تواند باعث ترك های ریز در الیاف نیز شود. این میكرو ترك ها استحكام الیاف و در نتیجه استحكام كامپوزیت را كاهش می دهد.

- سطح مشترکهای ضعیف و ترك برداشته می تواند باعث گسیختگی در كامپوزیت ها شود و خواص ناشی از زمینه را كاهش دهد. همچنین آنها اجازه آسیب های محیطی از قبیل گازهای داغ و رطوبت برای حمله با الیاف را میدهند.اگرچه یك اتصال محكم لازمه انتقال بارها از زمینه به الیاف می باشد، جدایش ضعیف از سطح مشترك الیاف

– زمینه به طور مفیدی در كامپوزیت های زمینه سرامیكی استفاده می شود. سطح مشترك های ضعیف ترك های زمینه را كند می كند و آنها را در طول سطح مشترك منحرف می كند . این منشاء اصلی چقرمگی اینگونه از كامپوزیت ها تا پنج برابر سرامیك های تك جزئی می باشد.

 

منبع: كتاب مكانیك مواد مركباثر : آقای آوتار ك.كاوترجمه شده توسط آقای مهندس امیر پاشائی