توضیحات
عنوان فارسی:مدلسازی خواص کامپوزیتهای تقویت شده با تقویت کننده صفحه ای
- چکیده
- مقدمه
- دستهبندی کامپوزیتها از دیدگاه زیستی
- دستهبندی کامپوزیتهای مهندسی از لحاظ فاز زمینه
- دستهبندی کامپوزیتها از لحاظ نوع تقویت کننده
- کامپوزیتهای سبز (کامپوزیتهای زیستتجزیهپذیر)
- مراحل طراحی کامپوزیتها
- مزایای کامپوزیتها
- انواع نانو کامپوزیت
- کاربردها
- سختی کامپوزیتهای تک جهته
- دستهبندی کامپوزیتهای مهندسی از لحاظ شکل
- کامپوزیتهای با زمینه سرامیکی (CMC)
- عمدهترین كامپوزیتهای زمینه سرامیكی
- کامپوزیتهای با زمینه پلیمری (PMC)
- کامپوزیتهای با زمینه فلزی (MMC)
- دستهبندی کامپوزیت ها از لحاظ نوع تقویت کننده
- کامپوزیتهای تقویت شده با فیبر (FRC)
- کامپوزیتهای تقویت شده توسط ذرات (PRC)
- کامپوزیت های درشت ذره
- کامپوزیتهای مستحکم شده با ذرات پراکنده
- نانو كامپوزیتها
- نانو كامپوزیت های زمینه فلزی
- روش ریختهگری
- روش متالورژی پودر
- آلیاژسازی مکانیکی
- نانو كامپوزیت های پلیمری
- انواع تقویت کنندههای صفحهای
- تحقیقات انجام شده روی مدلسازی
- نتیجه گیری و بحث
- مراجع
1 مقدمه
کامپوزیت به مادهای اطلاق میشود که از دو فاز ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده باشد و از فاز دوم حداقل به اندازه ۵ درصد استفاده شده باشد. به ترکیب ماتریس با الیاف (یا ماده تقویت کننده) زیر ۵ درصد کامپوزیت گفته میشود.
- کامپوزیت به موادی گفته میشود که از یک فاز زمینه و یک تقویت کننده تشکیل شده باشند.
- تعریف انجمن متالورژی آمریکا: به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند ماده مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته میشود.
کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده است. ماتریس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه میدارد. تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میگردد. به طور کلی تقویت کننده میتواند به صورت فیبرهای کوتاه و یا بلند و پیوسته باشد.
شكل 1.1 نمونههایی از کاربردهای کامپوزیتها
1.1 دستهبندی کامپوزیتها از دیدگاه زیستی
- کامپوزیتهای طبیعی. مانند استخوان، ماهیچه، چوب و …
- کامپوزیتهای مصنوعی (مهندسی)
1.2 دستهبندی کامپوزیتهای مهندسی از لحاظ فاز زمینه
- کامپوزیتهای با زمینه سرامیکی (CMC)
- کامپوزیتهای با زمینه پلیمری (PMC)
- کامپوزیتهای با زمینه فلزی (MMC)
1.3 دستهبندی کامپوزیتها از لحاظ نوع تقویت کننده
کامپوزیتهای تقویت شده با فیبر (FRC)
کامپوزیتهای تقویت شده توسط ذرات (PRC)
کامپوزیتهای سبز (کامپوزیتهای زیستتجزیهپذیر)
در اینگونه کامپوزیتها، فاز زمینه و تقویت کننده، از موادی که در طبیعت تجزیه میشوند، ساخته میشوند. در کامپوزیتهای سبز، معمولاً فاز زمینه از پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی و تقویت کننده ها از فیبرهای گیاهی ساخته میشوند.
1.4 مراحل طراحی کامپوزیتها
- گردآوری اطلاعات در خصوص کاربرد قطعه (نیروهای استاتیک، دینامیک و شرایط محیطی)
- مشخصات اولیه قطعه (مواد، ابعاد و چیدمان لایه ها)
- زمان و هزینه
- بررسی روش های محاسباتی (تحلیل و عددی)
- شناسایی روش های ساخت
- نحوه مونتاژ(روش های اتصال قطعات)
- بهینه سازی(وزن کم، استحکام بالا و هزینه پایین
1.5 مزایای کامپوزیتها
مهمترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، میتوان خواص آنها را کنترل کرد. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند :
- مقاومت مکانیکی بالا نسبت به وزن
- مقاومت بالا در برابر خوردگی
- خصوصیات خستگی عالی نسبت به فلزات
- خواص عایق حرارتی خوب
- به دلیل صلبیت بیشتر، تحت یک بارگذاری معین، خیز کمتری (بعضا دهها برابر کمتر) نسبت به فلزات دارند.
- استحکام بالا
- نسبت حجم به وزن کم
- سبک بودن پاهی تا چندین برابر مستحکم تر از فولاد با وزنی با چندین برابر کمتر
1.6 انواع نانو کامپوزیت
- نانو كامپوزیتهای پلیمری
- نانو كامپوزیتهای سرامیكی
- نانو كامپوزیتهای سرامیك – فلز
- نانو كامپوزیتهای زمینه فلزی
1.7 کاربردها
فایبر گلاس یکی از پرکاربردترین کامپوزیتهاست. فایبرگلاس یک کامپوزیت با زمینه پلیمری است که توسط فیبرهای شیشه تقویت شده است. در ساخت بدنه جنگندههای رادار گریز از کامپوزیتها استفاده میشود. همچنین در ساخت قطعات هواپیما و پره نیروگاه بادی و پره هلیکوپتر از کامپوزیتها استفاده میشود. بطور کلی مواد کامپوزیتی (مواد مرکب) به دلیل داشتن جرم بسیار کم و مقاومت بالا نسبت به فلزات، در صنعت هوا و فضا کاربرد وسیعی دارند. هم چنین کامپوزیتهای کربن-اپوکسی از نوع کامپوزیت های استحکام بالا هستند که در صنایع نظامی کاربرد دارند.
شكل 1.2 فایربرگلاس نمونهای آشنا از کاربردهای کامپوزیتها
1.8 سختی کامپوزیتهای تک جهته
سختی کامپوزیتهای تک جهته مانند دیگر مواد سازهای میتواند توسط روابط مناسب و صحیح تعیین شود. ضرایب یا ثوابت این روابط، میتواند در یک دستگاه ثوابت مهندسی یا کامپلیانس یا مدولهای جزئی جمع آوری شود. مقادیر هر یک از دستگاهها میتواند مستقیماً توسط ترمهای مقادیر دیگر دستگاهها تعریف شود. سختی کامپوزیتهای تک جهته توسط همان روابط تنش-کرنش که در مواد سنتی مهندسی موجود است، محاسبه میشود. جز آنکه تنها تعداد ثوابت مستقل در کامپوزیتها چهار عدد است.
سه مرحله از تنش روی کامپوزیتها وجود دارد:
- میکرومکانیکال یا تنش منطقهای که همان محاسبه بر اساس تفاوتهای موجود میان فازهای پیوسته الیاف، ماتریس و در برخی از موارد فصل مشترک تقویتکننده و ماتریس حبابهای هوا است.
- تنش لایهای که محاسبه براساس همگن انگاشتن هر لایه مجزا یا گروهی از لایه هاست. به این ترتیب که الیاف و ماتریس طوری آمیختهاند که دیگر فاز مجزایی وجود ندارد.
- برآیند تنش یک لامینیت N یا برآیند ممان یک لامینیت M عبارتست از متوسط تنش لایهها در ضخامت آن لمینیت.
به هنگام کار کردن با کامپوزیتها باید به علائم توجه تام شود. چراکه اختلاف بین مقاومتهای فشاری و کششی ممکن است چند صد در صد باشد. به علاوه اختلاف بیشتری میان مقاومتهای برشی منفی و مثبت وجود دارد. علی رغم مواد سنتی که علائم در آنها از اهمیت کمی برخوردار است، در کامپوزیتها اشتباه در علائم، نتایج وخیمی دربر خواهد داشت.
سه دستگاه از ثوابت مواد وجود دارد که هر یک به تنهایی میتواند بطور کامل سختی کامپوزیتهای تک جهته روی محوری را روشن کنند. ویژگی این دستگاهها عبارتند از:
- مدولها جهت بدست آوردن تنش از کرنش بکار برده شده است. این اساسی ترین دستگاهی است که برای سختی لامینیتهای چند جهته مورد نیاز است.
- کامپلیانسها جهت محاسبه کرنش از روی تنش بکار میرود. این دستگاهی است که جهت محاسبه ثوابت مهندسی مورد نیاز است. این دستگاه جهت بدست آوردن سختی لامینیتهای چند جهته مورد نیاز نمیباشد.
- ثوابت مهندسی از آثار مواد سنتی است. و طراحان سنتی در کار کردن با ثوابت مهندسی احساس راحتی بیشتری میکنند. میتوان از یک دستگاه ثوابت، دستگاه دیگری را یافت. و همه در عین حال معادل یکدیگرند. یک رابطه مستقیم میان مدولها و کامپلیانسهای جزئی وجود دارد و هر یکی برگردان دیگری است.
2 دستهبندی کامپوزیتهای مهندسی از لحاظ شکل
- فاز زمینه کامپوزیتهای رشتهای میتواند فلز ، پلیمر یا سرامیک باشد. معمولا از فلزات یا پلیمرها به عنوان ماده زمینه استفاده می شود زیرا انعطاف پذیری مطلوبی دارند. در کامپوزیتهای زمینه سرامیکی جز تقویتکننده برای بهبود چقرمگی شکست استفاده میشود. در انتخاب ترکیب زمینه-رشته، مهمترین عامل استحکام پیوند است.
2.1 کامپوزیتهای با زمینه سرامیکی (CMC)
بدلیل مقاومت مناسب در برابر اکسایش در دمای بالا، با وجود احتمال شکست ترد، بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنشهای شدید است. به ویژه در قطعات موتور خودرو و توربینهای گازی هواپیما چرمگی شکست این کامپوزیتها معمول است. چقرمگی شکست نسل جدید و توسعه یافته کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) که بصورت ذزه ای، رشتهای یا ویسکری از مواد سرامیکی است. این بدان دلیل است که ترکی که در زمینه ایجاد می شود توسط ذرات ، رشته ها یا ویسکرها نه تنها اشاعه نمی یابد بلکه از اشاعه آن ممانعت به عمل میآید.
شكل 2.1 نمونهای از کامپوزیتهای زمینه سرامیکی
کامپوزیت های زمینه سرامیکی را با روش های پرسکاری گرم ، پرسکاری ایزوستاتیک گرم و زینتر کردن فاز مذاب تولید میکند آلومیناهای تقویت شده با ویسکرهایSiC به عنوان ابزار برش در ماشین کاری آلیاژهای فلزی سخت استفاده میشود.
سرامیكهای پیشرفته دارای ویژگیهای مطلوبی مانند سختی، استحكام بالا، تحمل دماهای بالا، خنثایی شیمیایی، مقاومت در برابر فرسایش و چگالی كم هستند. ولی در برابر بارهای كششی و ضربه ضعیف هستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطافپذیری نشان نمیدهند و مستعد شكست تحت بارهای مكانیكی و شوك حرارتی هستند. اگر مقایسهای بین سرامیكها و دیگر مواد داشته باشیم، باید گفت كه سرامیكها تنها گروه از مواد هستند كه در دماهای بالا قابل استفادهاند و دارای سختی، استحكام و مدول الاستیك بالاتری از فلزات و پلیمرها میباشند. همچنین چگالی، ضریب انبساط حرارتی و هدایت الكتریكی و حرارتی كمی دارند. به ویژه چگالی و انبساط حرارتی كم سرامیكها اهمیت زیادی در اغلب كاربردها دارد. كه اگر چه نسبت مدول الاستیسیتة تقویتكننده و زمینه در كامپوزیتهای زمینه فلزی و پلمیری عموماً بین 10 و 100 است ولی برای كامپوزیت زمینه سرامیكی، این نسبت معمولاً برابر یك یا كمتر از آن است. نسبت مدول بالا در كامپوزیتهای زمینه فلزی و پلیمری، سبب انتقال موثر بار از زمینه به تقویتكننده میشود. در حالی كه در یك كامپوزیت سرامیكی، زمینه و تقویتكننده در توانایی تحمل بار اختلاف زیادی ندارد؛ به این معنا كه هدف از ساخت كامپوزیت سرامیكی، افزایش استحكام نیست. مگر آنهایی كه زمینة آنها مدول الاستیسیتة كمی دارند (مانند زمینههای شیشهای).
ازحوزههای مهم در تهیه كامپوزیتهای زمینه سرامیكی انواع گوناگون شیشه، شیشهسرامیكها و سرامیكهایی همچون كربن، كاربید سیلیسیوم، نیتریدسیلیسیوم، آلومیناتها و اكسیدها. تقویتكنندهای مورد استفاده عبارتند از كاربیدها، بوریدها، نیتریدها و كربن. كامپوزیتهای زمینه سرامیكی تنها كامپوزیتهایی هستند كه بالای 900 درجة سانتیگراد استحكام خود را حفظ میكنند.
2.2 عمدهترین كامپوزیتهای زمینه سرامیكی
- كامپوزیتهای كربن/كربن
- كامپوزیتهای آلومینا SiC
- كامپوزیتهایی با زمینه Si3N4 یا SiC تقویت شده با الیاف پیوسته SiC و كربن.
معمولاً كاربرد كامپوزیتهای سرامیكی به دو دستة هوافضایی و غیرهوافضایی تقسیم میشوند. در كاربردهای هوافضایی مسالة اصلی، عملكرد كامپوزیت است. در حالی كه در كاربردهای غیر هوافضایی عامل قیمت بسیار مهم است.
كامپوزیتهای سرامیكی با الیاف پیوسته، عموماً دارای خواص مكانیكی ویژة بالایی هستند و میتوانند در كاربردهای هوافضایی دمای بالا به كار گرفته شوند. كامپوزیتهای كربن/كربن با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتی در شاتلهای فضایی استفاده شده است و كامپوزیتهای كاربید سیلیسیم/كربن مواد مناسبی برای هواپیماها هستند.
2.3 کامپوزیتهای با زمینه پلیمری (PMC)
کامپوزیتهای زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری (پلاستیک تقویت شده مولکول درشت) به عنوان زمینه با رشتههایی به عنوان عامل تقویت کننده تشکیل شده است. از ویژگیهای این دسته از کامپوزیتها، کاربرد متنوع و گسترده، خواص خوب در دمای محیط، سهولت ساخت و هزینه کم است. این نوع کامپوزیتها بر اساس نوع تقویت شدن به شیشهایی، کربنی و آرامید تقسیم میشوند. کامپوزیتهای پلیمری رشته شیشهای شامل رشتههای شیشهایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه پلیمری است در آینده بجای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویتکننده در کامپوزیتهای پلیمری استفاده خواهد شد چون رشتههای کربنی بیشترین استحکام ویژه و مدول ویژه را در میان مواد رشتههای تقویت کننده دارا هستند. رشتههای آرامید موادی با استحکام و مدول بالا هستند که در اوایل دهه 1970 عرضه شدند.
در کامپوزیتهای زمینه پلیمری، غیر از سه نوع رشته تقویتکننده شیشهایی، کربنی و آرامید گاه از بور، کاربید سیلیسیم و اکسید آلومینیم در حد محدودی استفاده میشود رشتههای بور در اجزا هواپیماهای نظامی، تیغهای پره بالگرد و برخی وسایل ورزشی بکار میرود از رشته کاربید سیلیسیم و آلومینا در راکتهای تنیس، مدار چاپی و دماغه مخروطی موشک استفاده میشود.
شكل 2.2 نمونهای از کامپوزیتهای زمینه پلیمری
2.4 کامپوزیتهای با زمینه فلزی (MMC)
در کامپوزیتهای زمینه فلزی زمینه عبارت است از یک فلز انعطاف پذیر. برتریهای این نوع کامپوزیت نسبت به کامپوزیتهای زمینه پلیمری شکل دمای عملکرد بالاتر، شعله پذیر نبودن و مقاومت بیشتر در برابر تهاجم سیالات آلی است. البته هزینه آنها بیشتر و در نتیجه استفاده از آنها محدودتر است. از سوپر آلیاژها، آلیاژهای آلومنییم و منیزیم، تیتانیم و مس به عنوان مواد زمینه استفاده میشود.
مواد تقویتکننده ممکن است به شکل ذرات، رشتههای پیوسته و ناپیوسته و یا ویسکرها باشند که 10 الی 60% حجمی کامپوزیت را تشکیل میدهد. رشتههای پیوسته شامل کربن، کاربید سیلیسیم، بور، آلومینا و فلزات دیرگداز است رشتههای ناپیوسته از ذرات همین مواد تشکیل میشوند. از یک جهت میتوان سرمتها را جز این (MMC) ها قرار دارد.
شكل 2.3 نمونهای از کامپوزیتهای زمینه فلزی
خودروسازان اخیرا در محصولات خود شروع به استفاده از کامپوزیتهای زمینه فلزی کردهاند به عنوان نمونه برخی قطعات موتور از زمینه آلیاژهای آلومینیم تقویت شده با رشتههای آلومینا و کربن تولید شده که سبک وزن تر هستند و مقاومت آنها در برابر سایش و اعوجاج حرارتی بیشتر است. استفاده از این نوع کامپوزیتها در محورهای محرک که سرعت چرخش بالاتر و میزان کمتر سرو صدای ناشی از ارتعاش را به همرا دارد صورت گرفته است. صنایع هوافضا نیز از این نوع کامپوزیتها بهره می برد. به عنوان نمونه در قطعات تلسکوپ فضائی هابل از رشته های گرافیتی پیوسته استفاده شده است.
توجه:
- برای دانلود فایل word کامل ترجمه از گزینه افزودن به سبد خرید بالا استفاده فرمایید.
- لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.
به منظور سفارش تحقیق مرتبط با رشته تخصصی خود بر روی کلید زیر کلیک نمایید.
سفارش تحقیق
دیدگاهها
هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.