مواد کامپوزیتی

این متن شامل 27 صفحه می باشد 

سالهاست که تحقیقاتی برای دستیابی به مواد جدیدتر با خواص مکانیکی بهتر انجام گرفته و هنوز هم همگام با پیشرفت های سریع صنعتی دنبال می شود. هدف این تحقیقات غالباً تولید موادی با نسبت مناسب از استحکام کششی به چگالی ، استحکام حرارتی بالا و خواص ویژه سطح خارجی است .

مقدمه :

کامپوزیتها مخلوط یا ترکیبی از چند ماده یا جزء اصلی هستند . اجزای تشکیل دهنده هر کامپوزیت ازلحاظ شکل ترکیب شیمیایی و خواص با یکدیگر متفاوتند . کامپوزیتها در اصل به منظور دستیابی به ترکیبی از خواص که در هر یک ازمواد یا اجزای تشکیل دهنده آنها به تنهایی وجود ندارد تولید می شوند . بدین ترتیب می توان موادی با خواص جدید و بهتر با توجه به کاربردهای صنعتی مورد نظر تولید کرد .

کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف

مواد کامپوزینی 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 .

کامپوزیتها از لحاظ شکل ماده تقویت کننده به سه گروه تقسیم بندی می شوند . ذره ای ، الیافی یا رشته ای (پیوسته یا ناپیوسته) و لایه ای .

سالهاست که تحقیقاتی برای دستیابی به مواد جدیدتر با خواص مکانیکی بهتر انجام گرفته و هنوز هم همگام با پیشرفت های سریع صنعتی دنبال می شود. هدف این تحقیقات غالباً تولید موادی با نسبت مناسب از استحکام کششی به چگالی ، استحکام حرارتی بالا و خواص ویژه سطح خارجی است .

کامپوزیتهای دارای ذرات ریز

این نوع کامپوزیتها شامل ذراتی از عنصر یا ترکیبی غیر از عنصر یا ترکیب فاز زمینه اند . ذرات فاز تقویت کننده می تواند به صورت نامنظم و غیر یکنواخت در مرز دانه ها ، یا تقریباً یکنواخت در تمامی زمینه ها 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 کامپوزیتها ، اهمیت صنعتی ویژه ای دارد . برای مثال توزیع ذرات فاز در سوپر آلیاژهای پایه درسوپر آلیاژهای پایه نیکل در جهات > 100< . برای شکل گیری ذرات رسوب در جهات خاص امکانات مختلف زیر وجود دارد :

1-انجماد یوتکتیکی جهت دار

2-جدایش به کمک ایجاد میدان مغناطیسی

3-اتصال فازهایی که قبلاً به طور مصنوعی جهت دار شده است .

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 نابجاییها شده و موجب افزایش استحکام فاز زمینه می شود .

کامپوزیتهایی که در دمای معمولی محیط استحکام آنها با پراکنده سازی ذرات فاز دوم افزایش یافته است می تواند از آلیاژهای پیر سختی شده ، که شامل رسوبهایی با تطابق ساختاری با فاز زمینه است ، ضعیفتر باشد . در هر صورت تا زمانی که در این نوع کامپوزیتها فعل و انفعالاتی مانند پیرسازی 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 .

بنابراین در این آلیاژ با افزایش دما استحکام کاهش می یابد . علاوه بر آن مقاومت خزشی می تواند برتر از مقاومت خزشی فلزات و آلیاژها باشد .

حلالیت فاز پراکنده شده در فاز زمینه باید محدود و کم باشد و نباید با فاز زمینه واکنش شیمیایی دهد . مقدار کم حلالیت می تواند به بهبود اتصال بین فاز تقویت کننده و زمینه کمک کند . برای مثال اکسید مس در دماهای بالا در مس حل می شود به طوری که استحکام سیستم در دماهای بالا کاهش می یابد و موثر نخواهد بود. در مورد سیستم ، در فاز زمینه Al حل نمی شود بنابراین این سیستم یک سیستم کامپوزیتی با استحکام بخشی از طریق پراکنده سازی فاز در فاز زمینه Al است . جدول تعدادی از مواد کامپوزیتی زمینه فلزی را ارائه می دهد که با پراکنده سازی ذرات فاز دوم از طریق متالورژی پودر تولید شده اند.

خواص معینی از کامپوزیت ذره ای فقط به مقدار نسبی فازها و خواص هر یک از اجزای تشکیل دهنده آن بستگی دارد . قانون مخلوط کردن می تواند این خواص پیشگویی کند . برای مثال چگالی ذرات کامپوزیت از رابطه زیر به دست می آید :

در این رابطه چگالی کامپوزیت و و و... چگالی و f₁ و f₂ و ... f_n کسر حجمی هر یک از اجزا هستند .

فرض کنیم بخواهیم 2% وزنی برای افزایش استحکام نیکل به آن اضافه کنیم . در صورتی که قطر ذرات پودر100nm باشد چند ذره در هر میلیمتر مکعب وجود خواهد داشت ؟