در كامپوزیتها عموماً سه ناحیه متمایز، شامل فاز پیوسته (ماتریس)، فاز ناپیوسته (تقویت كننده) و لایه مرزی بین این دو فاز وجود دارد كه تعیین كننده خواص و مشخصه‌های ماده مركب خواهند بود فاز ناپیوسته غالباً به سه دسته كلی ذرات پودری9، ذرات صفحه ای10 و الیاف11 تقسیم می شوند كه هر دسته خصوصیات ویژه ای را در كامپوزیت ایجاد می كنند

تحلیل كمانش ورقهای مدورمركب ارتوتروپ با استفاده از نرم افزار المان محدود

فهرست مطالب

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

فصل اول: مقدمه ای بر مواد مركب

1-1- كامپوزیت چیست؟.................................................................................... 2

1-2- مزایای كامپوزیتها.................................................................................... 4

1-3- محدودیتهای كامپوزیتها........................................................................... 7

1-4- تاریخچه صنعت كامپوزیتها..................................................................... 8

1-5- فازهای كامپوزیتی و تقسیم بندی كامپوزیتها.......................................... 10

1-6- خواص كامپوزیتها.................................................................................... 12

1-7- مقاومت كامپوزیتهای لیفی........................................................................ 14

فصل دوم: ماتریسها (رزیتها)

2-1- ماتریسها.................................................................................................. 18

2-2- پلیمریزاسیون........................................................................................... 19

2-3- پلیمرهای گرما سخت و گرما نرم............................................................ 20

2-4- رزینهای ترموپلاستیك (گرما نرم)........................................................... 20

2-5- رزینها گرما سخت (ترموست)................................................................. 21

2-6- نقش ماتریسها.......................................................................................... 22

2-7- رزینهای اپوكسی...................................................................................... 23

2-8- معایب رزینهای اپوكسی........................................................................... 24

2-9- تقسیم بندی انواع تجاری رزینهای اپوكسی............................................. 24

2-10- رزینهای پلی استر غیراشباع.................................................................. 25

2-11- انواع رزینهای پلی استر تجاری............................................................. 26

2-12- خصوصیات رزینهای پلی استر............................................................. 28

2-13- معایب رزینهای پلی استر غیراشباع....................................................... 28

2-14- رزینهای فنولیك..................................................................................... 29

2-15- خواص و كاربردهای رزینهای فنولیك.................................................. 30

2-16- معایب و محدودیتهای رزینهای فنولیك................................................. 30

2-17- ماتریسهای فلزی.................................................................................... 31

 

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

فصل سوم: الیاف (تقویت كننده ها)

3-1- تقویت كننده ها......................................................................................... 33

3-2- تقویت كننده های لیفی.............................................................................. 33

3-3- الیاف شیشه.............................................................................................. 35

3-4- مزیتهای اصلی الیاف شیشه..................................................................... 35

3-5- عیوب اصلی الیاف شیشه......................................................................... 36

3-6- سایز الیاف............................................................................................... 38

3-7- آهار.......................................................................................................... 39

3-8- خواص الیاف شیشه................................................................................. 40

3-9- الیاف پیشرفته........................................................................................... 41

3-10- الیاف بور............................................................................................... 42

3-11- خواص و كاربرد الیاف بور................................................................... 43

3-12- الیاف سیلیكون كاربید............................................................................ 44

3-13- الیاف سیلسیم كاربید.............................................................................. 44

3-14- الیاف آلومینا........................................................................................... 45

3-15- الیاف كربن وگرافیت.............................................................................. 46

3-16- الیاف كربن............................................................................................. 46

3-17- خواص الیاف كربن و گرافیت................................................................ 48

3-18- كامپوزیتهای كربن و گرافیت................................................................. 48

3-19- مزیتهای اصلی الیاف كربن.................................................................... 49

3-20- بحث میكروسكوپی در مورد الیاف كربن............................................... 49

3-21- الیاف آرامید یا پلی آمیدهای حلقوی...................................................... 50

3-22- خصوصیات آرامیدها............................................................................. 51

3-23- الیاف پلی اتیلن........................................................................................ 52

3-24- الیاف سرامیكی....................................................................................... 52

3-25- مقایسه الیاف مختلف.............................................................................. 53

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

فصل چهارم: ساخت مواد مركب

4-1- فرایندهای ساخت كامپوزیتها................................................................... 56

4-2- قالب گیری باز.......................................................................................... 56

4-3- قالب گیری بسته....................................................................................... 57

4-4- تقسیم بندی براساس حجم تولید.............................................................. 58

4-5- تعاریف فرایند قالب گیری باز.................................................................. 59

4-6-تعاریف بكار بردن رزین........................................................................... 59

4-7- روش لایه گذاری دستی........................................................................... 60

4-8- روش پاشش توسط پیستوله.................................................................... 62

4-9- فیلامنت وایندینگ...................................................................................... 63

4-10- قالب گیری فشاری................................................................................. 66

4-11- روش كششی......................................................................................... 69

4-12- قالب گیری با كیسه خلاء........................................................................ 70

4-13- فرایند تزریق در خلاء............................................................................ 73

4-14- قالب گیری به روش انتقال رزین RTM............................................... 74

فصل پنجم: كاربرد كامپوزیتها

5-1- مقدمه....................................................................................................... 79

5-2- صنایع حمل و نقل جاده ای...................................................................... 79

5-3- استفاده از مواد كامپوزیت در ساخت تانكهای جنگی و سلاح................. 81

5-4- كاربرد كامپوزیتها در صنایع هوا فضا.................................................... 82

5-5- استفاده در ساخت فضاپیماها.................................................................. 84

5-6- استفاده كامپوزیتها در صنایع حمل و نقل ریلی....................................... 86

5-7- كاربرد كامپوزیتها در واحدهای شیمیایی................................................ 86

5-8- كامپوزیتها درصنعت دریایی.................................................................... 88

5-9- صنایع الكتریكی........................................................................................ 88

5-10- صنعت هسته ای.................................................................................... 89

فصل ششم: تئوری حاكم بر مواد مركب

6-1- مقدمه....................................................................................................... 91

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

6-2- رفتار ماكرومكانیك یك لایه..................................................................... 91

6-3- ثابتهای مهندسی برای مواد ارتوتروپ.................................................... 95

6-4- جهت گیری الیاف در مواد مركب............................................................. 96

6-5- استحكام در مواد مركب.......................................................................... 96

6-6- تئوریهای شكست در حالت دو محوری بر مواد ارتوتروپ..................... 97

6-7- تئوری تنش حداكثر.................................................................................. 97

6-8- معیار كرنش حداكثر................................................................................ 98

6-9- تئوری Tsai-Hill.................................................................................... 99

6-10- تئوری Tsai-Wu.................................................................................. 101

فصل هفتم: كمانش پوسته ها و مباحث تئوری مربوط به آن

7-1- مقدمه....................................................................................................... 104

7-2- معادلات غیرخطی تعادل ورق.................................................................. 106

فصل هشتم: آشنایی با المان محدود و نرم افزار ANSYS 

8-1- مقدمه....................................................................................................... 126

8-2- مسائل مهندسی........................................................................................ 126

8-3- روشهای عددی........................................................................................ 127

8-4- تاریخچه ای كوتاه بر روش المان محدود و نرم افزار ANSYS........... 128

8-5- مراحل اصلی در روش المان محدود....................................................... 131

8-6- توابع شكل (Shape Function)............................................................. 132

8-7- تقسیم بندی یك ناحیه به تعدادی المان برای المانهای یك بعدی............. 133

8-8- معرفی توابع شكل برای یك المان خطی................................................... 134

8-9- خواص توابع شكل................................................................................... 145

8-10- المان درجه دوم..................................................................................... 136

فصل نهم: مدل سازی مواد مركب در ANSYS 5.4 

9-1- مقدمه....................................................................................................... 139

9-2- مدل سازی مواد مركب در روش h-method........................................ 139

9-3- المان Sheel-91....................................................................................... 139

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

9-4- المان Shel-99......................................................................................... 141

9-5- المان Solid-46....................................................................................... 142

9-6- مدل سازی مواد مركب در روش p-method........................................ 143

9-7- روش تعریف ساختارهای لایه ای............................................................ 144

9-8- روش تعریف خصوصیات هر لایه بطور جداگانه.................................... 144

9-9- تفاوت روش p-method / h-method.................................................. 144

9-10- روش تحلیل كمانش در نرم افزار ANSYS........................................ 145

9-11- نكاتی در مورد مش بندی توسط نرم افزار ANSYS......................... 145

9-12- نكاتی در مورد تحلیل كمانش................................................................. 148

9-13- تحلیل ورق های دایره ای شكل در نرم افزار ANSYS...................... 149

9-14- حل مساله كمانش توسط دستورات APDL......................................... 160

9-15- برنامه APDL برای حل مساله كمانش................................................ 161

فصل دهم: نتایج

10-1- مقدمه..................................................................................................... 170

10-2- ملاحظات................................................................................................ 170

فصل یازدهم: نتیجه گیری و پیشنهاد برای ادامه كار

11-1- مقدمه..................................................................................................... 247

11-2- نقش ضخامت بر بارهای حاصل از كمانش.......................................... 247

11-3- نقش مدولهای الاستیسیته...................................................................... 250

11-4- زاویه الیاف و تاثیر آن در كمانش......................................................... 252

11-5- پیشنهاد برای ادامه كار......................................................................... 253

مراجع................................................................................................................ 255

ضمائم................................................................................................................ 256

 

فهرست اشكال

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

فصل اول: مقدمه ای بر مواد مركب

شكل 1-1: انواع مختلف كامپوزیتها.................................................................... 12

شكل 1-2: نمودارهای تنش- كرنش در زوایای مختلف.................................... 13

شكل 1-3: انواع مختلف تقویت كننده ها............................................................. 15

شكل 1-4: انواع مختلف الیاف............................................................................ 16

فصل سوم: الیاف (تقویت كننده ها)

شكل3-1: تنش- كرنش برای تقویت كنندگان مختلف........................................ 35

شكل3-2: تصاویر میكروسكوپی از الیاف برون اپوكسی.................................. 42

شكل 3-3: شكل الیاف مختلف............................................................................ 54

فصل چهارم: ساخت مواد مركب

شكل 4-1: نحوه بافت در روش فیلامنت............................................................ 63

شكل 4-2: شماتیك دستگاه بافت فیلامنت.......................................................... 64

شكل 4-3: دستگاه بافت فیلامنت........................................................................ 65

شكل 4-4: ماشین آلات بكار رفته در روش BMC.......................................... 66

شكل 4-5: ماشین آلات بكار رفته در روش SMC........................................... 67

شكل 4-6: روش كششی.................................................................................... 69

شكل 4-7: ماشین آلات RTM.......................................................................... 75

شكل 4-8: ماشین آلات بكار رفته در روش RTM.......................................... 76

فصل پنجم: كاربرد كامپوزیتها

شكل 5-1: كاربرد كامپوزیتها در بوئینگ 737-300.......................................... 82

شكل 5-2: پوسته موتور و نگهدارنده آن در بوئینگ 757................................. 82

شكل 5-3: كاربرد كامپوزیتها در موتور راكتها................................................ 85

فصل هفتم: كمانش پوسته هاو مباحث تئوری مربوط به آن

شكل 7-1: ورق مستطیلی تحت نیروی فشاری دو محوره................................ 110

شكل 7-2: برایندهای تنش و ممان بر روی یك المان از ورق.......................... 110

شكل 7-3: لایه های ورق................................................................................... 117

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

شكل 7-4: كوتاه شدگی لبه های ورق............................................................... 117

فصل هشتم: آشنایی با المان محدود و نرم افزار ANSYS 

شكل 8-1: كاربرد اولیه المان محدود................................................................ 130

شكل 8-2: مدل سازی تیر مخروطی تحت كشش به فنرهای سری................... 130

شكل 8-3: تقسیم یك ناحیه به مناطق كوچكتر (گره ها و المانها)...................... 133

فصل نهم: مدل سازی مواد مركب در ANSYS 5.4 

شكل 9-1:المان پوسته ای Shell-91 برای مدل سازی ورق ها و پوسته ها... 140

شكل 9-2: المان پوسته ای Shell-99 برای مدل سازی ورق ها و پوسته ها.. 141

شكل 9-3: المان سه بعدی Solid-46 المان بندی مسائل سازه ای.................. 143

شكل 9-4: مش بندی آزاد.................................................................................. 146

شكل 9-5: استفاده از Smart Size برای ریز كردن مش بندی....................... 146

شكل 9-6: مش بندی دستی............................................................................... 148

شكل 9-7: منوی انتخاب المان........................................................................... 150

شكل 9-8: منوی ویژگیهای مكانیكی.................................................................. 151

شكل 9-9: منوی انتخاب تعداد لایه.................................................................... 152

شكل 9-10: منوی مربوط به ضخامت و زاویه الیاف........................................ 153

شكل 9-11: مدل سازی ورق............................................................................. 153

شكل 9-12: منوی مش بندی............................................................................. 155

شكل 9-13: ورق مش بندی شده از نمای ایزومتریك....................................... 156

شكل 9-14: فعال كردن منوی محاسبه ماتریس سختی..................................... 158

فصل دهم: نتایج

شكل 10-1: نمای روبرو- مود اول كمانش- كولار اپوكسی............................ 172

شكل 10-2: نمای ایزومتریك- مود اول كمانش- كولار اپوكسی...................... 172

شكل 10-3: معادله رویه كمانش داده در مد اول.............................................. 173

شكل 10-4: نمای روبرو- مود دوم كمانش- كولار اپوكسی............................ 174

شكل 10-5: نمای ایزومتریك- مود دوم كمانش- كولار اپوكسی..................... 174

شكل 10-6: معادله رویه كمانش داده در مود دوم........................................... 175

شكل 10-7: معادله رویه كمانش داده در مود دوم........................................... 176

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

شكل 10-8: معادله رویه كمانش داده در مود دوم........................................... 177

شكل 10-9: نمای روبرو- مود سوم كمانش- كولار اپوكسی.......................... 178

شكل 10-10: نمای ایرومتریك- مود سوم كمانش- كولار اپوكسی................. 178

شكل 10-11: نمایش رویه كمانش داده در مد سوم......................................... 179

شكل 10-12: نمایش رویه كمانش داده در مد سوم......................................... 180

شكل 10-13: نمایش رویه كمانش داده در مد سوم......................................... 181

شكل 10-14: نمای روبرو- مد چهارم كمانش- كولار اپوكسی........................ 182

شكل 10-15: نمای ایزومتریك- مد چهارم كمانش- كولار اپوكسی................. 182

شكل 10-16: معادله روی كمانش داده در مد چهارم....................................... 183

شكل 10-17: معادله روی كمانش داده در مد چهارم....................................... 184

شكل 10-18: معادله روی كمانش داده در مد چهارم....................................... 185

 

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                   صفحه

 

فصل سوم: الیاف (تقویت كننده ها)

جدول 3-1: انواع الیاف شیشه تجاری- نام و نوع مواد موجود در لیف........... 36

جدول 3-2: قطرهای موجود الیاف تجاری........................................................ 39

جدول 3-3: اتر دما بر استحكام الیاف شیشه نوع E......................................... 41

جدول 3-4: خواص الیاف Sic........................................................................... 44

جدول 3-5: خواص بعضی از الیاف آلومینا....................................................... 45

جدول 3-6: خواص بعضی از الیاف كربن......................................................... 47

جدول 3-7: مهمترین خصوصیات تقویت كننده های با كارایی بالا................... 53

فصل پنجم: كاربرد كامپوزیتها

جدول 5-1: برخی از خصوصیات كامپوزیتها و فلزات صنعتی......................... 83

جدول 5-2: نمونه ای از اجزاء ساخته شده با كامپوزیت.................................. 84

فصل دهم: نتایج

جدول 10-1: ویژگیهای مكانیكی كامپوزیتها...................................................... 170

فصل یازدهم: نتیجه گیری و پیشنهاد برای ارائه كار

جدول 11-1: مقایسه بارهای كمانش برای چهار ماده مركب در حالت زاویه‌ای90/0 با سه

ضریب P 5/0 و 1/0 و 015/0............................................................................ 248

جدول 11-2: نقش الیاف در تغییر بارهای كمانش............................................. 252

 

 

 

 

فصل اول

مقدمه ای بر مواد مركب

1-1- كامپوزیت چیست؟

كامپوزیت به موادی اطلاق می شود كه در ساختار آن بیش از یك جز ماده استفاده شده باشد. در این مواد اجزاء مختلف خواص فیزیكی و شیمیایی خود را حفظ كرده و در نهایت ماده ای حاصل می شود كه دارای خواص بهینه ای می باشد. این خواص در تك تك مواد شركت كننده به صورت مجزاء و در همه حالت ها وجود ندارد.

تعریف جامع كامپوزیت را به صورت زیر می توان ارائه داد.

دو ماده غیر یكسان كه در صورت تركیب، ماده‌حاصله از تك تك مواد قوی‌تر باشد.

كامپوزیتها همه بصورت طبیعی و همه به صورت مصنوعی ساخته می شوند.

چوب مثال خوبی از یك كامپوزیت طبیعی است. چون تركیبی از الیاف سلولزی[1]و لیگنین می باشد. الیاف سلولزی استحكام را ایجاد می كند و لیگنین چسبی است كه الیاف را به هم می چسباند و پایدار می كند.

بامبو[2] یا نی خیز ران، یك سازه كامپوزیتی چوبی بسیار كارآمد می باشد. اجزاء بامبو همان سلولز و لیگنین می باشد با این تفاوت كه بامبو توخالی است و این امر باعث می شود سازه سفت و سبك حاصل شود. چوبهای بلند ماهیگیری كامپوزیتی و چوبهای گلف، كپی شده از این طرح طبیعی هستند.

از جمله مواد كامپوزیت مصنوعی كه به دست انسان ساخته شده می توان موارد زیر را نام برد.

آجرهای خشتی كه اولین بار توسط مصریان بكار رفت و تركیبی از گل و كاه می‌باشد.

تخته چندتایی كه تركیبی از ورقهای نازك چوب و چسب می باشد.

بتن مسلح كه تركیبی از فولاد و بتن می باشد. فولاد به لحاظ ساختار مكانیكی در مقابل كشش قوی بوده و بتن ماده ای است كه دارای استحكام فشاری بالا می باشد. با تركیب این دو ماده، سازه ای بوجود می آید كه در مقابل كشش و فشار قابلیت بالایی از تحمل را از خود نشان می دهد.

تایر اتومبیل تركیبی است از مخلوط لاستیك و تقویت كننده هایی نظیر فولاد، نایلون، آرامید یا دیگر الیاف. لاستیك به عنوان ماتریس عمل می كند و تقویت كننده را در جای خود نگه می دارد. ماتریس چسبی است كه الیاف را در جای خود نگه می دارد.

با توجه به آنچه بیان گردید و با توجه به مثالهای بالا شاید تعریف كامپوزیتها در عین كامل بودن بسیار عمومی به نظر رسد.

تعریف پیشرفته مواد كامپوزیت كه در این پروژه نیز بكار می رود به صورت زیر می باشد. تركیبی از الیاف تقویت كننده و یك ماتریس پلیمری به عنوان رزین. به عنوان مثال می توان رزین پلی استر[3] والیاف تقویت كننده فایبر گلاس[4] را نام برد.

در ادامه در مورد الیاف و ماتریسها به صورت جداگانه صحبت خواهد شد.

1-2- مزایای كامپوزیتها

استفاده روز افزون كامپوزیتها در ذهن هر خواننده ای این مساله را تداعی می كند كه چرا این مواد با این سرعت در حال رشد و تكامل هستند. آنچه مسلم است این مواد نسبت به سایر مواد مهندسی مرسوم (عموماً فلزها) دارای مزایای قابل توجه ای هستند كه در ذیل تعدادی از آنها نام برده شده است.

- استحكام ویژه بالا :

استحكام ویژه، عبارتی است كه به نسبت استحكام به وزن اطلاق می شود. كامپوزیتها از استحكام ویژه بالاتری نسبت به بسیاری از مواد دیگر برخوردار هستند. مواد كامپوزیت برای نیازهای استحكامی خاص در یك كاربرد می توانند طراحی شوند. توانایی استفاده كردن از انواع رزین ها و الیاف و همچنین نحوه قالبگیری و تركیب آنها باعث فراهم شدن رنج بالا و متنوعی از استحكام برای این مواد شده است.

- وزن مخصوص كم:

كامپوزیتها موادی را ارائه می دهند كه می توانند برای استحكام بالا و هم وزن طراحی پایین مورد استفاده قرار گیرند.

- مقاومت به خوردگی بالا:

مثالهای بیشماری از كامپوزیتها وجود دارد كه دارای سرویسی به مدت چهل تا پنجاه سال بوده است. در سال 1947 گارد ساحلی آمریكا یك سری قایقهای گشتی 40 فوتی را با استفاده از رزین پلی استر و فایبرگلاس ساخت. این قایقها تا اوایل دهه 1970 استفاده شدند تا اینكه به دلیل منسوخ شدن طراحی، از سرویس خارج شدند. تستهای زیادی روی لایه ها بعد از خارج شدن از ماموریتهای آنها انجام شد و معلوم شد كه فقط 2% تا 3% از استحكام اولیه بعد از 25 سال سرویس سخت افت كرده است.

تفاوتهای بیشمار دیگری از قایقها، ساختمانها و دیگر سازه های كامپوزیتی در سال 1950 وجود دارد كه هنوز درحال سرویس دهی هستند.

بدنه اولیه اتومبیلهای كروت[5] در سال 1953 فایبرگلاس بوده اند و به استثناء تعمیرات تزئیناتی، تاامروز سالم و بی عیب مانده اند.

 مواردی از مجاری و لوله های فایبرگلاس كه در كارخانجات شیمیایی به مدت 25 سال به كار گرفته شده اند موجود هستند،‌ كه در شرایط محیطی بسیار سخت شیمیایی و به صورت 24 ساعته و هفت روز در هفته در حال كار بوده اند.

- انعطاف پذیری طراحی:

كامپوزیتها نسبت به دیگرمواد این مزیت را دارند كه می توانند با شكلهای پیچیده نسبت به هزینه كم قالبگیری شوند. انعطاف پذیری در ایجاد شكلهای پیچیده، به طراحان آزادی عمل می دهد كه نشانی از موفقیت كامپوزیتها است. قایقها نمونه ای از این توانایی شكل پذیری كامپوزیتها را نشان می دهند.

- سرمایه گذاری نسبتاً كم:

یك دلیل آنكه صنعت كامپوزیتها موفق بوده است سرمایه گذاری نسبتاً كم در تاسیس و ایجاد وسایل ساخت كامپوزیتها است. تعداد بسیاری از شركتهای بزرگ و خلاق سازنده كامپوزیتها ریشه خود را در شركتهای كوچك اولیه سازنده این مواد پیدا می كنند.

در فرایند قالبگیری ترموپلاستیكها هزینه های چند میلیون دلاری برای تجهیزات نیاز است. ولی این هزینه ها در قالبیگری باز به مراقب كمتر و با توجیه اقتصادی بیشتری همراه است. آنچه مسلم است ورود به بازار كامپوزیت با هزینه كمتری نسبت به سایر مواد امكان پذیر است.

از دیگر مزایای كامپوزیتها می توان به موارد زیر اشاره كرد:

- پایداری حرارتی خوب

- توانایی بالا در جذب انرژی ها

- ظرفیت دمپینگ بالا

- مقاومت به خستگی بالا

- هزینه پرداخت كاری پائین

1-3- محدودیتهای كامپوزیتها

محدودیت كامپوزیتها را می توان در موارد ذیل جمع بندی كرد.

- با وجود آنكه قوانین ساده ای برای نمونه های كوچك وجود دارد. اما پیش بینی خواص نمونه های بزرگتر مسئله ساز بوده و از لحاظ ایمنی باعث وقوع زیانهای جدی می گردد.

- پیچیدگی كنترل كیفیت قطعات ساخته شده از مواد مركب بویژه قطعات حساس و تحت تنشهای مكانیكی شدید نظیر قطعات هواپیما.

- طرح مهندسی ویژه كامپوزیتها، این محدودیت بیشتر در موارد عمومی صنعتی وجود دارد، نه در تا صنایع فضایی كه در آن، طرح های غامض معمول می باشد.

- محدودیت تخصصی و آموزشی در تمام سطوح در عرصه طراحی، ساخت و مصرف كامپوزیتها.

1-4- تاریخچه صنعت كامپوزیتها

استفاده ازمواد كامپوزیت طبیعی، بخشی از تكنولوژی بشر از زمانی كه اولین بناهای باستانی، كاه را برای تقویت كردن آجرهای گلی بكار بردند بوده است.

مغولهای قرن دوازدهم، كمانهای پیشرفته ای را كه كوچكتر و قوی تر از دیگر وسایل مشابه بودند، ساختند. این كمانها سازه‌های كامپوزیتی بوده اند كه بوسیله تركیب زردپی احشام (تاندون)، شاخ، خیزران (بامبو) و ابریشم ساخته شده بودند و با كلوفون طبیعی پیچیده می شدند. این كمانها از نظر قدرت 80% كمانهای كامپوزیتی مدرن بودند.

در اواخر دهه 1800 میلادی سازندگان قایقهای كانو، از چسباندن لایه های كاغذ محكم كرافت[6] با نوعی لاك به نام شلاك[7] اقدام به ساخت قایقهای سبك و یك نفره می كردند. با وجود اینكه تئوری حاكم كاملاً صحیح بود ولی به علت عدم وجود مواد مناسب برای ساخت كامپوزیتها این قایقها چندان موفق نبودند.

در سالهای بین 1870 تا 1890 انقلابی در شیمی بوقوع پیوست. اولین رزینهای مصنوعی ساخت بشر توصعه یافت. رزینهای امروزی كه به رزینهای پلیمری معروف هستند، از حالت مایع به حالت جامد توسط پیوند متقاطع مولكولی تبدیل می شوند. رزینهای مصنوعی اولیه شامل، سلولوئید، ملامین، و باكلیت[8] بودند.

در اوایل دهه 1930 دو شركت شیمیایی كه روی توسعه رزینهای پلیمری فعالیت می كردند، عبارت بودند از “American Cyanamid” و “Dupont”. این دو شركت در یك زمان به تكنولوژی ساخت پلی استر دست یافتند.

در همان زمان، شركت شیشه “Owens-lllinois” شروع به ساخت الیاف شیشه به همان صورت بنیادی بافت پارچه نساجی نمود. در طی سالهای 1934، 1936 محققی به نام Ray Green در اوهایو این دو محصول جدید را تركیب كرد و شروع به قالبگیری قایقهای كوچك نمود. بدین وسیله اولین كامپوزیت مدرن ساخته شد.

در طول جنگ جهانی دوم توسعه رادار به محفظه های غیر فلزی نیاز پیدا كرد و ارتش آمریكا با تعداد زیادی پروژه های تحقیقاتی، تكنولوژی نوپای كامپوزیتها را توسعه بخشید.

تكنولوژی صنعت كامپوزیتها در سالهای 1940 تا 1950 میلادی با استقبال و پیشرفت زیادی مواجه شد. اكثر روشهای قالبگیری و فرایند انجام كار روی كامپوزیتها در سال 1955 گسترش یافت.

كاربرد مواد كامپوزیت چنان گسترده و همه گیر شده است كه شاید كمترین شاخه‌ای از علم از آن بی نصیب مانده باشد. ولی شاید بتوان صنایع هوا فضا، صنایع خودرو، صنایع نظامی، صنعت ساخت مخازن نگهداری مواد شیمیایی را از بزرگترین مصرف كننده های كامپوزیتها نامید. در مورد كاربرد كامپوزیتها به تفصیل در ادامه صحبت خواهد شد.

1-5- فازهای كامپوزیتی و تقسیم بندی كامپوزیتها

در كامپوزیتها عموماً سه ناحیه متمایز، شامل فاز پیوسته (ماتریس)، فاز ناپیوسته (تقویت كننده) و لایه مرزی بین این دو فاز وجود دارد كه تعیین كننده خواص و مشخصه‌های ماده مركب خواهند بود.

فاز ناپیوسته غالباً به سه دسته كلی ذرات پودری[9]، ذرات صفحه ای[10] و الیاف[11] تقسیم می شوند كه هر دسته خصوصیات ویژه ای را در كامپوزیت ایجاد می كنند.

در كامپوزیتهای ذره ای خواص به جهت بستگی ندارد، در حالیكه در كامپوزیتهای لیفی این امر از اهمیت فراوانی برخوردار است.

با احتساب مواد مركب حاوی ذرات صفحه ای در زمره یكی از دو دسته دیگر، كامپوزیتها را می توان بصورت زیر طبقه بندی كرد.

در یك كامپوزیت بطور كلی الیاف، عضو بار پذیر اصلی سازه هستند. در حالیكه فاز ماتریس آنها را در محل و آرایش مطلوب نگه داشته و به عنوان یك محیط منتقل كننده بار بین الیاف عمل می كند و به علاوه آنها را از صدمات محیطی در اثر بالا رفتن دما و یا رطوبت و غیره حفظ می كند. بنابراین اگرچه الیاف باعث تقویت ماتریس می شوند اما ماده اخیر نیز اثرات مثبتی بر ماده كامپوزیت دارد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

از مواد مختلفی می توان در ساخت كامپوزیتها استفاده كرد و ظاهراً هم محدودیتی در زمینه انواع تركیبات ممكن وجود ندارد. ولی براساس شكل مواد داخل كامپوزیت، می توان آنها را به پنج نوع ذیل تقسیم نمود.

1- كامپوزیت الیافی[12]: كه شامل الیاف محاط شده در ماتریس هستند.

2- كامپوزیت لایه‌ای[13]: كه شامل لایه ای از موادند كه رویهم قرار گرفته اند.

3- كامپوزیت ذره‌ای[14]: كه شامل ذرات محاط شده در ماتریس هستند.

4- كامپوزیت پولكی[15]: ساخته شده از پولك با یا بدون ماتریس.

5- كامپوزیت پر شده[16]: كه از یك ماتریس كه بوسیله ماده دیگر پر شده است تشكیل می شوند.

 

 

 

 

 

 

 

1-6- خواص كامپوزیتها

خواص كامپوزیتها را می توان ناشی از عوامل زیر دانست.

1- خواص فازهای تشكیل دهنده آن

2- توزیع فازها

3- اثر متقابل فازها بر یكدیگر[17]

4- ابعاد ماده تقویت كننده

الف: شكل[18]

 

ب: اندازه[19]

ج: توزیع اندازه ذرات[20]

در مواد مركب الیافی، زاویه قرار گرفتن الیاف تحت بارگذاری اهمیت بسزایی دارد. شكل زیر نمونه ای از وابستگی خواص به جهات را نشان می دهد.

 

 

 

 

 

خواصی راكه می توان بوسیله به هم آمیختن مواد بهبود بخشید عبارتنداز:

-        مقاومت

-        سختی

-        مقاومت در برابر خوردگی

-        جذابیت ظاهری

-        وزن

-        مقاومت در مقابل خستگی

-        انبساط یا انقباض ناشی از تغییرات درجه حرارت

-        عایق حرارتی بودن

-        قابلیت هدایت حرارتی

-        قابلیت هدایت الكتریكی

-        عایق صوتی بودن

البته یافتن كامپوزیتی كه دارای كلیه خواص فوق باشد كار دشواری است. معمولاً برخی از این خواص در یك كامپوزیت مورد نیازاست.

1-7- مقاومت كامپوزیتهای لیفی

از میان تمام مواد مركبی كه ذكر آنها به عمل آمد، تنها مواد مركب الیافی موضوع این پروژه می باشد. این مواد در صنعت هم از بالاترین درجه اهمیت در میان سایر مواد مركب برخوردار می باشند. لذا تا حدودی بر روی این مواد تمركز بیشتری كرده و به شرح و تفضیل آنها می پردازیم.

چندین عامل در میزان مقاومت كامپوزیتهای فایبر- ماتریس موثرند.

احتمالاً مهمترین عامل،‌ آرایش الیاف یا طرز قرار گرفتن آنها درون ماتریس می‌باشد. معمولاً الیاف بیشترین مقاومت را در امتداد طول خود نشان می دهند.

شكل زیر انواع مختلفی از آرایش الیاف در كامپوزیتها را نشان می‌دهد كه اصلی‌ترین طرز قرارگیری الیاف می باشند.

- تقویت كننده تك جهتی[21] كه حداكثر مقاومت را در یك جهت نشان می دهند.

-        تقویت كننده دو جهتی[22] كه در دو جهت مقاوم بوده، معذلك مقاومت در هر جهت نصف مقاومتی است كه تقویت كننده تك جهتی می تواند داشته باشد.

-        تقویت كننده ایزوتروپیك[23] كه به ماده مركب متجانس نیز معروف است. این ماده مقاومت یكسان در تمام جهات را فراهم می كند.

منتهی مقاومت در هر جهت یك سوم مقاومتی است كه تقویت كننده تك جهتی می‌تواند تامین كند.

عوامل موثر بر مقاومت كامپوزیتهای لیفی را می توان به موارد ذیل خلاصه نمود.

1- مقاومت خود الیاف

2- طول الیاف

3- تعداد تركهای ریز در الیاف

4- شكل الیاف

5- میزان چسبندگی الیاف به ماتریس[24]

برای مثال ویسكوهای شش ضلعی قویترین الیاف به شمار می روند ولی كار با آنها دشوار است. انواع مختلف الیاف در زیر آمده است.

از میان عوامل پنج گانه فوق، مورد میزان چسبندگی الیاف به ماتریس از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. عواملی كه در میزان استحكام بین الیاف و ماتریس موثرند عبارتند از:

- ایجاد حبابهای هوا در ماده مركب كه باعث اتصال غیر كامل ماتریس و فیبرها می‌شود.

- مشكل دیگر رطوبت است. چنانچه سطح الیاف خیس باشد اتصال مناسب با ماتریس بوجود نمی آید. بهمین خاطر اغلب سطح الیاف را با عامل پیوند دهنده[25] پوشش می دهند. این پوشش باعث بهبود مقاومت چسبندگی می‌شود.

 

---