صنعت كامپوزیت
چکیده
مواد مرکب به خاطر داشتن وزن سبک ، همچنین حجمی مساوی با حجم آلیاژهای دیگر و خواص مکانیکی منحصر به فردی که ارائه می کنند در دهه های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. از این مواد بیشتر در سازه های فضای و صنایع هوایی استفاده می شود. مواد مرکب از دو جزء اصلی تشکیل شده اند: 1- فلز پایه 2- عامل تقویت کننده
بصورت کلی از فلزات با وزن کم به عنوان فلز پایه و همچنین از مواد سرامیکی به عنوان تقویت کننده استفاده می شود از مهمترین و معروفترین مواد مرکب می توان به ماده مرکب با زمینه آلومینیومی و تقویت کننده ذره ای کاربیدسیلیکون اشاره کرد آلومینیوم و کاربیدسیلیکون به علت نزدیک بودن دانسیت هایشان به یکدیگر می توانند خصوصیات عالی مکانیکی را در وزن کم بوجود بیاورند در این تحقیق نحوه ساخت این ماده مرکب از روش ریخته گری در قالب فلزی مورد بررسی قرار می گیرد و تأثیر دو فاکتور مختلف ، یک درصد وزنی تقویت کننده و دیگری سرعت هم زدن مخلوط مذاب بر روی خواص مکانیکی از جمله سختی و استحکام مورد بحث و بررسی قرار می گیرد نتایج حاصل شده به ما نشان می دهد که با اضافه کردن مواد سرامیکی به فلز پایه تغییرات ای در رفتار مکانیکی فلز پایه ایجاد می شود که در این پایان نامه به تفصیل به بررسی این رفتار می پردازیم .
فهرست مطالب
عنوان صفحه
1- فصل اول: مقدمه ............................................................................................. 1
2- فصل دوم: مروری بر منابع .......................................................................... 4
1-2- كامپوزیت های دارای ذرات ریز ................................................................ 5
1-1-2- خواص كامپوزیت های ذره ای .............................................................. 9
2-1-2- انواع كامپوزیت های ذره ای از لحاظ جنس تقویت كننده .................... 9
2-2- كامپوزیت های تقویت شده با الیاف ........................................................... 11
1-2-2- خواص كامپوزیت های تقویت شده با الیاف .......................................... 13
2-2-2- خصوصیات كامپوزیت های تقویت شده ............................................... 15
3-2- مختصر در مورد آلومینیوم ....................................................................... 24
4-2- سرامیك های پیشرفته ................................................................................ 26
5-2- توضیحات مختصر در مورد آزمون مكانیكی ............................................ 27
1-5-2- آزمون سختی ........................................................................................ 27
2-5-2- آزمون كشش.......................................................................................... 29
2-5-3- آزمون تخلخل سنجی.............................................................................. 30
3- فصل سوم: روش انجام آزمایش ................................................................... 32
4- فصل چهارم: تحلیل نتایج .............................................................................. 50
1-4- نتایج حاصل از آزمون نونه AX ............................................................... 52
2-4- نتایج حاصل از آزمون نونه BX ............................................................... 54
3-4- نتایج حاصل از آزمون نونه CX................................................................ 56
4-4- نتایج حاصل از آزمون نونه DX ............................................................... 58
5-4- نتایج حاصل از آزمون نونه EX................................................................ 60
6-4- نتایج حاصل از آزمون نونه AY ............................................................... 62
7-4- نتایج حاصل از آزمون نونه BY................................................................ 64
8-4- نتایج حاصل از آزمون نونه CY................................................................ 66
9-4- نتایج حاصل از آزمون نونه DY ............................................................... 68
10-4- نتایج حاصل از آزمون نونه EY.............................................................. 70
11-4- نتایج حاصل از آزمون نونه AZ ............................................................. 72
12-4- نتایج حاصل از آزمون نونه BZ ............................................................. 74
13-4- نتایج حاصل از آزمون نونه CZ............................................................... 76
14-4- نتایج حاصل از آزمون نونه DZ.............................................................. 78
15-4- نتایج حاصل از آزمون نونه EZ............................................................... 80
5- فصل پنجم: تفسیر نتایج................................................................................ 100
نتیجه گیری............................................................................................................ 109
پیشنهادات.............................................................................................................. 110
منابع...................................................................................................................... 111
فهرست شكل ها
عنوان ................................................................................................................... صفحه
2-1- فرم های مختلف ساختارهای كامپوزیت .................................................... 5
2-2- فرآیند ریخته گری كامپوزیت ..................................................................... 12
2-3- نمایش تنش كششی و برشی ...................................................................... 15
2-4- ساختار كامپوزیت لایه ای .......................................................................... 19
2-5- كامپوزیت تقویت كننده شده با الیاف .......................................................... 19
2-6- نمونه آزمون كشش ................................................................................... 30
3-1- نمونه آزمون كشش ................................................................................... 47
4-1- ساختار AX ............................................................................................... 53
4-2- ساختار BX ............................................................................................... 55
4-3- ساختار CX ............................................................................................... 57
4-4- ساختار DX ............................................................................................... 59
4-5- ساختار EX ............................................................................................... 61
4-6- ساختارAY ................................................................................................ 63
4-7- ساختارBY ................................................................................................ 65
4-8- ساختارCY ................................................................................................ 67
4-9- ساختارDY ................................................................................................ 69
4-10- ساختار EY ............................................................................................. 71
4-11- ساختار AZ ............................................................................................. 73
4-12- ساختارBZ ............................................................................................... 75
4-13- ساختار CZ ............................................................................................. 77
4-14- ساختار DZ ............................................................................................. 79
4-15- ساختارEZ ............................................................................................... 81
فهرست نمودارها
عنوان.................................................................................................................... صفحه
2-1- مقایسه بین استحكام تسیلم ....................................................................... 7
2-2- تأثیر خاك رس برخواص............................................................................ 11
2-3- نمودار تنش – كرنش.................................................................................. 14
2-4- ازدیاد طول شیشه ...................................................................................... 16
4-1- نمودار كشش AX ..................................................................................... 52
4-2- نمودار كشش BX ..................................................................................... 54
4-3- نمودار كشش CX ..................................................................................... 56
4-4- نمودار كشش DX ..................................................................................... 58
4-5- نمودار كشش EX ..................................................................................... 60
4-6- نمودار كشش AY ..................................................................................... 62
4-7- نمودار كشش BY...................................................................................... 64
4-8- نمودار كششCY ...................................................................................... 66
4-9- نمودار كششDY ...................................................................................... 68
4-10- نمودار كششEY .................................................................................... 70
4-11- نمودار كشش AZ..................................................................................... 72
4-12- نمودار كششBZ ..................................................................................... 74
4-13- نمودار كششCZ ..................................................................................... 76
4-14- نمودار كششDZ ..................................................................................... 78
4-15- نمودار كشش EZ..................................................................................... 80
4-16- منحنی بر حسب SiC در سرعت 400..................................................... 82
4-17- منحنی بر حسب SiC در سرعت 800..................................................... 84
4-18- منحنی بر حسب SiC در سرعت 1200................................................... 86
4-19- تنش بر حسب SiC در سرعت 400........................................................ 88
4-20- تنش بر حسب SiC در سرعت 800........................................................ 90
4-21- تنش بر حسب SiC در سرعت 1200...................................................... 92
4-22- انرژی بر حسب SiC در سرعت 400..................................................... 94
4-23- انرژی بر حسب SiC در سرعت 800..................................................... 96
4-24- انرژی بر حسب SiC در سرعت 1200................................................... 98
فهرست جداول
عنوان.................................................................................................................... صفحه
2-1- مثالها و كاربردهای كامپوزیت .................................................................. 8
2-2- خواص الیاف .............................................................................................. 22
2-3- تأثیر مكانیزم های استحكام بخش در آلومینیوم ....................................... 25
2-4- خواص سرامیك ها .................................................................................... 27
4-1- درصد وزنی SiC ...................................................................................... 50
4-2- سرعت همزن ............................................................................................. 51
4-3- سختی نمونه AX ....................................................................................... 53
4-4- سختی نمونه BX ....................................................................................... 55
4-5- سختی نمونه CX........................................................................................ 57
4-6- سختی نمونه DX........................................................................................ 59
4-7- سختی نمونه EX........................................................................................ 61
4-8- سختی نمونه AY........................................................................................ 63
4-9- سختی نمونه BY........................................................................................ 65
4-10- سختی نمونه CY...................................................................................... 67
4-11- سختی نمونه DY...................................................................................... 69
4-12- سختی نمونه EY...................................................................................... 71
4-13- سختی نمونه AZ...................................................................................... 73
4-14- سختی نمونه BZ....................................................................................... 75
4-15- سختی نمونه CZ....................................................................................... 77
4-16- سختی نمونه DZ...................................................................................... 79
4-17- سختی نمونه EZ....................................................................................... 81
4-18- سختی بر حسب SiC سرعت 400 ........................................................... 82
4-19- بیشترین و كمترین سختی سرعت 400 .................................................... 83
4-20- تغییرات سختی.......................................................................................... 83
4-21- سختی بر حسب SiC سرعت 800 ........................................................... 84
4-22- بیشترین و كمترین سختی سرعت 800 .................................................... 85
4-23- تغییرات سختی.......................................................................................... 85
4-24- سختی بر حسب SiC سرعت 1200 ........................................................ 86
4-25- درصد تغییرات سختی............................................................................... 87
4-26- تنش شكست بر حسب SiC سرعت 400 ................................................. 88
4-27- بیشترین و كمترین تنش سرعت 400 ....................................................... 89
4-28- تغییرات تنش سرعت 400 ........................................................................ 89
4-29- تنش بر حسب درصد SiC سرعت 800 .................................................. 90
4-30- بیشترین و كمترین تنش ........................................................................... 91
4-31- تغییرات تنش سرعت 800......................................................................... 91
4-32- تنش بر حسب درصد SiC سرعت 1200 ................................................ 92
4-33- بیشترین و كمترین تنش............................................................................ 93
4-34- تغییرات تنش سرعت 1200....................................................................... 93
4-35- انرژی بر حسب SiC سرعت 400 ........................................................... 94
4-36- بیشترین و كمترین تنش............................................................................ 95
4-37- تغییرات تنش سرعت 400 ........................................................................ 95
4-38- انرژی بر حسب SiC سرعت 800 ........................................................... 96
4-39- بیشترین و كمترین تنش............................................................................ 97
4-40- درصد تغیرات انرژی سرعت 800............................................................ 97
4-41- انرژی بر حسب SiC سرعت 1200 ........................................................ 98
4-42- بیشترین و كمترین تنش............................................................................ 99
4-43- تغییرات انرژی سرعت 1200.................................................................... 99
فصل اول:
مقدمه
استفاده از مواد كامپوزیت طبیعی، بخشی از تكنولوژی بشر از زمانی كه اولین بناهای باستانی، كاه را برای تقویت كردن آجرهای گلی به كار بردند بوده است. مغولهای قرن دوازدهم، سلاح های پیشرفته ای را نسبت به زمان خودشان با تیر و كمان هایی كه كوچكتر و قوی تر از دیگر وسایل مشابه بودند ساختند. این كمانها سازه های كامپوزینی ای بودند كه به وسیله تركیب زردپی احشام (تاندون)، شاخ، خیزران (بامبو) و ابریشم ساخته شده بودند كه با كلوفون طبیعی[1] پیچیده می شد.این طراحان سلاح های قرن دوازدهم، دقیقاً اصول طراحی كامپوزیت را می فهمیدند. اخیراً بعضی از این قطعات موزه ای 700 ساله كشیده و آزمون شدند. آنها از نظر قدرت حدود %80 كمانهای كامپوزیتی مدرن بودند. در اواخر دهه 1800، سازندگان كانو قایق های باریك و بدون بادبان و سكان، تجربه می كردند كه با چسباندن لایه های كاغذ محكم كرافت[2] با نوعی لاك به نام شلاك[3]، لایه گذاری كاغذی را تشكیل می دهند. در حالی كه ایده كلی موفق بود، ولی مواد به خوبی كار نمی كردند. چون مواد در دسترس، ترقی نكرد، این ایده محو شد. در سالهای بین 1870 تا 1890 انقلابی در شیمی به وقوع پیوست. اولین رزین های مصنوعی (ساخت بشر) توسعه یافت به طوری كه
می توانست به وسیله پلیمریزاسیون از حالت مایع به جامد تبدیل شود. این رزین های پلیمری از حالت مایع به حالت جامد توسط پیوند متقاطع مولكولی تبدیل می شوند. رزین های مصنوعی اولیه شامل، سلولوئید، ملامین و باكلیت[4] بودند.در اوایل دهه 1930 دو شركت شیمیایی كه روی توسعه رزین های پلیمری فعالیت می كردند، عبارت بودند از '' American Cyanamid '' و '' Dupont '' .
در مسیر آزمایشاتشان هر دو شركت به طور مستقل و در یك زمان به فرمول ساخت رزین پلی استر دست یافتند. هم زمان، شركت شیشه '' Owens – lllinois '' شروع به ساخت الیاف شیشه به همان صورت بنیادی بافت پارچه های نساجی نمود. در طی سال های 1943 و 1936 محققی به نام '' Ray Green '' در اوهایو این دو محصول جدید را تركیب كرد و شروع به قالب گیری قایق های كوچك نمود. این زمان را شروع كامپوزیت های مدرن می شناسند. در حین جنگ جهانی دوم، توسعه رادار به محفظه های غیر فلزی نیاز پیدا كرد و ارتش آمریكا با تعداد زیادی پروژه های تحقیقاتی، تكنولوژی نوپای كامپوزیت ها را توسعه بخشید. فوراً، به دنبال جنگ جهانی دوم، كامپوزیت به عنوان یك ماده مهندسی اصلی پدیدار شد. صنعت كامپوزیت در اواخر دهه 1940 با علاقه شدید به آن شروع شد و به سرعت در دهه 1950 توسعه یافت. بیشتر روش های امروزی قالبگیری و فرایند انجام كار روی كامپوزیت ها در سال 1955 گسترش یافت. قالبگیری باز (لایه گذاری دستی)، قالبگیری فشاری، استفاده از پاشش الیاف سوزنی، قالبگیری به روش انتقال رزین، روش فیلامنت وایندینگ، استفاده از كیسه خلاء و روش پاشش در خلاء همگی بین سالهای 1946 و 1955 توسعه یافتند و در تولید استفاده شدند. محصولات ساخته شده از كامپوزیت ها در طی این دوره شامل این موارد بودند: قایق ها، بدنه
اتومبیل ها، قطعات كامیون ها، قطعات هواپیماها، مخازن ذخیره زیر زمینی،
ساختمان ها و بسیاری دیگر از محصولات مشابه.
امروزه صنعت كامپوزیت به رشد خود ادامه می دهد چرا كه به دنبال افزایش قدرت، سبكی، دوام و زیبایی محصولات می باشیم.
فصل دوم:
مروری بر منابع
كامپوزیت ها[5] مخلوط یا تركیبی از چند ماده ( حداقل دو ماده ) یا جزء اصلی هستند . اجزای تشكیل دهندة هر كامپوزیت از لحاظ شكل ، تركیب شیمیایی و خواص با یكدیگر متفاوتند . كامپوزیت ها در اصل به منظور دستیابی به تركیبی از خواص ، كه درهریك از مواد یا اجزای تشكیل دهندة آنها به تنهایی وجود ندارد تولید می شوند بدین ترتیب می توان موادی با خواص جدید وبهتر با توجه به كاربردهای صنعتی مورد نظر تولید كرد .
مواد كامپوزیتی معمولاً شامل یك مادة خالص یا تركیبی از حداقل دو ماده به عنوان مادة زمینه[6] و یك یا چند مادة دیگر موسوم به مادة تقویت كننده[7]هستند. كامپوزیت ها از لحاظ شكل مادة تقویت كننده به سه گروه تقسیم بندی می شوند ذره‌ای[8]، الیافی یا رشته ای ( پیوسته یا ناپیوسته[9] ) و لایه ای[10]. شكل(2-1) نمونه هایی از سه نوع ساختار كامپوزیتی را نشان می دهد. سالهاست كه تحقیقاتی برای دستیبای به مواد جدیدتر با خواص مكانیكی بهتر انجام گرفته و هنوز هم همگام با پیشرفت های سریع صنعتی دنبال می شود هدف این تحقیق غالباً تولید موادی با نسبت مناسب از استحكام كششی به چگالی ، استحكام حرارتی بالا و خواص ویژه سطح خارجی (مانند مقاومت سایشی بالا ) است
شكل 2-1- فرم های مختلف ساختارهای كامپوزیت دو فاز ی( الف ) ذره ای كروی شكل ،( ب ) الیافی به صورت میله هایی در جهتz (ج) لایه ای به صورت صفحاتی در جهت yz، (د) پوشش سطحی .
1-2- كامپوزیت های دارای ذرات ریز[11]
این نوع كامپوزیت ها شامل ذراتی از عنصر یا تركیبی غیر از عنصر یا تركیب فاز
زمینه اند. ذرات فاز تقویت كننده می تواند به صورت نامنظم و غیریكنواخت در مرزدانه ها ، یا تقریباً یكنواخت در تمامی زمینه و یا جهت دار پراكنده و توزیع شود بدین صورت توزیع ذرات مادة تقویت كننده در مادة زمینه می تواند به گونه ای باشد كه خواص ایجاد شده به صورت همسانگرد و یا ناهمسانگرد باشد. حالت توزیع
غیر یكنواخت و جهت دار مادة تقویت كننده در كامپوزیت ها ، اهمیت صنعتی ویژه ای دارد. برای مثال توزیع ذرات فاز (Ni3 AL) در سوپر آلیاژهای پایة‌نیكل در جهات <100>. برای شكل گیری ذرات رسوب در جهات خاص امكانات مختلف زیر وجود دارد :
1- انجماد یوتكتیكی جهت دار ( در سوپر آلیاژهای دمای بالا)
2- جدایش به كمك ایجاد میدان مغناطیسی (مورد استفاده برای مغناطیس های دائمی)
3- اتصال فازهایی كه قبلاً به طورمصنوعی جهت دار شده است ( مواد تقویت شده با الیاف ) رشد طبیعی فازهای مخلوط ( مانند چوب ).
خواص فیزیكی و مكانیكی كامپوزیت به مقدار درصد ذرات فاز دوم ، اندازه و شكل ذرات و نحوة توزیع آنها در فاز زمینه بستگی دارد اگر ذرات پراكنده شده در فاز زمینه به صورت ریز و تقریباً یكنواخت توزیع شده و با فاز زمینه تطابق ساختاری نداشته باشد، مانع حركت نابجایی ها شده و موجب افزایش استحكام فاز زمینه می شود. كامپوزیت هایی كه در دمای معمولی محیط استحكام آنها با پراكنده سازی ذرات فاز دوم افزایش یافته است می تواند از آلیاژهای پیرسختی شده، كه شامل رسوب هایی با تطابق ساختاری با فاز زمینه است، ضعیفتر باشد. در هر صورت تا زمانی كه در این نوع كامپوزیت ها فعل و انفعالاتی مانند
پیر سازی بیش از حد، بازپخت بیش از حد[12]، رشد دانه ها، رشد فاز دوم پراكنده شده در فاز زمینه كه منجر به نرم شدن می شود انجام نگرفته است ، استحكام آنها بالاست. اما زمانی كه یكی از پدیده های اشاره شده انجام گیرد ، استحكام كامپوزیت به تدریج كاهش می یابد . بنابراین در این آلیاژ با افزایش دما استحكام كاهش می یابد شكل (1-2) علاوه بر ان مقاومت خزشی می تواند برتر از مقاومت خزشی فلزات و آلیاژها باشد
جهت دریافت فایل صنعت كامپوزیتلطفا آن را خریداری نمایید