کامپوزیت

کامپوزیت

اسلاید 1: Introduction to Composite1

اسلاید 2: منابعFiber Reinforced Composites, Materials, Manufacturing, and Design-P.K. Mallick-CRC press, 2008.Composite Materials_Design and Applications-D. Gay, S.V. Hoa, S.W. Tsai-CRC Press-2003.Mechanics of Laminated Composite Plates and Shells-Theory and Analysis-J.N. Reddy, CRC Press-2004.Material Science and Engineering - W.D. Callister, D.G. Rethwisch- John Wiley-2011.2

اسلاید 3: تقسیم بندی موادمواد به 4 دسته عمده تقسیم میشوند:فلزات-سرامیکها-پلیمرها-کامپوزیتهافلزات دارای مزیتهای صلبیت، استحکام و شکل پذیری بالا اما عیب چگالی بالا میباشند.سرامیکها دارای صلبیت و استحکام بالا ولی عدم شکل پذیری مناسب میباشند.پلیمرها دارای چگالی کم، شکل پذیری خوب ولی استحکام و صلبیت پایین میباشند.کامپوزیتها دارای ویژگیهای صلبیت و استحکام و شکل پذیری خوب در حد فلزات و در عین چگالی پایین در حد پلیمرها میباشند.3

اسلاید 4: 4

اسلاید 5: مقدمهورود کامپوزیت به عنوان دسته جدیدی از مواد از اواسط قرن بیشتم با طراحی و ساخت کامپوزیتهای چندفازی مثل کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه (فایبر گلاس) آغاز گشت.5البته کاربرد مواد چند فازی نظیر چوب، کاه گل (الیاف کاه گل را تقویت می کنند)، و حتی برخی آلیاژها فولادی به عنوان نمونه هایی از کامپوزیت هستند که قبل از این ایام بکار میرفتند.

اسلاید 6: اما کامپوزیت به مفهوم امروزی آن که ”از ترکیب فیزیکی چند نوع مواد ناهمگون میتوان به ماده ای جدیدی رسید که با دسته بندی قبلی مواد (فلزات، سرامیکها، پلیمرها) متفاوت است و خواص آن نسبت به خواص اجزای سازنده بهبود یافته است“، از اوایل قرن بیستم آغاز گشت.اکنون می دانیم بوسیله ترکیب فازهای مختلف مواد میتوان به تنوع بسیار زیادی از مواد با خواص مختلف دست یافت که توسط هیچ یک از مواد مونولیتیک نمی توان به آن دست یافت.تعریف مونولیتیک monolithic: به موادی که دارای ریزساختار یکنواخت و پیوسته هستند و از یک نوع ماده تشکیل شده اند.در مقابل، کامپوزیتها هستند که دارای ریزساختار غیریکنواخت، ناپیوسته و چندفازی هستند.6

اسلاید 7: کابرد کامپوزیتهاتلفیق گوناگون مواد مختلف برای دستیابی به خواص جدید، تنوع بسیاری در اختیار طراحان قرار میدهد. لذا علاقه به استفاده از کامپوزیت روزافزون است. این خواص توسط هیچ یک از سه دسته دیگر قابل دسترسی نیستند.مواد کامپوزیتی دارای خواص ویژه و نامعمول هستند. لذا برای کاربردهای ویژه با تکنولوژی بالا کاربرد دارند. به عنوان مثال در صنایع هوایی به دنبال مواد با استحکام بالا، چگالی پایین، مستحکم، صلب، مقاوم در برابر ضربه و سائیدگی هستیم. در هیچ ماده مونولیتیکی تمامی این خواص جمع نیست. مواد مستحکم معمولا چگالی بالایی دارند و افزایش استحکام و صلبیت با کاهش چقرمگی همراه است.لذا برای دستیابی به تمامی این خواص در یک ماده باید از ترکیب مواد و خواص آنها برای بهبود خواص ترکیب بهره برد.7

اسلاید 8: کاربرد در صنعت خودروبدنه خودروها و اتوبوسها- دیسک ترمز- شاسی-سیستم تعلیق- میل گاردان- مخزن بنزین و ...8

اسلاید 9: کاربرد در صنایع هوافضابدنه هواپیماها، بدنه و نازل موتور موشک، سپر حرارتی شاتلهای فضایی9

اسلاید 10: کابرد در ورزش و عمراناسکیها و بدنه دوچرخه ها، موتورها و ماشینهای مسابقه ایپلها و نماهای کامپوزیتی، ترمیم بتون بوسیله کامپوزیت10

اسلاید 11: تعریف کامپوزیتمنظور از کامپوزیت هر ماده چند فازی است که تعمدا بصورت مصنوعی از موادی که بصورت شیمیایی با هم همخوانی ندارند و توسط مرزهای مجزا از هم جدا شده اند، طراحی و ساخته شده است. کامپوزیت یک ترکیب فیزیکی است نه یک ترکیب شیمیایی. در ترکیب فیزیکی مواد در کنار یکدیگر در کنار یکدیگر قرار می گیرند.برخی از کامپوزیتها بصورت طبیعی وجود دارند. مثل چوب و استخواندر طراحی کامپوزیتها عمدتا فلزات، سرامیکها و پلیمرها با یکدیگر ترکیب میشوند تا خواص مکانیکی مثل صلبیت، چقرمگی و استحکام حتی در دماهای بالا بهبود یابد.فلذا کامپوزیتها دسته وسیعی از مواد را شامل میشوند.11

اسلاید 12: دسته بندی کامپوزیتبسیاری از کامپوزیتها متشکل از دو فاز هستند:فاز ماتریس (Matrix) یا تقویت شونده که فاز پیوسته بوده و فاز دیگر را احاطه کرده است.فاز پراکنده (dispersed phase) یا ناپیوسته یا تقویت کننده (reinforcement)12خواص کامپوزیت تابعی از خواص فازهای آن، درصد مشارکت هر یک و هندسه فاز پراکنده میباشد. منظور از هندسه فاز پراکنده شکل ذرات، سایز ذرات، توزیع و جهت آنها میباشد.

اسلاید 13: دسته بندی کامپوزیتبر مبنای فاز پراکنده یا تقویت کننده کامپوزیتها مطابق شکل زیر دسته بندی میشوند:سه دسته اصلی کامپوزیتها، تقویت کننده ذرات-تقویت کننده الیاف و کامپوزیتهای سازه ای میباشند.در کامپوزیت با تقویت کننده ذرات، فاز پراکنده یا تقویت کننده، ذرات با ابعاد تقریبا مساوی در هر جهت می باشند.در کامپوزیت تقویت کننده الیاف، فاز پراکنده بصورت الیاف است (نسبت طول به قطر زیاد)کامپوزیتهای سازه ای تلفیقی از کامپوزیتها و مواد همگن می باشد.13

اسلاید 14: کامپوزیتهای تقویت کننده ذرات (ذره ای)-PRCکامپوزیتهای ذرات به دو دسته تقسیم می شوند:1- ذرات بزرگ (large particle)2- تقویت پراکندگی (dispersion strengthened)تفاوت این دو دسته در اندازه ذرات تقویت کننده و در نتیجه مکانیزم تقویت کنندگی کامپوزیت می باشد.در کامپوزیت ذرات بزرگ، واژه بزرگ به این دلیل انتخاب شده تا نشان دهد که ترکیب ذرات و ماتریس در اندازه اتمها و مولکولها نیست. در کامپوزیت ذرات بزرگ، ذرات تقویت کننده معمولا سخت تر و صلب تر از ماتریس هستند و از حرکت فاز ماتریس در نزدیکی ذرات جلوگیری به عمل می آورند. ماتریس نیز مقداری از تنشهای اعمالی را به ذرات منتقل می کند و در نتیجه کسری از بار به عهده ذرات است. 14

اسلاید 15: کامپوزیتهای تقویت کننده ذرات (ذره ای)-PRCدرجه تقویت شوندگی کامپوزیت وابسته به میزان استحکام چسبندگی ذرات به ماتریس است (وجه مشترک ذرات و ماتریس). در کامپوزیت تقویت پراکندگی، ذرات دارای قطر بسیار کم در حد 0.01-0.1 µm (10-100 nm) هستند.در این کامپوزیتها، عمل و عکس العمل ذرات و ماتریس در محدوده قطر اتمها و مولکولها میباشد. مکانیزم تقویت شوندگی در این کامپوزیت شبیه رسوب سختی در آلیاژها است. عمده بار توسط ماتریس تحمل میشود و ذرات پراکنده ریز از حرکت نابجاییها جلوگیری میکنند. لذا از تغییر شکل پلاستیک جلوگیری به عمل آمده و استحکام تسلیم، نهایی و سختی بهبود می یابد.15

اسلاید 16: کامپوزیتهای ذرات بزرگیک از مثالهای معروف کامپوزیت ذرات بزرگ، بتون و آسفالت میباشد. در بتن ماتریس سیمان و ذرات، شن و ماسه هستند. در آسفالت، ماتریس قیر و ذرات، شن و ماسه هستند.ذرات دارای هندسه های مختلفی هستند. ولی باید ابعادشان در جهتهای مختلف تقریبا یسکان باشد. برای تقویت موثر ذرات باید ریز و بطور یکنواخت داخل ماتریس توزیع شده باشند.کسر حجمی دو فاز تاصیر بسزایی در خواص مکانیکی کامپوزیت دارد. برای تعیین مدول الاستیک کامپوزیت دو رابطه اساسی وجود دارد که توسط آنها میتوان محدود بالا و پایینی برای مدول الاستیک ترکیب را بدست آورد. به این قوانین، قاعده ترکیب rule of mixture گویند.16

اسلاید 17: قاعده یا قانون ترکیبمحدوه بالا برای برای مدول الاستیک کامپوزیت به قرار است: محدوده پایینی برای مدول الاستیک از رابطه زیر بدست می آید:که در آن Em, Ep مدول الاستیک ماتریس و ذرات، Vm, Vp کسر حجمی ماتریس و ذرات است.توجه شود که 17

اسلاید 18: کامپوزیت تنگستن – مس که در آن تنگستن فاز ذره و مس فاز ماتریس است.کامپوزیت ذرات بزرگ در هر سه نوع ماده فلزی، سرامیکی و پلیمری بکار گرفته میشود.سرمتها cermets کامپوزیتهای سرامیکی-فلزی هستند که در آنها ذرات بسیار سخت سرامیکی مثل کربید تیتانیوم (TiC) یا کربید تنگستن (WC) در ماتریس فلزاتی مثل کبالت و نیکل قرار می گیرند.18

اسلاید 19: سرمتها- Cermetsاین کامپوزیتها برای برش فولادهای سخت بکار میروند.ذرات کربید سخت سطح برنده را تشکیل می دهند، ولی عیب آنها ترد بودن بسیار بالای آنها و شکستن در برابر تنشهای برشی میباشد.لذا چقرمگی آنها را با افزودن به ماتریس شکل پذیر فلزی افزایش می دهند. این ماتریس ذرات کربید را از یکدیگر جدا کرده و مانع انتشار ترک از ذره ای به ذره دیگر میشود.هیچ ماده ای به تنهایی خواص سرمتها ندارد. در سرمتها کسر حجمی بالایی از ذرات (در حدود بالای 40%) بکار میرود. مثل سنگ برشها19

اسلاید 20: لاستیکها-Rubberمواد پلیمری نظیر الاستومترها و پلاستیکها به وقور به عنوان ماتریس در کامپوزیت به کار می روند. بسیاری از لاستیکها rubber توسط ذرات کربن سیاه carbon black تقویت شده اند. کربن سیاه شامل ذرات بسیار ریز کروی (قطری در حدود 20-50 nm) است که توسط احتراق گاز طبیعی یا نفت در هوا تولید میشود.وقتی این ماده ارزان به لاستیک اضافه شود، باعث افزایش استحکام نهایی، چقرمگی، مقاومت در برابر خوردگی و پارگی میشود.تایر ماشینها دارای 15-30% کسر حجمی کربن سیاه است.20

اسلاید 21: بتون - Concreteبتون از انواع کامپوزیت ذرات بزرگ است که هر دو فاز ماتریس و تقویت کننده از جنس سرامیکها هستند.گاها اشتباها به آن سیمان Cement گویند.بتون شامل تجمعی از ذرات شن و ماسه است که توسط یک محیط چسبنده جامد (سیمان) به یکدیگر متصل شده اند.برای آنکه میزان سیمان مصرفی (دارای هزینه بالا) کاهش یابد، از ذرات درشت ماسه در بتون استفاده میشود. برای آنکه فضای خالی بین ذرات ماسه پر شود و تماس بین ذرات بخوبی صورت پذیرد، از ذرات شن نیز استفاده میشود.معمولا بین 60-80% کسر حجمی بتون را ذرات ریز و درشت شن وماسه و مابقی را سیمان تشکیل میدهد.21

اسلاید 22: اضافه کردن درست مقدار آب و تلفیق خوب سیمان و آب و ماسه و شن در کیفیت بتون و استحکام مرز مشترک چسبنده بین سیمان و ذرات شن و ماسه موثر است.وجود خاک در شظن ماسه باعث میشود که سیمان بخوبی به ذرات شن و ماسه نچسبد و استحکام بتون کاهش یابد.مزایای بتون: در محل مورد نیاز براحتی ریخته شده و در دمای اتاق سخت میشود. حتی در زیر آب نیز سخت میشود.معایب: بسیار ترد است. استحکام کششی آن 1/15-1/10 استحکام فشاری آن است. سازه های بزرگ بتونی دچار انبساط و انقباض حرارتی قابل توجه میشوند. آب در سطح آن ایجاد حفره کرده و باعث نفوذ آب و یخ زدن آن در هوای سرد میشود.22

اسلاید 23: بتون تقویت شده-Reinforced Concreteاستحکام بتون را بوسیله تقویت کننده هایی از جنس میله یا شبکه های فولادی میتوان افزایش داد. بدین ترتیب سازه تحمل بارهای کششی، فشاری و برشی بیشتری خواهد داشت.تقویت کننده از گسترش ترک داخل بتون جلوگیری میکنند.فولاد تقویت کننده خوبی برای بتون است. زیرا ضریب انبساط حرارتی آن با بتون تقریبا یکی است. همچنین داخل بتون سریعا زنگ نمیزند.چسبندگی بین فولاد و سیمان نسبتا خوب است. این چسبندگی بوسیله ایجادزائده روی میله افزایش میدهند.افزودن الیاف شیشه، نایلون، پولی اتیلننیز باعث افزایش استحکام بتون است.23

اسلاید 24: بتون دارای پیش بار- Prestressed Concreteروش دیگر افزایش استحکام بتون، ایجاد تنشهای پسماند فشاری در آن است. روش اول: سیمهای با استحکام بالا داخل قالب خالی قرار داده شده و تحت کشش قرار میگیرند. بعد از ریختن بتون و سخت شدن آن، نیروی کششی روی سیمها برداشته شده و بتون تحت فشار قرار میگیرد.روش دوم: سوراخهایی را بوسیله تعبیه لوله توخالی در سراسر بتون ایجاد کرده، بعد از سخت شده بتون از این سوراخها سیمهای فولادی رد کرده و تحت کشش قرار میدهند. لذا بتون تحت فشار قرار میگیرد.24

اسلاید 25: کامپوزیتهای تقویت پراکندگی (ذرات ریز)- Dispersion Strengthenedآلیاژهای فلزی و فلزات میتنوانند توسط پخش ذرات بسیار ریز بسیار سخت (مثل ذرات سرامیکی مثل اکسید آلومینیوم) مستحکم و تقویت شوند.مکانیزک تقویت کنندگی شامل جلوگیری از حرکت نابجاییها توسط ذرات تقویت کننده است. این روش در دمای بالا قابل بکارگیری است. ذرات باید بگونه ای انتخاب شوند که با ماتریس واکنشی صورت ندهند.مقدار کسر حجمی ذرات تقویت کنندهدر این حالت کم و در حد چند درصد است.از جمله این کامپوزیتها میتوان به آلومینیوم-اکسید آلومینیوم اشاره داشت. ذرات پودر اکسید آلومینوم بسیار سخت بوده و به ماتریس نرم آلومینیوم اضافه میشوند.25

اسلاید 26: کامپوزیتهای تقویت کننده الیاف- FRCمهمترین نوع کامپوزیت، کامپوزیتهای با فاز تقویت کننده الیاف میباشند. در این نوع کامپوزیتها، بار توسط ماتریس بین الیاف توزیع شده و توسط آنها تحمل میشود.هدف از ساخت کامپوزیتهای تقویت شده الیافی، رسیدن به استحکام و صلبیت بالا در عین سبکی است.برای بیان این خواص از استحکام ویژه و مدول ویژه استفاده میشود:استحکام ویژه (specific strength): نسبت استحکام کششی به وزنمدول ویژه (specific modulus): نسبت مدول الاستیک به وزنکامپوزیتهای الیافی بر مبنای طول الیاف دسته بندی میشوند: الیاف پیوسته و خرددر الیاف کوتاه، طول الیاف بسیار کوتاهتر از آن است که بتوانند تاثیر بسزایی در افزایش استحکام کامپوزیت داشته باشند.26

اسلاید 27: تاثیر طول الیافخواص مکانیکی کامپوزیتهای الیافی، نه تنها به ویژگیهای الیاف بکار رفته، بلکه به درجه انتقال بار به الیاف توسط ماتریس بستگی دارد.درجه انتقال بار به الیاف توسط ماتریس وابسته به استحکام و میزان چسبندگی الیاف به ماتریس در وجه مشترک بین آن دو میباشد.اتصال الیاف و ماتریس در انتهای الیاف پایان می یابد و الگوی تغییر شکل ماتریس در حالت بارگذاری، مطابق شکل است. یعنی انتقال ابر در انتهای الیاف کاهش یافته و پایان میپذیرد.27

اسلاید 28: طول بحرانی الیاف- Critical Fiber Lengthطول بحرانی: حداقل طول مورد نیاز برای آنکه استحکام بخشی الیاف بصورت موثر باشد. طول بحرانی Lc تابعی از قطر الیاف d، استحکام نهایی الیاف و استحکام وجه مشترک الیاف-ماتریس (یا استحکام برشی تسلیم ماتریس، هرکدام کوچکتر است) است:در اغلب کامپوزیتهای الیاف شیشه و کربن، طول بحرانی در حدود 1 mm است که تقریبا 20-150 برابر قطر الیاف است.28

اسلاید 29: طول بحرانی الیافتوزیع تنش در الیاف با طول برابر طول بحرانی، کوچکتر و بزرگتر از آن در حالیکه تنش اعمالی به کامپوزیت برابر استحکام نهایی الیاف است، مطابق شکل است.در طول بحرانی، تنها در وسط الیاف به حداکثر تحمل بار میتوان دست یافت.اگر طول الیاف کمتر از طول بحرانی باشد، از حداکثر ظرفیت باربرداری الیاف استفاده نشده است.29به کامپوزیتهایی که در آن طول الیاف L>>Lc باشد (معمولا L>15Lc)، کامپوزیت با الیاف پیوسته (Continuous) گویند. در غیر اینصورت به آن کامپوزیت با الیاف خرد یا کوتاه (short) گویند.

اسلاید 30: تاثیر زاویه الیاف و غلظت الیافزوایه الیاف و غلظت الیاف تاثیر بسزایی در خواص و استحکام کامپوزیت دارد.با توجه به زاویه الیاف دو حالت امکان وقوع دارد:چیدمان موازی و همراستای تمامی الیاف در یک جهتجهتگیری نامنظم و تصادفی الیاف نسبت به یکدیگرالیاف پیوسته معمولا همراستاهستند. در حالیکه الیاف خرد ممکن است همراستا و یا با جهتتصادفی باشند. توزیع الیاف معمولا یکنواخت است.30

اسلاید 31: کامپوزیتهای الیاف پیوسته همراستارفتار تنش-کرنش در بارگذاری کشش طولیپاسخ مکانیکی این نوع کامپوزیتها به سه عامل اساسی بستگی دارد:رفتار تنش-کرنش فاز ماتریس و فاز الیافکسر حجمی الیاف و ماتریسجهت اعمال بارکامپوزیتهای با الیاف همراستا، خواص ناهمسانگرد (anisotropic) دارند.نمودار تنش-کرنش برای فاز الیاف، فاز ماتریس و کامپوزیت در حالت بارگذاری طولی در شکل نشان داده شده است. فرض شده که الیاف کاملا ترد و ماتریس شکل پذیر است.31

اسلاید 32: رفتار تنش-کرنش در بارگذاری کشش طولی32

اسلاید 33: رفتار تنش-کرنش در بارگذاری کشش طولیدو مرحله در رفتار کامپوزیت مشاهده میشود:مرحله اول: هردوی الیاف و ماتریس بصورت الاستیک تغییر شکل میدهند. در این مرحله معمولا نمودار کامپوزیت بصورت خطی است. مرحله دوم: بعد از مرحله اول و در کرنشها بزرگتر از که ماتریس بصورت پلاستیک تغییر شکل میدهد. در حالیکه الیاف هنوز در منطقه رفتار الاستیک خطی هستند. در مرحله دوم رفتار شبیه خطی است، ولی با این تفاوت که شیب آن کاهش یافته است.با عبور از مرحله اول و ورود به مرحله دوم، مقدار باری که به دوش الیاف می افتد، افزایش می یابد.شروع تخریب کامپوزیت زمانی است که الیاف شروع به شکست میکنند یعنی در کرنش تقریبی 33

اسلاید 34: تخریب کامپوزیت از جنس شکستهای ناگهانی نیست. به دو علت:همه الیاف در یک زمان دچار شکست نمیشوند. زیرا استحکام آنها دقیقا یکی نیست.بعد از شکست الیاف، ماتریس هنوز دچار تخریب نشده است. لذا الیاف شکسته شده هنوز داخل ماتریسی قرار دارند که تغییر شکل پلاستیم میدهد. فلذا میتوانند قسمتی از بار را هنوز تحمل کنند.البته تخریب کامپوزیت از نوع شکستهای ناگهانی (catastrophic) نیست. این امر به دو علت است:همه الیاف در یک زمان دچار شکست نمیشوند. زیرا استحکام نهایی آنها دقیقا یک عدد نیست.بعد از شکست الیاف، ماتریس هنوز دچار تخریب نشده است( ). بنابراین الیاف شکسته شده در داخل ماتریس با تغییر شکل پلاستیک هستند و هنوز میتوانند بارتحمل کنند.34

اسلاید 35: رفتار الاستیک-بارگذاری طولیحال توجه خود را به رفتار الاستیک (منطقه اول) کامپوزیتهای الیاف با بارگذاری در راستای طولی معطوف میکنیم. فرض میشود که اتصال ماتریس و الیاف کاملا چسبنده است. لذا جابجایی آنها در راستای طولی در وجه مشترک یکسان است (فرض هم کرنشی).کل باری که توسط کامپوزیت تحمل میشود Fcبرابر است با مجموع بارهای تحمل شده توسط الیافFf و توسط ماتریس Fm.لذا با توجه به مفهوم تنش داریم:35

اسلاید 36: با تقسیم طرفین رابطه بر سطح مقطع کل Ac داریم:بنابراین تنشی که در الیاف و یا ماتریس توزیع میشود وابسته به کسر حجمی آنهاست. از طرفی در هم کرنشی (isostrain) کرنش طولی الیاف، ماتریس و کامپوزیت یکسان است. لذا با تقسیم طرفین بر کرنش کامپوزیت داریم:در واقع کامپوزیت بصورت یک ماده همگن با مدول الاستیک طولی Ecl بصورت زیر فرض شده است:چگالی متوسط کامپوزیت نیز از رابطه مشابه بدست می آید:36

اسلاید 37: نسبت بار الیاف به بار ماتریسبا استفاده از روابط قبلی نسبت باری بر دوش الیاف افتاده نسبت به ماتریس بصورت زیر بدست می آید:37

اسلاید 38: مثالیک کامپوزیت الیاف پیوسته حاوی 40% کسر حجمی الیاف شیشه و 60% کسر حجمی رزین پولی استر میباشد. مدول الاستیسیته الیاف شیشه 69 Gpa و پولی استر بعد از آنکه سخت شد، 3.4 Gpa است. موارد زیر را حساب کنید:الف) مدول الاستیسیته کامپوزیت در جهت طولیب) اگر سطح مقطع کامپوزیت 250 mm2 باشد و تنش در راستای طولی 50 Mpa به کامپوزیت اعمال شود، مقدار باری که توسط هر یک از فازها تحمل میشود.ج) کرنش هر فاز را محاسبه نمایید.حل:38

اسلاید 39: مثال39محاسبه کرنش هر فاز

اسلاید 40: رفتار الاستیک-بارگذاری عرضیدر حالتی که کامپوزیت با الیاف پیوسته همراستا در جهت عرضی بارگذاری شود، تنش در کامپوزیت با تنش در هر یک از فازهای ماتریس و الیاف برابر است (هم تنشی):تغییر شکل یا کرنش عرضی کل کامپوزیت از رابطه زیر تبعیت میکند:40

اسلاید 41: اثبات:در منطقه یک، رفتار کامپوزیت الاستیک خطی است. لذا داریم:لذا مدول الاستیک عرضی کامپوزیت از رابطه بدست می آید. روابط بدست آمده برای مدول الاستیک جانبی و طولی را برای کامپوزیتهای ذره ای (ذرات درشت) نیز میتوان بکار برد که در آن Ec=Ecl=Ect که در قبل به عنوان روابط حد بالا و حد پایین بیان شدند.41

اسلاید 42: مثالمثال قبلی را برای برای حالت بارگذاری جانبی حل کنید.مدول الاستیک عرضی مقدار کمی بزرگتر از مدول الاستیک ماتریس است و در حدود 1/5 مدول الاستیک طولی کامپوزیت است.42

اسلاید 43: استحکام نهایی طولیاستحکام نهایی برابر حداکثر تنشی است که کامپوزیت میتواند تحمل کند (حداکثر تنش در نمودار تنش-کرنش) و مترادف است با نقطه شکست الیاف.مد تخریب در کامپوزیتها مقداری پیچیده و وابسته به خواص ماتریس، الیاف، و وجه مشترک الیاف با ماتریس است.معمولا لذا الیاف زودتر از ماتریس دچار شکست شده و باری آنها به دوش ماتریس می افتد.استجکام نهایی از رابطه زیر: تنش ماتریس در کرنش است.43

اسلاید 44: استحکام نهایی عرضیاستحکام نهایی کامپوزیتهای با الیاف پیوسته و تک جهته (unidirectional) ناهمسانگرد است. این نوع کامپوزیتها معمولا برای تحمل بار در راستای طولی طراحی میشوند.انا به هر حال باگذاریهای عرضی هرچند کم، همواره موجودند. در این بارگذاریها، احتمال تخریب زودرس کامپوزیت وجود دارد. زیرا استحکام عرضی این نوع کامپوزیتها بسیار پایین است.استحکام طولی بیشتر تحت تاثیر استحکام الیاف است. اما در استحکام عرضی خواص تابعی از سه عامل است:خواص الیاف و ماتریساستحکام وجه مشترک الیاف و ماتریسوجود حباب (void)اغلب برای بهبود استحکام عرضی کامپوزیت، خواص ماتریس را بهبود میدهند.44

اسلاید 45: مشاهده میشود استحکام عرضی بسیار کمتر از استحکام طولی کامپوزیت و بعضا حتی کمتر از استحکام ماتریس است. در اینحالت کامپوزیت بجای تقویت، تضعیف شده است.45

اسلاید 46: سوالمشخصات 4 کامپوزیت فرضی داده شده است. آنها را بر اساس استحکام رده بندی نمایید.بر اساس معیار طول بحرانی ایلاف، کامپوزیت A جزء کامپوزیتهای الیاف خرد بوده و مابقی کامپوزیت با الیاف پیوسته هستند.با توجه به کسر حجمی و استحکام بیشتر الیاف کربن نسبت به الیاف شیشه، رده بندی بصورت C, D,B, A است.46

اسلاید 47: کامپوزیتهای الیاف ناپیوسته همراستااگرچه تقویت کنندگی الیاف ناپیوسته کمتر از الیاف پیوسته است، اما استفاده از در حال گسترش است. الیاف خرد شیشه (chopped-glass fiber) در صنعت کامپوزیت به وفور استفاده میشود.الیاف خورد کربن و آرامید نیز در برخی موارد کاربرد دارد.کامپوزیتهای الیاف کوتاه در صورت ساخت صحیح، میتوانند مدول الاستیسیته برابر 90% و استحکام برابر 50% کامپوزیتهای الیاف پیوسته همتای خود داشته باشند.47

اسلاید 48: استحکام این نوع کامپوزیتها با توجه به طول الیاف در دو حالت محاسبه میشود:طول الیاف ناپیوسته همراستا (lc<l<15lc). استحکام نهایی طولی:طول الیاف ناپیوسته همراستا (l<lc). استحکام نهایی طولی:که در آن d قطر الیاف، c استحکام وجه مشترک الیاف با ماتریس (یا استحکام تسلیم برشی ماتریس هر کدام کوچکتر است) میباشند.48

اسلاید 49: کامپوزیتهای الیاف ناپیوسته با جهتهای تصادفیچنانچه جهت الیاف تصادفی باشد، ازالیاف خرد استفاده میشود. در این حالت قانون ترکیب (rule of mixture) برای مدول الاستیسیته بصورت زیر است:K پارامتر موثری الیاف (fiber efficiency) است که به مقدار آن وابسته به کسر حجمی الیاف Vf و نسبت Ef/Em است. مقدار K کوچکتر از یک و مابین 0.1<K<0.6 است.49

اسلاید 50: در جدول زیر اثر تقویت کنندگی الیاف خرد بر پلی کربنات بررسی شده است.ملاحظه میشود که با وجود آنکه چگالی ماده خیلی عوض نشده است، استحکام نهایی آن حدودا 3 برابر و مدول الاستیسیته حدودا 5 برابر شده است. همچنین پلیکرنبات شکل پذیر بسیار تردتر شده است.با افزایش کسر حجمی الیاف خرد، تقویت کنندگی آن افزایش می یابد.50

اسلاید 51: مطالب بالا در مورد تقویت کنندگی الایف در جدول ذیل خلاصه شده است.کامپوزیتهای با الیاف همراستا به شدت ناهمسانگرد هستند. در این کامپوزیتها حداکثر استحکام و تقویت کنندگی در جهت الیاف است و در جهت عرضی عملا هیچ تقویت کنندگی صورت نمیگیرد (شکست کامپوزیتها معمولا در این راستا صورت میگیرد). 51

اسلاید 52: اعمال بارگذاری در جهتهای مختلفاگر یک کامپوزت در معرض تنشهای چند محوره قرار گیرد، از دو روش برای تحمل بار میتوان استفاده نمود:استفاده از چند صفحه کامپوزیتهای همراستا که در جهتهای مختلف به هم چسبانده شده اند که به آنها کامپوزیتهای چندلایه (laminar) گویند.استفاده از الیاف خرد با جهات مختلف و رندوممطابق جدول قبلی ملاحظه میشود که روش دوم بین 20-37% باعث تقویت کامپوزیت میشود. ولی خواص مکانیکی کامپوزیت در آن همسانگرد است.انتخاب نوع الیاف مور استفاده در کامپوزیت (طول و جهت) وابسته به طبیعت و بزرگی بارگذاری و هزینه ساخت است. در کامپوزیتهای الیاف ناپیوسته نسبت به الیاف پیوسته نرخ تولید و توان تولید شکلهای پیچیده تر، بسیار بیشتر و هزینه ساخت بسیار کمتر است.52

اسلاید 53: روشهای تولید کامپوزیتهای الیاف خرد همانند پلیمرها شامل پرسکاری (compression)، تزریق (injection) و اکستروژن باشد که در روشهای ساخت مفصلا بحث خواهد شد.53

اسلاید 54: فاز الیافاغلب مواد بخصوص مواد ترد، بصورت نازک و الیاف بسیار مستحکم تر از حالت حجیمشان (bulk) هستند. این امر به علت کمتر شدن احتمال حضور ترکهای با طول بحرانی با کوچک شدن ابعاد ماده است. از این خاصیت در الیاف برای تقویت کنندگی استفاده میشود (معمولا استحکام الیاف از مرتبه Mpa به مرتبه Gpa ارتقاء یافته است). ضمن آنکه الیاف از مواد با استحکام بالا ساخته میشوند.بر مبنای قطر الیاف، ماد به سه دسته تقسیم میشوند:WhiskerFiberWireقطر whisker بسیار نازک (در حد یک بلور) بوده و لذا تقریبا بدون ترک زیر (flaw) میباشد. این مواد جزء مستحکمترین مواد میباشند.54

اسلاید 55: با وجود استحکام بالای whisker از آنها برای ساخت کامپوزیت استفاده نمیشود. زیرا اولا قیمت بسیار بالایی دارند و ثانبا تلفیق موثر whisker با ماتریس غیرعملی است.از مواد whisker میتوان گرافیت، کربید سیلیکون، نیترید سیلیکون و اکسید آلومینیوم را نام برد.دسته دیگر مواد الیاف (fiber) شامل مواد با قطر کوچک در حد چند بلور میباشند. معمولا شامل مواد پلیمری و سرامیکی مثل شیشه، آرامید (پلیمری)، کربن، بورون، اکسید آلومینیوم و کربید سیلسیوم میباشد.دسته دیگر مواد سیمها (wire) دارای قطر بزرگ میباشند و میتوان به سیمهای فولادی و تنگشتن اشاره کرد. از سیمها برای تقویت در تایرهای ماشین، بدنه موشکها و مخازن تحت فشار (filament woumding) استفاده میشود.55

اسلاید 56: 56

اسلاید 57: فاز ماتریسفاز ماتریس شامل موادی از دسته فلزات، سرامیکها و پلیمرها میباشد. اغلب ماتریسها از جنس پلیمری و یا فلزی میباشند. زیرا به مقداری شکل پذیری در ماتریس احتیاج است. در کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، فاز تقویت کننده عمدتا برای برای بهبود چقرمگی شکست کامپوزیت، افزوده میشود.در کامپوزیتهای الیافی، ماتریس چندین وظیفه به شرح زیر دارد:ماتریس الیاف را در کنار یکدیگر نگه میدارد.تنشهای اعمالی به سازه را به الیاف منتقل کرده و بین آنها توزیع مینماید. بخش کوچکی از بارگذاری توسط خود ماتریس تحمل میشود. لذا ماتریس باید از مواد شکل پذیر باشد و مدول الاستیک الیاف بسیار بیشتر از آن باشد.از سطح الیاف در برابر سائیدگی مکانیکی و خوردگی شیمیایی محافظت مینماید. سائیدگی و خوردگی باعث ایجاد ترک ریز در سطح الیاف و در نتیجه شکست کامپوزیت در تنشهای کم میشود.57

اسلاید 58: ماتریس باعث جداکردن الیاف از یکدیگر و جلوگیری از رشد ترک ترد از لیفی به لیف دیگر میشود. لذا ماتریس باید از مواد نرم تشکیل شده باشد و به عنوان سدی در برابر رشد ترک عمل کند. به همین دلیل در کامپوزیتها شکست ناگهانی روی نمیدهد.بسیار ضروری است که پیوند بین الیاف و ماتریس از استحکام بالایی برخوردار باشد. در واقع استحکام وجه مشترک الیاف با ماتریس عامل بسیار مهم در انتخاب ترکیب الیاف-ماتریس است.استحکام ماتریس تا حد زیادی وابسته به میزان چسبندگی ماتریس به الیاف است. زیرا باعث انتقال موثر تنش از ماتریس ضعیف به الیاف قوی میشود.58

اسلاید 59: کامپوزیتهای پایه پلیمری Polymer Matrix Compositeکامپوزیتهای پایه پلیمری (PMC) شامل یک رزین پلیمری (resin) به عنوان ماتریس به همراه تقویت کننده های الیافی است. به علت راحتی ساخت، ارزانی و خواص مناسب در دمای اتاق این نوع کامپوزیتها در تنوع و تعداد فراوان تولید میشوند. در بخشهای بعدی تعدادی از انواع کامپوزیتهای پایه پلیمری از جمله GFRP و CFRP و AFRP بررسی میشوند که در آنها برای تقویت به ترتیب از الیاف شیشه، کربن و آرامید استفاده شده است.معمولا 30-40% کسر حجمی کامپوزیت را رزینها تشکیل میدهند.59

اسلاید 60: کامپوزیتهای با الیاف شیشه GFRPفایبرگلاس یک کامپوزیت شامل الیاف شیشه (پیوسته یا ناپیوسته) داخل ماتریس پلیمری می باشد.قطر الیاف شیشه معمولا 3-20 m است. علت مقبولیت الیاف شیشه به دلایل زیر است:الیاف شیشه براحتی از کشش مذاب شیشه تولید میشوند.به راحتی در دسترس است و در روشهای مختلف تولید کامپوزیت میتوانند بکار روند.استحکام ویژه بالایی در ماتریسهای پلاستیکی تولید میکنند.تلفیق الیاف شیشه با ماتریس پلاستیکی تولید کامپوزیت مقاوم در برابر شرایط محیطی میکند.60

اسلاید 61: سطح الیاف شیشه باید عاری از هرگونه ترک ریز باشد (کاهش استحکام). این ترکهای ریز سطحی به راحتی بر اثر سایش با دیگر مواد سخت بوجود می آیند.در معرض هوا قرار گرفتن سطح الیاف، حتی به مدت کوتاه باعث ضعیف شدن سطح الیاف و در نتیجه ضعیف شدن استحکام وجه مشترک الیاف با ماتریس میشود.برای جلوگیری از موارد بالا، به سطح الیاف در هنگام تولید آستری میزنند.معایب کامپوزیتهای الیاف شیشه:با وجود استحکام بالا، صلبیت و سفتی بالایی ندارند.دمای کاری آن پایین و زیر 200cاست. در دمای بالاتر پلیمرها شروع به ترک خوردن میکنند.61

اسلاید 62: الیاف شیشه در سه دسته عمده E-glass, C-glass, S-glass تولید میشوند. در مصارف عمومی از الیاف E استفاده میشود. در مواردی که نیاز به مقاومت بیشتری در برابر آب و مواد شیمیایی خورنده است، از الیاف C و در مصارف سازه ای برای استحکام بیشتر از الیاف S استفاده میشود.انواع الیاف شیشه62

اسلاید 63: کامپوزیتهای با الیاف کربن CFRP کربن جزء الیاف با عملکرد بالا میباشد که در کامپوزیتهای پیشرفته بکار میرود. دلایل استفاده از الیاف کربن:کربن بیشترین استحکام ویژه و مدول ویژه را بین تمامی الیاف در کامپوزیتها ایجاد میکند.در دمای بالا استحکام و مدول بالای خود را حفظ میکند. البته زودتر اکسید میشود.در دمای اتاق، رطوبت و مواد خورنده در آن تاثیری ندارد.با توجه به خواص مهندسی بسیار مطلوب آن قیمت نسبتا مناسبی دارد.الیاف کربن از سه دسته مواد مختلف تولید میشوند: رایون (rayon) – پلی اکریلونیتریل (PAN) – مواد قیر مانند (pitch)قطر الیاف کربن معمولا 4-10 m است.63

اسلاید 64: بر اساس مدول کششی الیاف کربن به 4 دسته تقسیم میشوند: استاندارد – متوسط (IM) – بالا (HM) – بسیار بالا (UHM)الیاف کربن بصورت پیوسته و خورد تولید میشوند. الیاف کربن توسط یک آستری اپوکسی پوشش داده میشوند (نقش محافظتی و بهبود چسبندگی به ماتریس پلیمری)64

اسلاید 65: کامپوزیتهای با الیاف آرامیدالیاف آرامید مواد با استحکام و مدول بالایی هستند که در سال 1970 شناسایی شدند. کامپوزیتهای ساخته شده از این الیاف به ویژه به دلیل نسبت استحکام به وزن بالا مورد توجه هستند.الیاف آرامید از مواد مختلف پلیمری ساخته میشوند که معروفترین آنها الیاف کولار (Kevlar) و نامکس (Nomex) هستند. الیاف کولار، در درجه بندیهای مختلف (29, 49, 149) تولید میشود.الیاف کولار بیشترین استحکام و مدول کششی را بین انواع الیاف پلیمری داراست. ولی کامپوزیتهای تقویت شده با این الیاف در فشار ضعیف هستند. کامپوزیتهای الیاف کولار، دارای چقرمگی بالا، مقاومت در برابر ضربه، مقاومت در برابر خزش و خستگی بالایی برخوردارند.در دماهای بالا خواص مکانیکی خود را حفظ میکنند (-200<T<200c) و در برابر احتراق مقاوم هستند.65

اسلاید 66: الیاف کولار در برابر مواد شیمیایی مقاوم نیستند. الیاف آرامید اغلب در کامپوزیتهای پایه پلیمری به همراه ماتریسهای اپوکسی و پولی استر بکار میروند. کامپوزیتهای تقویت شده با این الیاف نسبتا انعطاف پذیر و نرم بوده و اغلب برای مصارف پرتابه ای (ضد گلوله-ضد ضربه-زره)، بدنه موشکها، مخازن تحت فشار و جایگزین آزبست در صنایع خودرویی بکار میرند.66

اسلاید 67: در جدول زیر خواص مکانیکی کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف گوناگون در جهت طولی و عرضی آنها نمایش داده شده است.کمترین چگالی- بیشترین مدول – بیشترین استحکام67H.Biglari-Tabriz University

اسلاید 68: تست کشش الیاف برای یافتن خواص آنها68

اسلاید 69: شکل الیاف-تحقیقانواع محصولات یک شرکت داخلی و یک شرکت خارجی را یافته، دسته بندی نموده و بصورت یک گزارش ارائه نمایید. خواص آنها را در جدول مقایسه نمایید.ماتریسهای مناسب با این الیاف را معرفی نمایید.69

اسلاید 70: طرح الیاف- Fibers Architectureطرح الیاف بیانگر نحوه چیدمان الیاف داخل کامپوزیت و در نتیجه تعیین کننده خواص کامپوزیت است. حتی بر پارامترهای ساخت کامپوزیت نیز تاثیرگذار است.الیاف بصورت یک بعدی، دو بعدی و سه بعدی طراحی و بافته میشوند. در الیاف یک بعدی، تمامی رشته (strands-yarns) در یک جهت میباشند. لذا استحکام کامپوزیت در راستای الیاف بسایر خوب و درجهت عمود بر آن بسیار ضعیف است.برای جبران این نقیصه از چند لایه الیاف تک جهته در زوایای مختلف استفاده میشود. ولی خواص ضعیف بین لایه ای در چندلایه ها بعلاوه تنشهای کششی و برشی بالای بوجود آمده در آن باعث تورق (Delamination) میشود.70

اسلاید 71: در الیاف دوبعدی، الیاف پیوسته بصورت دو جهته و چند جهته برای تقویت خواص در جهتهای مختلف بافته میشوند. الیاف دو بعدی دارای الگوهای مختلفی میباشند.الیاف دوبهدی میتوانند دارای جهتهای تصادفی بصورت الیاف خرد یا پیوسته نیز باشند.71

اسلاید 72: در الایف سه بعدی، علاوه بر تقویت کامپوزیت در دو جهت (x,y)، در جهت z نیز کامپوزیت تقویت میشود.72

اسلاید 73: الیاف دیگرالیاف شیشه، کربن و آرامید معمولترین الیاف مورد استفاده در کامپوزیتهای زمینه پلیمری هستند.الیاف دیگری به غیر از الیاف بالا وجود دارند که کمتر مورد استفاده قرار میگیرند. از جمله الایف بور یا بورون، کربید سیلیکون، اکسید آلومینیومکامپوزیت با الیاف بور معمولا در هواپیماهای نظامی و تیغه هلیکوپتر بکار میرود.کامپوزیتهای الیاف کربید سیلیکون و اکسید آلومینیوم در راکتهای تنیس، بوردهای الکتریکی، زره های نظامی و دماغه های راکتها کاربرد دارد.73

اسلاید 74: مواد ماتریسهای پلیمریمعمولا دمای کاری کامپوزیتها زمینه پلیمری توسط ماتریس مشخص میشود. زیرا دمای ذوب یا تجزیه ماتریسهای پلیمری بسیار پایین تر از دمای الیاف است.دمای گذار شیشه (glass transition temp.): دمایی که با عبور از آن رفتار پلیمر از حالت نرم لاستیکی به حالت صلب شیشه ای تغییر میکند. رفتار صلب شیشه ای در زیر دمای گذار شیشه برای مواد پلیمری رخ میدهد. رفتار صلب شیشه ای برای ماتریسهای پلیمری در کامپوزیت مناسب تر است. زیرا ماتریس بهتر میتواند بار را به الیاف منتقل کند و از کمانش الیاف جلوگیری کند.دمای گذار شیشه، محدود کننده دمای عملکرد کامپوزیت است. رطوبیت باعث میشود تا دمای گذار ماتریس کاهش یابد و این خطرناک است.74

اسلاید 75: رزینها به دو دسته گرماسخت (ترموست) (theromset) و گرمانرم (ترموپلاستیک) (thermoplastic) تقسیم میشوند. ترموستها رزینهایی هستند که بر اثر حرارت واکنش شیمیایی برگشت ناپذیر انجام میدهند که اصطلاحا به آن پخت شدن (curing) گویند. در پخت شدن، ترموستها لینکهای عرضی (cross-linked) در ساختار خود ایجاد میکنند.رزینهای ترموست بعد از پخت شدن، اگر دوباره حرارت ببینند، ذوب نمیشوند و شکل خود را حفظ میکنند، تا جاییکه شروع به تجزیه کنند.رزینهای ترموپلاستیک، بعد از انجماد، چنانچه حرارت ببینند، دوباره ذوب شده و میتوان دوباره آنها را شکل داد. لذا کامپوزیتهای ترموپلاستیک قابلیت تعمیر دارند.75ماتریس ترموست و ترموپلاستیک

اسلاید 76: از رزینهای پلیمری ارزان و پرکاربرد میتوان به پولی استر و وینیل استر اشاره داشت که در کامپوزیتهای الیاف شیشه بکار میروند. اپوکسی ماتریس پلیمری نسبتا گرانتری نسبت به دو رزین دیگر است و در کاربردهای صنعتی بخصوص هوافضا به وفور استفاده میشود.اپوکسی دارای خواص مکانیکی بهتری نسبت به پولی استر و وینیل استر بوده و در برابر رطوبت مقاومتر است. برای کاربردهای در دمای بالاتر معمولا از رزین پولی ایمید استفاده میشود. از این پلیمر بطور پیوسته تا دمای 230c میتوان استفاده نمود.رزینهای ترموپلاستیک همانند PEEK و PPS و PEI را در دماهای بالاتر در مصارف هوافضایی میتوان بکار گرفت.خواص مکانیکی انواع رزینها در کتاب Mallik و یا Callister (پیوستها) موجود است.76

اسلاید 77: 77

اسلاید 78: مثالیک لوله از جنس کامپوزیت با الایفل پیوسته به قطر خارجی do=70 mm و قطر داخلی di=50 mm و طول 1 m احتیاج است. مهمترین معیار طراحی مدول الاستیسیته طولی لوله است. بگونه ای که در آزمایش خمش سه نقطه، تحت بار 1000 N خیز آن از 0.35 mm بیشتر نشود. اگر فقط از الیاف در راستای طولی استفاده شود و مجاز باشیم که از یکی از الیاف شیشه، کربن با مدولهای استاندارد، متوسط و بالا با حداکثر کسر حجمی 0.6 استفاده نماییم، کدام الایف مناسب است؟هزینه کدام الیاف به صرفه تر است؟78

اسلاید 79: از آزمایش سه نقطه تیر با مقطع دایروی داریم:79

اسلاید 80: حال از قانون ترکیبها استفاده میکنیم:در جدول زیر کسر حجمی الیاف مورد نیاز برای تامین مدول الاستیک مورد نیاز کامپوزیت محاسبه شده است.مشاهده میشود که از الیاف شیشهنمیتوان استفاده نمود.برای محاسبه هزینه، از روی کسر حجمی، حجم هر یک از فازها، سپس جرم و بعد هزینه ها محاسبه میشود. حجم کامپوزیت برابر است با:80

اسلاید 81: محاسبات صورت گرفته در جدول زیر خلاصه شده است.الیاف کربن با مدول استاندارد از لحاظ هزینه مناسب تر است.جرم کل لوله کامپوزیتی برابر 2.514 kg میشود.همین لوله از جنس آلومینیوم با مدول الاستیسیته 70 Gpa و چگالی 2.70 g/cm3 برابر است با 5.090 kg و قیمت 7$/kg برابر 35.6$ است.81

اسلاید 82: کامپوزیتهای پایه فلزی- MMCدر این کامپوزیتها، ماتریس فلز نرم و شکل پذیر است. مزیت این نوع کامپوزیتها نسبت به کامپوزیتهای پایه پلیمری، شامل دمای کاری بالاتر، غیر قابل اشتعال بودن و مقاومت در برابر کاهش خواص مواد در برابر رطوبت است.کامپوزیتهای پایه فلزی بسیار گرانتر از پایه پلیمری هستند و لذا بکارگیری آنها بسیار محدودتر است.برای ماتریس فلزی معمولا از فلزات آلومینیوم، منیزیوم، تیتانیوم و مس استفاده میشود.فاز تقویت کننده بصورت ذرات، الیاف خرد و پیوسته با کرسر حجمی 10-60% استفاده میشود. الیاف پیوسته اغلب از جنس کربن، کربید سیلیکون، بور و اکسید آلومینیوم و فلزات دیرگداز است. از ویسکرزهای کربید سیلیکون، الیاف خرد اکسید آلومینیوم و کربن، و ذرات کربید سیلیکون و اکسید آلومینیوم نیز استفاده میشود.82

اسلاید 83: روش تولید کامپوزیتهای پایه فلزی شامل دو بخش اصلی است: 1- ترکیب کردن و در کنار هم قرار دادن فاز تقویت کننده و ماتریس 2- شکل دهی کامپوزیت.کاربرد کامپوزیتهای پایه فلزی در صنایع رو به گسترش است. در خودروسازی برخی قسمتهای موتور شامل ماتریس آلومینیوم تقویت شده با الیاف کربن و اکسید آلومینیوم است. در صنایع هوافضایی از ماتریس آلومینیوم با تقویت کننده الیاف بورون و یا کربن در بدنه شاتلها و تلسکوپ هابل استاده شده و میشود.83

اسلاید 84: کامپوزیتهای پایه سرامیکی - CMCسرامیکها جزء مواد مقاوم در برابر خوردگی و در دماهای بالا هستند. ولی مقدار چقرمگی شکست بسیار کم و در حدود 1-5 Mpa.m-0.5میباشند. بیشتر فلزات دارای چقرمگی شکست 15-50 Mpa.m-0.5میباشد.لذا از کامپوزیتهای پایه سرامیکی با تقویت کننده ذرات، الیاف و ویسکرز برای افزایش چقرمگی شکست استفاده میشود. در کامپوزیتهای پایه سرامیکی، چقرمگی شکست به 6-20 Mpa.m-0.5 ارتقاء می یابد.بهبود چقرمگی شکست به دلیل اندرکنش فاز تقویت کننده با ترک می باشد. رشد ترک معمولا در ماتریس صورت می پذیرد. ولی فاز تقویت کننده مانع رشد ترک می شود.مکانیزمهای متفاوتی برای جلوگیری از رشد ترک توسط فاز تقویت کننده وجود دارد.84

اسلاید 85: مثلا افزایش ویسکرزهای سرامیکی از جنس SiC, Si3N4 به ماتریسهای سرامیکی مطابق جدول باعث افزایش استحکام شکست و چقرمگی شکست میشود. به دلایل زیر:کاهش تیزی نوک ترکایجاد پلهایی بر روی سطوح ترکجذب انرژی در حین بیرون آمدن ویسکرز از ماتریس هنگام رشد ترکدر کامپوزیتهای پایه سرامیکی عمر خزش و مقاومت در برابر بارگذاری حرارتی ناگهانی نیز افزایش می یابد.85

اسلاید 86: کامپوزیتهای هیبریدی – Hybrid Compositeدر این نوع کامپوزیتهای الیافی، به جای استفاده از یک نوع الیاف، از چند نوع الیاف بصورت همزمان به عنوان تقویت کننده استفاده میشود. یک از متداول ترین آنها استفاده، کامپوزیتهای پایه پلیمری با الیاف کربن و شیشه است. الیاف کربن به تنهایی هزینه را بالا می برد. برای حفظ قیمت و در حین حال داشتن کامپوزیت با استحکام و صلبیت بالا، از الیاف شیشه و کربن استفاده میشود.دو صورت کامپوزیتهای هیبریدی:در کنار هم قرار گرفتن الیاف متفاوت در یک لایهداشتن لایه های متفاوت از الیاف متفاوت86

اسلاید 87: فرآیندهای ساخت کامپوزیتدو دسته روش کلی ساخت وجود دارد:الیاف و ماتریس در هنگام ساخت در کنار یکدیگر قرار میگیرند.الیاف و ماتریس قبلا مخلوط شده و در هنگام ساخت استفاده میشوند.روشهای متداول ساخت کامپوزیتهای الایف پیوسته بصورت زیر است:پالتروژن-Paltrusion: این روش برای ساخت قطعات طویل و سطح مقطع یکنواخت (لوله-تیر-پروفل) مناسب است.الیاف آغشته به رزین ابتدا به داخل قالب فلزی برای شکل دهی اولیه و سپس به داخل قالب پخت برای شکل گیری نهایی و پخت میروند.87

اسلاید 88: کامپوزیتهای نیم پخت-Prepreg: پری پرگ (preimpregnated) یک واژه صنعتی که به کامپوزیتهای الیاف پیوسته داخل رزین پلیمری گویند که بطور کامل پخت و سفت نشده اند.این کامپوزیتها به فرم نوار به سازنده های کامپوزیت تحویل داده میشود. سازنده آنرا مستقیما داخل قالب قرار داده و پخت مینماید.این نواره ها در پهنا 15-1525 mm و در ضخامتهای 0.08-0.25 mm تهیه میشوند. کسر حجمی رزین در آنها در حدود 35-45% است.- صفحه carrier- صفحه release- غلطکهای اتوکشی(calender)- نقش تیغه (doctor blade)88فیلم

اسلاید 89: در دمای اتاق، رزینهای گرماسخت شروع به پخت مینمایند. لذا نوارهای prepreg باید در دمای زیر صفر درجه نگهداری شوند. بدین صورت میتوان تا شش ماه آنها را نگهداری نمود.در هنگام ساخت باید مدت زمان محدودی در دمای اتاق قرار گیرند.برای استفاده از آنها ابتدا باید ورق carrier از روی آنها برداشته شود. سپس به تعداد لازم روی قالب، لایه چینی شده و پخت میشود.ورقهای SMC (Sheet Molding Compound) :همانند ورقهای prepreg است. با این تفاوت که در آن از الیاف خرد نیز استفاده میشود.این ورقها عمدتا برای تولید به روش قالب تهیه میشوند. لذا از رزینهای با زمان پخت پایین مثلپلی استر و وینیل استر استفاده میشود و کمتر از اپوکسی استفاده میشود.89

اسلاید 90: ورقهای SMC به سه دسته کلی تقسیم میشوند:SMC-R, SMC-CR, XMC پروسه تولید این ورقها در شکل شماتیک زیر نشان داده شده است.90

اسلاید 91: الیاف پیچی (Filament Winding):در این روش الیاف بطور پیوسته بدور نمونه الگویی که باید ساخته شود، پیچیده میشوند. الیاف بصورت تکی یا دسته ای ابتدا به داخل حمام رزین رفته و سپس بصورت پیوسته بدور یک مرغک (mandrel) پیچیده میشوند.بعد از پیچیدن به تعداد دور کافی، در دمای اتاق یا کوره پخت شده و مرغک از آن جدا میشود. از نوارهای prepreg نیز گاها بجای الیاف استفاده میشود.الگوهای متفاوتی برای پیجیدن الیاف بدور مرغک برای تامین خواص مکانیکی مورد نیاز وجود دارد.محیطی-مارپیچ-قطبیدر این روش به توزیع یکنواخت و منظم بسیار بالایی از الیاف میتوان دست یافت.91

اسلاید 92: روشهای تولید بر مبنای قالب (Molding Process): روشهای تولید بر مبنای قالب بسیار متنوع است که در زیر به برخی از آنها میپردازیم:92

اسلاید 93: 93فیلم

اسلاید 94: تخمین چگالی و کسر حجمی حباب داخل کامپوزیتتخمین خواص کامپوزیت ساخته شده با توجه به خواص اجزای سازنده لازمه طراحی و ساخت اصولی کامپوزیت است.در آزمایشگاه کارکردن با کسر وزنی بسیار راحت تر از کسر حجمی است. اما مبنای محاسبات تئوری کسر حجمی است. راه تبدیل کسر حجمی و کسر وزنی بصورت زیر است:کسر وزنی الیاف در کامپوزیت ساخته شده را توسط دو آزمایش استاندارد میتوان تعیین نمود:روش سوزاندن ماتریس (ASTM D2854): در دمای 500-600Cروش حل کردن ماتریس (ASTM D3171): در اسید نیتریک94

اسلاید 95: در طی فرایند ساخت معمولا حبابهایی داخل کامپوزیت شکل میگیرد که باعث کاهش خواص مکانیکی کامپوزیت (از جمله خستگی) میشود. درصد حباب موجود در اکمپوزیت بیش از 2% باشد، کامپوزیت کیفیت مطلوبی نخواهد داشت. درصد کسر حجمی حباب از رابطه زیر محاسبه میشود:که در آن c=fVf+mVm چگالی تئوری و  چگالی اندازه گیری شده است.مثال: مطلوب است محاسبه حداکثر کسر حجمی تئوری الیاف در کامپوزیت با ساختار سلول واحد نشان داده شده.در هر سلول 4*1/4+1=2 الیاف کامل وجود دارد.کسر حجمی در صورتی حداکثر است که فاصله بین الیاف R روی قطر سلول صفر شود:95

اسلاید 96: کامپوزیتهای سازه ای – structural Compositeکامپوزیتهای سازه ای متشکل از مواد همگن و کامپوزیتی بوده و خواص آنها علاوه بر خواص مواد سازنده, وابسته به هندسه سازه نیز میباشد.دو دسته کامپوزیت سازه ای:چندلایه ها (laminar composite) – پنلهای ساندویچی (sandwich panels)کامپوزیتهای چندلایه: این نوع کامپوزیتها مشکل از چند لایه دوبعدی به هم چسبیده است. این لایه ها دارای خواص برجسته در جهات خاص میباشند.این لایه ها در جهات مختلف روی هم چسبانده میشوند. مثلا در تخته سه لایه هر لایه دارای خواص جهت دار است که در زوایای 0 و 90 روی هم چیده میشوند.چند لایه میتوانند از ورقهای کامپوزیتی، کاغذ، چ.ب و ... باشد.به تلفیق ورقهای فلزی و کامپوزیت FML گویند.96

اسلاید 97: پنلهای ساندویچی- Sandwich panelsاین سازه ها دارای صلبیت و استحکام در عین سبکی میباشند. پنل ساندویچی متشکل از دو رویه (facesheet) که به لایه ضخیمتر وسط به نام هسته (core) چسبیده است.رویه ها از مواد مستحکم و صلب مثل آلومینیوم، فولاد، کامپوزیت الیاف و چوب ساخته میشوند. رویه ها باید تحمل نیروهای کششی و فشاری صفحه ای زیادی داشته باشند.هسته از مواد سبک و معمولا با مدول الاستیک پایین ساخته میشود. هسته معمولا به سه صورت فومهای پلیمری، چوبو لانه زنبوری میباشد.97

اسلاید 98: وظیفه هسته به شرح زیر است:بطور پیوسته تکیه گاهی برای رویه باشد.دارای استحکام برشی مناسب برای تحمل تنشهای برشی جانبی باشد.به اندازه کافی ضخیم باشد تا صلبیت برشی و خمشی بالایی ایجاد نماید.در هسته تنشهای صفحه ای بسیار کمتر از تنشهای صفحه ای داخل رویه ها بوده و قابل صرف نظر کردن است.هسته لانه زنبوری معمولا از جنس آلومینیوم و آرامید ساخته شده میشود. استحکام و صلبیت هسته های لانه زنبوری تابعی از ابعاد سلول و ضخامت دیواره و جنس سازنده آن است.98