فرمت فایل: ورد –Word و قابل ویرایش

تعداد صفحات: 82

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 .

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