الیاف تقویت کننده

نقش تقویت‌کننده ها در یک کامپوزیت اساساً افزایش یکی از ویژگی‌های مکانیکی رزین خالص است. انواع گوناگون الیاف دارای خواص متفاوتی بوده و از این رو بر خواص کامپوزیت به طرق مختلف اثرگذار هستند.

اگرچه الیاف به صورت لیف‌های تک یا دسته لیف‌ها در فرآیندهای محدودی نظیر رشته‌پیچی استفاده می‌شوند اما در اغلب کاربردها لازم است که لیف ها به صورت های مختلف ورق آرایش یابند(که تحت عنوان پارچه شناخته می شوند) تا کار کردن با آنها آسانتر شود. با توجه به اینکه روش های متعددی برای کنار هم چیدن الیاف و تبدیل آنها به ورق وجود دارد و نیز وجود امکان آرایش مختلف برای لیف ها سبب می شود که انواع گوناگون پارچه با خواص ویژه تولید شود.

خواص الیاف

خواص مکانیکی اغلب الیاف تقویت کننده به طور قابل ملاحظه‌ای بالاتر از سیستم‌های رزینی بدون تقویت کننده است. از این رو خواص مکانیکی کامپوزیت رزین/الیاف غالباً با توجه به سهم الیاف در کامپوزیت تعیین می شود.

چهار پارامتر مهم در تعیین سهم الیاف عبارتند از:

  • خواص مکانیکی پایه‌ای الیاف
  • واکنش های سطحی الیاف و رزین در تماس با یکدیگر
  • میزان الیاف در کامپوزیت( کسر حجمی الیاف)
  • آریش یافتگی الیاف در کامپوزیت

خواص مکانیکی پایه‌ای الیافی که به طور معمول استفاده می شوند در ادامه بیان می شود. واکنش‌های سطحی الیاف و رزین به وسیله درجه اتصالاتی که بین این دو شکل می گیرد کنترل می شود که بسیار متأثر از اصلاحات سطحی است که روی سطح الیاف صورت می‌گیرد. توضیحاتی در مورد انواع مختلف اصلاحات سطحی در اینجا آورده شده است.

مقدار الیاف در یک کامپوزیت با فرآیند ساخت مورد استفاده کنترل می شود. به این ترتیب که به کار بردن پارچه های تقویت کننده با الیاف بسیار فشرده در یک لمینیت، کسر حجمی بالاتری دارد نسبت به استفاده از پارچه هایی که الیاف بزرگتر یا فاصله دسته‌ی الیاف در آنها زیاد است. قطر الیاف یک پارامتر مهم در اینجاست به این ترتیب که الیاف گران‌قیمت با قطر کم، سطح تماسی بیشتری را بین رزین و الیاف فراهم میکند و باعث پخش شدن نیروهای بین سطحی آنها می شود. به عنوان یک قانون کلی می توان گفت که سفتی و استحکام یک لمینیت با افزایش کسر مقداری الیاف افزایش می یابد. با این وجود در کسر حجمی بالای ۶۰%-۷۰% (با توجه به روشی که الیاف کنار هم فشرده شدند) اگرچه سفتی ناشی از کشش رو به افزایش می گذارد اما استحکام لمینیت به یک ماکزیممی رسیده و شروع به کاهش می کند. دلیل این رفتار نبود رزین کافی جهت نگهداری مناسب الیاف کنار هم است.

در نهایت از آنجا که الیاف تقویت کننده جهت تحمل بار در طول خود طراحی شده اند نه در راستای عرض، آرایش الیاف کنار هم خواص ویژه ای را که وابسته به جهت می باشدرا در کامپوزیت به وجود می آورد. این ویژگی غیر ایزوتروپیک کامپوزیت ها می تواند یک مزیت عالی در طراحی محسوب شود، به این ترتیب که اکثر الیاف در راستای بار اعمالی آرایش می یابند. این کار سبب می شود که مقدار مواد مصرفی در راستایی که بار اعمالی کم یا صفر است کاهش یابد.

خواص پایه‌ای الیاف

نوع الیاف

استحکام کششی مدول کششی دانسیته مدول ویژه
کربن  HS ۳۵۰۰

۱۶۰-۲۷۰

۸/۱ ۹۰-۱۵۰
کربن IM ۵۳۰۰ ۲۷۰-۳۲۵ ۸/۱ ۱۵۰-۱۸۰
کربن HM ۳۵۰۰ ۳۲۵-۴۴۰ ۸/۱ ۱۸۰-۲۴۰
کربن UHM ۲۰۰۰ ۴۴۰+ ۰/۲ ۲۰۰+
آرامید LM ۳۶۰۰ ۶۰ ۴۵/۱ ۴۰
آرامید HM ۳۱۰۰ ۱۲۰ ۴۵/۱ ۸۰
آرامید UHM ۳۴۰۰ ۱۸۰ ۴۷/۱ ۱۲۰
شیشه گرید E ۲۴۰۰ ۶۹ ۵/۲ ۲۷
شیشه گرید S2 ۳۴۵۰ ۸۶ ۵/۲ ۳۴
شیشه گرید کوارتز ۳۷۰۰ ۶۹ ۲/۲ ۳۱
آلیاژ آلومینیوم(۷۰۲۰) ۴۰۰ ۶۹ ۷/۲ ۲۶
تیتانیوم ۹۵۰ ۱۱۰ ۵/۴ ۲۴
استیل نرم(گرید ۵۵) ۴۵۰ ۲۰۵ ۸/۷ ۲۶
استیل ضد زنگ(A5-80) ۸۰۰ ۱۹۶ ۸/۷ ۲۵

استیل(HS (17/4H900

۱۲۴۱ ۱۹۷ ۸/۷ ۲۵

 

خواص لمینیت‌ها

خواص یک کامپوزیت از عوامل متعددی ناشی می‌شود نظیر: خواص الیاف، برهم‌کنش‌های بین الیاف و سیستم رزینی مورد استفاده، خواص رزین به تنهایی، کسر حجمی الیاف در کامپوزیت و آرایش الیاف. شکل‌های زیر مقایسه‌ی پایه‌ای بین انواع مهم الیاف را در یک سیستم پیش آغشته‌ی تک جهته‌ و پرکاربرد اپوکسی و در کسر حجمی متداول در قطعات هوافضا نشان می‌دهد.

 

 

این نمودارها استحکام و ماکزیمم کرنش را در نقطه شکست برای انواع گوناگون کامپوریت ها نشان می‌دهد. گرادیان هر نمودار سفتی(مدول) هر کامپوزیت، هرچه گرادیان شیب دارتر باشد، سفتی آن کامپوزیت بالاتر است. این نمودارها هم چنین بیان می کنند که چطور الیافی نظیر آرامید تحت بار فشاری رفتاری کاملاً متفاوت نسبت به بار کششی نشان می‌دهند.

خواص ضربه‌ای لمینیت

آسیب‌های ضربه‌ای می‌تواند مشکلات خاصی را در به کاربردن الیاف بسیار سفت در لمینیت‌های نازک ایجاد کند. در برخی از ساختارها که هسته مورد استفاده قرار می‌گیرد، لمینیت می‌تواند کمتر از ۳/۰ میلیمتر ضخامت داشته باشد. اگرچه پارامترهای دیگر نظیر نوع بافت و آرایش الیاف می‌تواند تأثیر چشمگیری در مقاومت ضربه‌ای داشته باشد، در کاربردهای ضربه‌ای بحرانی، الیاف کربن در ترکیب با نوع دیگری از الیاف به کار می‌رود. این می‌تواند یک نوع بافت هیبریدی باشد که در آنها بیش از یک نوع الیاف در ساختار بافت استفاده می‌شود.

قیمت الیاف

 

نمودارهای بالا قیمت معمول ۳۰۰ گرم پارچه‌ی بافته شده را نشان می‌دهد. اغلب الیاف در دسته‌های کوچک (تکس های کم) که معمولاً در پارچه‌های کم وزن استفاده می‌شوند دارای قیمت بالایی هستند. در جایی که دسته‌های سنگین‌تر الیاف استفاده می‌شوند نظیر پارچه‌های تک جهته، قیمت‌ها کمی متفاوت است.

 

مقایسه الیاف

مقایسه خواص انواع مختلف الیاف باهم نشان می‌دهد که آنها دارای مزایا و معایب متمایزی هستند. این امر موجب می‌شود که برخی از انواع الیاف برای بعضی از کاربردها مناسب‌تر از سایر الیاف‌ها هستند. جدول زیر مقایسه‌ای را در زمینه‌ی ویژگی‌های اصلی مطلوب الیاف را نشان می‌دهد به این صورت که A امتیاز بالاتر و C بیانگر ویژگی است که الیاف موردنظر در آن خوب نیست.

ویژگی شیشه کربن آرامید
استحکام کششی بالا B A B
مدول کششی بالا C A B
استحکام فشاری بالا B A C
مدول فشاری بالا C A B
استحکام خمشی بالا B A C
مدول خمشی بالا C A B
استحکام ضربه‌ای بالا B C A
استحکام برشی درون لایه‌ای بالا A A B
استحکام برشی بین صفحه‌ای بالا A A B
دانسیته‌ی پایین C B A
مقاومت خستگی بالا C A B
مقاومت در برابر شعله بالا A C A
رسانایی حرارتی بالا B C A
رسانایی الکتریکی بالا A C B
انبساط حرارتی کم A A A
قیمت پایین A C C

 دیگر الیاف

انواع گوناگونی از الیاف وجود دارد که می توانند در ساختار کامپوزیت‌های پیشرفته استفاده شوند اما کاربرد آنها خیلی گسترده نیست. این الیاف شامل:

الیاف پلی‌استر

الیاف با دانسیته‌ی پایین، استحکام بالا و مقاومت ضربه‌ای خوب اما مدول کم. سفت نبودن این الیاف مانع از به کارگیریشان به عنوان یک جزء در ترکیب کامپوزیت‌ها می‌شود اما این الیاف در کاربردهایی که وزن کم، مقاومت ضربه ای یا مقاومت سایشی بالا و نیز قیمت پایین نیاز است، سودمند هستند. این الیاف اغلب به عنوان مواد سطحی استفاده می‌شوند چون می توانند بسیار صاف باشند، باعث کاهش وزن شوند و با بیشتر انواع رزین ها به کار گرفته شوند.

الیاف پلی اتیلن

در یک آرایش یافتگی رندوم مولکول‌های پلی یورتان با جرم مولکولی فوق العاده بالا، خواص مکانیکی پایینی دارند. با این حال، اگر حل شود و طی فرآیندی تحت عنوان نخ‌ریسی ژل به لیف تبدیل شود، مولکول‌ها به هم گره نخورده و در جهت لیف آرایش می‌یابند. این آرایش مولکول‌ها سبب بالا رفتن استحکام کششی لیف می‌شود. این امر همراه با S.G پایین آنها(۱>) سبب می‌شود که این الیاف دارای بالاترین استحکام ویژه در میان الیاف باشند. با این وجود، مدول کششی و ماکزیمم استحکام این الیاف تنها کمی بهتر از الیاف شیشه گریدE و کمتر از آرامید و کربن است. این الیاف هم‌چنین استحکام فشاری بسیار کمی را به صورت لمینیت از خود نشان می‌دهند. این پارامترها به همراه قیمت بالا و از همه مهمتر دشواری اتصال خوب بین الیاف و ماتریس سبب می‌شود که الیاف پلی‌اتیلن معمولاً در کامپوزیت استفاده نشوند.

الیاف کوارتز

یک نوع از شیشه با میزان سیلیکای بسیار بالا و خواص مکانیکی فوق العاده بالا و مقاومت عالی در برابر دمای بالا (C° ۱۰۰۰+). با این وجود، فرآیند ساخت و حجم کم تولید آن سبب قیمت بسیار بالای آن شده است

(mm 14- kg/$74 ، mm 9- kg/$ 120).

الیاف بور

الیاف کربن و فلز با یک لایه بور پوشیده می‌شوند تا خواص کلی لیف بهبود یابد. اما قیمت خیلی بالای این الیاف باعث شده که کاربرد آنها تنها کاربردهای هوافضایی در دمای بالا و لوازم ورزشی خاص محدود شود. هیبرید بور/کربن که از الیاف کربن پراکنده شده بین ۸۰-۱۰۰ میلیمتر الیاف بور در یک ماتریس اپوکسی تشکیل شده،  خواص بالاتری را نسبت به الیاف تنها دارا می‌باشد. استحکام خمشی و سفتی آن دو برابرالیاف کربن HS و ۴/۱ برابر الیاف بور و استحکام برشی آن از هر دو الیاف بالاتر است.

الیاف سرامیک‌

الیاف سرامیک معمولاً در ابعاد بسیار کوچک و در مواردی که به مقاومت بالا در برابر دما نیاز است، استفاده می‌شود. این الیاف بیشتر همراه با ماتریس‌های غیر پلیمری نظیر آلیاژ فلز استفاده می‌شوند.

الیاف طبیعی

از دیگر سو می‌توان از الیاف گیاهی نظیر جوت و سیسال به عنوان تقویت‌کننده در کاربردهای با تکنولوژی پایین استفاده کرد. در این کاربردها S.G پایین این الیاف(معمولاً ۵/۰-۶/۰) سبب می‌شود که استحکام‌های ویژه نسبتاً بالا به دست آید.