صنعت كامپوزيت

 چکيده
مواد مرکب به خاطر داشتن وزن سبک ، همچنين حجمي مساوي با حجم آلياژهاي ديگر و خواص مکانيکي منحصر به فردي که ارائه مي کنند در دهه هاي اخير بسيار مورد توجه قرار گرفته اند. از اين مواد بيشتر در سازه هاي فضاي  و صنايع هوايي استفاده مي شود. مواد مرکب از دو جزء اصلي تشکيل شده اند: 1- فلز پايه 2- عامل تقويت کننده
بصورت کلي از فلزات با وزن کم به عنوان فلز پايه و همچنين از مواد سراميکي به عنوان تقويت کننده استفاده مي شود از مهمترين و معروفترين مواد مرکب مي توان به ماده مرکب با زمينه آلومينيومي و تقويت کننده ذره اي کاربيدسيليکون اشاره کرد آلومينيوم و کاربيدسيليکون به علت نزديک بودن دانسيت هايشان به يکديگر مي توانند خصوصيات عالي مکانيکي را در وزن کم بوجود بياورند در اين تحقيق نحوه ساخت اين ماده مرکب از روش ريخته گري در قالب فلزي مورد بررسي قرار مي گيرد و تأثير دو فاکتور مختلف ، يک درصد وزني تقويت کننده و ديگري سرعت هم زدن مخلوط مذاب بر روي خواص مکانيکي از جمله سختي و استحکام مورد بحث و بررسي قرار مي گيرد نتايج حاصل شده به ما نشان مي دهد که با اضافه کردن مواد سراميکي به فلز پايه تغييرات اي در رفتار مکانيکي فلز پايه ايجاد مي شود که در اين پايان نامه به تفصيل به بررسي اين رفتار مي پردازيم .

 
فهرست مطالب
عنوان                                            صفحه
1- فصل اول: مقدمه     1


2- فصل دوم: مروري بر منابع     4
1-2- كامپوزيت هاي داراي ذرات ريز     5
1-1-2- خواص كامپوزيت هاي ذره اي     9
 2-1-2- انواع كامپوزيت هاي ذره اي از لحاظ جنس تقويت كننده     9
2-2- كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف     11
1-2-2- خواص كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف     13
2-2-2- خصوصيات كامپوزيت هاي تقويت شده     15
3-2- مختصر در مورد آلومينيوم     24
4-2- سراميك هاي پيشرفته     26
5-2- توضيحات مختصر در مورد آزمون مكانيكي     27
1-5-2- آزمون سختي     27
2-5-2- آزمون كشش    29
2-5-3- آزمون تخلخل سنجي    30

3- فصل سوم: روش انجام آزمايش     32

4- فصل چهارم: تحليل نتايج     50
1-4- نتايج حاصل از آزمون نونه AX     52
2-4- نتايج حاصل از آزمون نونه BX     54
3-4- نتايج حاصل از آزمون نونه CX    56
4-4- نتايج حاصل از آزمون نونه DX     58
5-4- نتايج حاصل از آزمون نونه EX    60   
6-4- نتايج حاصل از آزمون نونه AY     62
7-4- نتايج حاصل از آزمون نونه BY    64
8-4- نتايج حاصل از آزمون نونه CY    66
9-4- نتايج حاصل از آزمون نونه DY     68
10-4- نتايج حاصل از آزمون نونه EY    70
11-4- نتايج حاصل از آزمون نونه AZ     72
12-4- نتايج حاصل از آزمون نونه BZ     74
13-4- نتايج حاصل از آزمون نونه CZ    76
14-4- نتايج حاصل از آزمون نونه DZ    78
15-4- نتايج حاصل از آزمون نونه EZ    80

5- فصل پنجم: تفسير نتايج    100
نتيجه گيري    109
پيشنهادات    110
منابع    111

مقدمه
استفاده از مواد كامپوزيت طبيعي، بخشي از تكنولوژي بشر از زماني كه اولين بناهاي باستاني، كاه را براي تقويت كردن آجرهاي گلي به كار بردند بوده است. مغولهاي قرن دوازدهم، سلاح هاي پيشرفته اي را نسبت به زمان خودشان با تير و كمان هايي كه كوچكتر و قوي تر از ديگر وسايل مشابه بودند ساختند. اين كمانها سازه هاي كامپوزيني اي بودند كه به وسيله تركيب زردپي احشام (تاندون)، شاخ، خيزران (بامبو) و ابريشم ساخته شده بودند كه با كلوفون طبيعي  پيچيده مي شد.اين طراحان سلاح هاي قرن دوازدهم، دقيقاً اصول طراحي كامپوزيت را مي فهميدند. اخيراً بعضي از اين قطعات موزه اي 700 ساله كشيده و آزمون شدند. آنها از نظر قدرت حدود %80 كمانهاي كامپوزيتي مدرن بودند. در اواخر دهه 1800، سازندگان كانو قايق هاي باريك و بدون بادبان و سكان، تجربه مي كردند كه با چسباندن لايه هاي كاغذ محكم كرافت   با نوعي لاك به نام شلاك ، لايه گذاري كاغذي را تشكيل مي دهند. در حالي كه ايده كلي موفق بود، ولي مواد به خوبي كار نمي كردند. چون مواد در دسترس، ترقي نكرد، اين ايده محو شد. در سالهاي بين 1870 تا 1890 انقلابي در شيمي به وقوع پيوست. اولين رزين هاي مصنوعي (ساخت بشر) توسعه يافت به طوري كه
مي توانست به وسيله پليمريزاسيون از حالت مايع به جامد تبديل شود. اين رزين هاي پليمري از حالت مايع به حالت جامد توسط پيوند متقاطع مولكولي تبديل مي شوند. رزين هاي مصنوعي اوليه شامل، سلولوئيد، ملامين و باكليت  بودند
فصل دوم:
 مروري بر منابع
 كامپوزيت ها  مخلوط يا تركيبي از چند ماده ( حداقل دو ماده ) يا جزء اصلي هستند . اجزاي تشكيل دهندة  هر كامپوزيت از لحاظ شكل ، تركيب شيميايي و خواص با يكديگر متفاوتند . كامپوزيت ها در اصل به منظور دستيابي به تركيبي از خواص ، كه درهريك از مواد يا اجزاي تشكيل دهندة آنها به تنهايي وجود ندارد توليد مي شوند بدين ترتيب مي توان موادي با  خواص جديد وبهتر با توجه به كاربردهاي صنعتي مورد نظر توليد كرد .
 مواد كامپوزيتي معمولاً شامل يك مادة خالص يا تركيبي از حداقل دو ماده به عنوان مادة زمينه  و يك يا چند مادة ديگر موسوم به مادة تقويت كننده هستند. كامپوزيت ها از لحاظ شكل مادة تقويت كننده به سه گروه تقسيم بندي مي شوند ذره‌اي ، اليافي يا رشته اي ( پيوسته يا ناپيوسته  ) و لايه اي . شكل(2-1) نمونه هايي از سه نوع ساختار كامپوزيتي را نشان مي دهد. سالهاست كه تحقيقاتي براي دستيباي به مواد جديدتر با خواص مكانيكي بهتر انجام گرفته و هنوز هم همگام با پيشرفت هاي سريع صنعتي دنبال مي شود هدف اين تحقيق غالباً توليد موادي  با نسبت مناسب از استحكام كششي به چگالي ، استحكام حرارتي بالا و خواص ويژه سطح خارجي (مانند مقاومت سايشي  بالا ) است



شكل 2-1- فرم هاي مختلف ساختارهاي كامپوزيت دو فاز ي( الف ) ذره اي كروي شكل ،( ب ) اليافي به صورت ميله هايي در جهتz  (ج) لايه اي به صورت صفحاتي در جهت yz، (د) پوشش سطحي .
1-2- كامپوزيت هاي داراي ذرات ريز 
 اين نوع كامپوزيت ها شامل ذراتي از عنصر يا تركيبي غير از عنصر يا تركيب فاز
زمينه اند. ذرات فاز تقويت كننده مي تواند به صورت نامنظم و غيريكنواخت در مرزدانه ها ، يا تقريباً ‌يكنواخت در تمامي زمينه و يا جهت دار پراكنده و توزيع شود بدين صورت توزيع ذرات مادة تقويت كننده در مادة زمينه مي تواند به گونه اي باشد كه خواص ايجاد شده به صورت همسانگرد و يا ناهمسانگرد باشد. حالت توزيع
غير يكنواخت و جهت دار مادة تقويت كننده در كامپوزيت ها ، اهميت صنعتي ويژه اي دارد. براي مثال توزيع ذرات فاز  (Ni3 AL) در سوپر آلياژهاي پاية‌نيكل در جهات <100>. براي شكل گيري ذرات رسوب در جهات خاص امكانات مختلف زير وجود دارد :
1-    انجماد يوتكتيكي جهت دار ( در سوپر آلياژهاي دماي بالا)
2-     جدايش به كمك ايجاد ميدان مغناطيسي (مورد استفاده براي مغناطيس هاي دائمي)
3-     اتصال فازهايي كه قبلاً به طورمصنوعي جهت دار شده است ( مواد تقويت شده با الياف ) رشد طبيعي فازهاي مخلوط ( مانند چوب ).
 خواص فيزيكي  و مكانيكي كامپوزيت  به مقدار درصد ذرات فاز دوم ، اندازه و شكل ذرات و نحوة توزيع آنها در فاز زمينه بستگي دارد اگر ذرات پراكنده شده در فاز زمينه به صورت ريز و تقريباً يكنواخت توزيع شده و با فاز زمينه  تطابق ساختاري نداشته باشد، مانع حركت نابجايي ها شده و موجب افزايش استحكام فاز زمينه مي شود. كامپوزيت هايي كه در دماي معمولي محيط استحكام آنها با پراكنده سازي ذرات فاز دوم افزايش يافته است مي تواند از آلياژهاي پيرسختي شده، كه شامل رسوب هايي با تطابق ساختاري با فاز زمينه است، ضعيفتر باشد.
خواص كامپوزيت هاي ذره اي
 خواص معيني از كامپوزيت ذره اي فقط به مقدار نسبي فازها وخواص هريك از اجزاي تشكيل دهندة‌آن بستگي دارد.
انواع كامپوزيت هاي ذره اي از لحاظ جنس زمينه وتقويت كننده
 چرخ هاي سايشي وبرشي شامل آلومينا ( ) سيليكن  كاربيد (‌SiC) و برنيترايد (BN) مكعبي ، از نوع كامپوزيت هاي ساينده هستند. براي فراهم كردن تافنس مورد نياز بايد ذرات ساينده را به وسيلة‌ شيشه اي يا پليمري به يكديگر پيوند داد. الماس هاي ساينده نيز نوعاً توسط زمينه فلزي اتصال داده
مي شوند. موادي كه براي اتصالات الكتريكي ، كليدها ( سويچ ها )، تقويت كننده‌ها و انتقال دهنده ها به كار مي روند، بايد تركيب خوبي از مقاومت سايشي وهدايت الكتريكي داشته باشند . در غير اين صورت درنتيجه فرسايش و تضعيف اتصال، قوسي الكتريكي ايجاد مي شود. نقرة تقويت شده با تنگستن، يك كامپوزيت باچنين خاصيتي است. با استفاده از پودر متراكم شدة تنگستن با فرآيند متالورژي پودر مي توان تودة متخلخلي از تنگستن توليد كرد، به گونه اي كه حفره ها با يكديگر در اتصال باشند . سپس نقرة مذاب را در خلاء به داخل حفره هاي موجود در تودة تنگستن نفوذ مي دهند، به طوري كه تمامي حفره ها
پر شوند، اكنون هر دوعنصر نقره وتنگستن در موقعت پيوسته اي هستند. بنابراين نقرة خالص به طور موثر جريان الكتريسيته را هدايت مي كند، در حالي كه تنگستن سخت مقاومت سايشي را افزايش مي دهد .
بسياري از پليمرهاي مهندسي شامل پركننده ها و مواد بسط دهنده مانند پودر زغال در لاستيك ولكانيزه شده از كامپوزيت هاي ذره اي به شمار مي روند. ذرات پودر زغال شامل گوي هاي كربن بسيار ريز به قطر 5 نانومتر تا 500 نانومتر هستند اين پودر زغال پراكنده شده در لاستيك  استحكام سفتي ، سختي ، مقاومت فرسايشي ومقاومت حرارتي آن را بهبود مي بخشد. بسط دهنده ها ، مانند كربنات كلسيم ، ذرات كروي شكل شيشه اي جامد و خاكهاي مختلف رس به منظور كاهش قيمت پليمر به آن اضافه مي شود. مواد افزودني  مي تواند پليمر را سفت تر كرده ، سختي و مقاومت فرسايشي آن را افزايش دهد ،يا مقاومت خزشي آن را بهبود بخشد. در عوض استحكام كششي و انعطاف پذيري آن كاهش
مي يابد، نمودار (2-2) اضافه كردن ذرات شيشه كروي شكل تو خالي مي تواند همان تغييرات را در خواص ايجاد كند ، درحالي كه وزن كامپوزيت را به اندازة قابل توجهي كاهش مي دهد .