انواع کامپوزیت های پلیمری

کامپوزیت های پلیمری

کامپوزیت های پلیمری به دو دسته کلی تقسیم بندی می شوند:
۱٫ کامپوزیت تقویت شده با الیاف (Fiber Reinforced Composites): این کامپوزیت ها به کامپوزیت های لیفی هم مشهور هستند(Fibrous Composites). در این نوع از کامپوزیت،الیاف فاز تقویت کننده می باشد. این دسته از کامپوزیت ها (FRC)کاربرد های سازه ای استفاده فراوانی دارند.
۲٫ کامپوزیت های ذره ای :(Particulate Composite)در این نوع از کامپوزیت ها، فاز تقویت کننده از ذرات تشکیل شده است. این دسته از کامپوزیت ها در قطعات با اصطحکاک زیاد مورد کاربرد قرار می گیرند.
از منظری دیگر می توان کامپوزیت های پلیمری رابر اساس نوع تقویت شدن، به شیشه ایی ، کربنی و آرامید تقسیم کرد. کامپوزیت های پلیمری رشته شیشه ای شامل رشته های شیشه ایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه پلیمریاست. در آینده به جای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویت کننده در کامپوزیت هایپلیمری استفاده خواهد شد. چون رشته های کربنی بیشترین استحکام ویژه و مدول ویژه رادر میان مواد رشته های تقویت کننده دارا هستند . رشته های آرامید موادی با استحکامو مدول بالا هستند که در اوایل دهه ۱۹۷۰ عرضه شدند .
در کامپوزیت های زمینه پلیمری ، غیر از سه نوع رشته تقویت کننده شیشه ایی ، کربنی و آرامید گاه از بور ،کاربید سیلیسیم و اکسید آلومینیم در حد محدودی استفاده می شود. رشته های بور در اجزا هواپیماهای نظامی ، تیغه ای پره بالگرد و برخی وسایل ورزشی بکار می رود از رشته کاربید سیلیسیم و آلومینا در راکتها ی تنیس ، مدار چاپی و دماغه مخروطی موشک استفاده می شود .
کامپوزیت ها براساس منشأ (طبیعی یا مصنوعی) زمینه یا پر کننده نیز طبقه بندی می شوند. طبیعت از کامپوزیت ها در مواد سخت استفاده کرده است. این مواد سخت دارای ساختار پیچیده ای از مواد فیبری یا ذره ای هستند که در زمینه ای آلی قرار گرفته اند (این زمینه مانند چسب عمل می کند). چوب یک کامپوزیت است که از الیاف سلولز به همراه لیگنین (lignin) تشکیل شده است. ابریشم تولیدی از عنکبوت، شامل نانوکریستال های آلی در یک زمینه ی آمورف و آلی است. پوسته ی حلزون از لایه های یک ماده ی مینرالی سخت تشکیل شده است که بوسیله ی یک بایندر پروتئینی از همدیگر مجزا شده اند. یک ساختار صفحه ای مشابه تولید شده است که بوسیله ی قرارگیری فلس های میکا در یک زمینه ی پلیمر مصنوعی به دست می آید. این پلیمر مصنوعی ترموست به همراه میکای فلس مانند تشکیل مجراهای عبور بخار و مایع در یک میکروکامپوزیت می دهد.

طبقه بندی کامپوزیت های بر اساس کاربرد: این مواد چند سازه ای بر اساس نوع کاربرد و عملکردی که دارند هم طبقه بندی می شوند. برای مثال شخصی می تواند مابین دو بیوکامپوزیت تفاوت قائل شود؛ مثلا بیوکامپوزیت های مورد مصرف برای کاربردهای اکولوژی(ecologicalapplications) که از ترکیب الیاف یا ذرات طبیعی به همراه زمینه ای پلیمری تشکیل شده اند. (این پلمیرها از منابع بازگشت پذیر و غیر قابل بازگشت پذیر تهیه می شوند). این نوع بیوکامپوزیت ها به خاطر داشتن خاصیت تخریب پذیری بوسیله محیط طبیعی، ممتاز هستند. بیوکامپوزیت های مورد استفاده در بیوپزشکی از پلیمرهای تخریب پذیر یا مقاوم در برابر عوامل بیولوژیک تشکیل شده اند که بوسیله ی پر کننده های با سطح فعال یا خنثی اصلاح شده اند. این نوع بیوکامپوزیت ها در شکسته بندی (orthopedics)، ترمیم استخوانی (boneregeneration) یا کاربردهای مهندسی بافت کاربرد دارند.
فایبر گلاس: فايبرگلاس(اليافشيشه)که پرکاربردترين کامپوزيت‌هاهستند،فيبرها يا الياف ساخ تبشرمی باشند ک هدرآن،ماده‌ تشکيل دهنده‌فيبر،شيشه است.الياف شيشه‌ها،موارد استفاده‌هاي فراواني ازجمله درساخت بدنه‌ خودروها وقايقهاي تندرو و مسابقه‌اي،کلاه ايمني موتورسواران،عايقکاري ساختمانها و کوره‌ها ويخچال هاو… دارند .
ساختمان و اندازه‌ اين الياف شيشه‌ها بسيار متغيراست. کوچکترين آنها بوسيله چشم غيرمسلح ديده نمي‌شود و بسيار ريز هستند. اندازه‌ها يکمي بزرگتر از آن ذراتي هستند که در کارخانجات ساخت فرآورده‌ ها ي الياف شيشه‌ها به کمکه و انقلو انتقال يافته و سبب شوزشپوستوبينيوگلومي‌شود.الياف شيشه متداول ترين الياف مصرفي کامپوزيت‌ ها در دنيا و ايران است که متاسفانه در ايران ساخته نمي‌شود. انواع الياف شيشه عبارتند از انواع E ،C،S وکوارتز.
الیاف شیشه نوعS، تقريباْْ۴۰ درصد استحکام بيشتري نسبت به الياف شيشه نوعEدارند.الياف شيشه نوعCيا الياف شيشه شيميايي ، داراي ترکيب بور و سيليکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پايداري شيميايي بيشتري به خصوص در محيط‌هاي اسيدي دارد.الياف شيشه کوارتز، بيشتر در مواردي که خاصيت دي‌الکتريک پايين نياز باشد، مانند پوشش آنتن‌ها و يا رادارهاي هواپيما استفاده مي‌شوند .
کامپوزیت های پلیمری FRPاين کلمه اختصاري از کلمات Fiber Reinforced Polymer or Plastic مي با شد. به عبارت ديگر به يک ماده مرکب و کامپوزيتي اطلاق مي شود که از دو بخش فيبر(الياف تقويتي) و ماتريس رزين از جنس پليمر تشکیل شده است. این کامپوزیت به دو شکل ورق هاي FRP و ميلگردهاي FRP وجود دارد. در ضمنFRP ها را بر اساس فيبر تشکيل دهنده ي آنها به ۳ دسته تقسيم مي کنند:
۱٫ CFRP (الياف از جنس کربن)
۲٫ GFRP (الياف از جنس شيشه)
۳٫ AFRP (الياف از جنس آراميد)

اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت های پلیمری

کامپوزیت های پلیمری مخلوط هایی از پلیمرها به همراه افزودنی های آلی و غیر آلی هستند. در واقع این افزودنی ها دارای هندسه های مختلفی مانند الیاف، فلس مانند (Flakes)، کره مانند و ذره ای هستند. کارايي کامپوزيتهاي پليمري مهندسي توسط خواص اجزاء آن ها تعيين ميشود. اغلب آن ها داراي الياف با مدول بالا هستند که در ماتريسهاي پليمري قرار داده شده اند. همچنین یک کامپوزیت از دو فاز عمده تشکیل شده است :
۱٫ فاز پیوسته یا ماتریس
۲٫ فاز ناپیوسته
کامپوزیته ای زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری (پلاستیک تقویت شده مولکول درشت) به عنوان زمینه با رشتهایی به عنوان عامل تقویتکننده تشکیل شده است.رزین پلیمری فاز پیوسته و رشته ها (الیاف ها) فاز ناپیوسته کامپوزیت پلیمری هستند.

نقش ماتریس در کامپوزیت ها به شرح زیر می باشد:
۱٫ انتقال تنش بین الیاف
۲٫ نگهداری الیاف در کنار هم
۳٫ حفاظت در مقابل شرایط محیطی سخت وحفاظت از سایش مکانیکی الیاف
۴٫ حفاظت عرضی برای الیاف و جلوگیری از کمانش آن تحت بار فشاری
۵٫ انتقال برش از فيبر تقويتي به ماده مجاور

تاثیر ماتریس ها بر خواص کامپوزیت :
۱٫ استحکام و مدول عرضی موثر
۲٫ خواص فشاری ( موثر)
۳٫ استحکام برشی ( موثر)
۴٫ استحکام برشی صفحه ای ( موثر )
۵٫ خواص کششی ( کم اثر )
فرایند پذیری یک کامپوزیت به خصوصیات فیزیکی رزین ها مانند گرانروی، نقطه ذوب و دمای پخت بستگی دارد.

نقش الیاف ها در کامپوزیت ها:
۱٫ سهم اصلی باربری درمواد مرکب را دارد.
۲٫ بالاترین حجم را در مواد مرکب پر می کند.
۳٫ انتخاب دقیق مقدار و نوع الیاف و جهت قرارگیری بسیار مهم است.
الیاف های دارای ویژگی های زیر هستند :
۱٫ منعطف بودن جهت شکل گیری مورد نظر
۲٫ امکان پیش شکل دادن (Performing) مثل بریدن یا دوختن یا فشردن و افشاندن
۳٫ تراکم مناسب جهت جریان راحت رزین از میان آن

افزودنی های مورد استفاده در کامپوزیت های پلیمری به صورت های مختلفی طبقه بندی می شوند مثلا برخی از آنها تقویت کننده، برخی پرکننده و برخی ترکیبی از خاصیت پرکنندگی و تقویت کنندگی را پدید می آورند. تقویت کننده ها دارای سفتی و استحکام بیشتری نسبت به پلیمرها هستند. و معمولا این مواد باعث افزایش مدول و استحکام پلیمری می شوند. علاوه بر خواص مکانیکی سایر خواص یک پلیمر نیز تحت تأثیر این مواد افزودنی هاست.

الف: تقویت کننده ها
فاز پیوسته (ماتریس) کامپوزیت های پلیمری:ماتريس پليمري دومين جزء عمده کامپوزيت هاي پليمري است. اين بخش عملکردهاي بسيار مهمي در کامپوزيت دارد. اول اينکه به عنوان يک چسب الياف تقويت کننده را نگه مي دارد. دوم، ماتريس تحت بار اعمالي تغيير شکل مي دهد و تنش را به الياف محکم و سفت منتقل مي کند. سوم، رفتار پلاستيک ماتريس پليمري، انرژي را جذب کرده، موجب کاهش تمرکز تنش ميشود .

ویژگی های رزین ها( ویژگی های کلی):
۱٫ ویسکوزیته (گرانروی) پایین ( ۱۰۰ – ۱۰۰۰ CP ) و توانایی پر کردن قالب
۲٫ خیس کردن سریع تقویت کننده
۳٫ زمان ژل شدن
انواع رزین های پلیمری :
الف : پلیمر های گرما سخت
۱٫ رزین های پلی استر غیر اشباع
۲٫ رزین های اپوکسی
۳٫ رزین های فنولیک
۴٫ رزین اپوکسی نووالانس
۵٫ رزین پلی ایماید
۶٫ رزین اوره و ملامین فرمالدئید
ب : پلیمر های گرما نرم
۱٫ نایلون ۶ و ۶۶
۲٫ پلی استر ها
۳٫ پلی کربنات
۴٫ پلی استال ها – پلی سولفون ها
۵٫ پلی اتراکتون PEEK
۶٫ PAI , PEI[21]
در ميان رزينها نيز، پلي استر، وينيل استر، اپوکسي و فنوليک از اهميت بيشتري برخوردار هستند.
رزین های پلی استر: این نوع از رزین ها انواع مختلفی دارد که در زیر به چند نمونه از آنها اشاره خواهیم کرد:
۱٫ پلی استر نوع اورتو با ویژگی های: قیمت پایین و کاربرد عمومی تا ۸۵ %
۲٫ پلی اتر نوع ایزود با ویژگی های: مقاومت مناسب در شرایط محیطی و مواد شیمیایی، استفاده در لایه های ژلی
۳٫ رزین بیسفنلیک (پلی استر با کارایی بالا) با ویژگی های: مقاومت بالا در مقابل خوردگی، مورد استفاده در لوله های انتقال مواد شیمیایی
۴٫ رزین وینیل استر (پلی با کارایی بالا) با ویژگی های : چقرمگی بالا، مقاومت ضربه بالا، مقاومت شیمیایی عالی
رزین های اپوکسی: این رزین ها با خواص زیر مورد توجه قرار می گیرند :
۱٫ خواص مکانیکی خوب : مانند چقرمگی، سختی، مقاومت سایشی بالا
۲٫ خاصیت الکتریکی خوب
۳٫ مقاومت حرارتی عالی
۴٫ چسبندگی عالی به بسیاری از مواد مانند فلزات، چوب، بتن، شیشه، سرامیک
۵٫ مقاومت شیمیایی خوب
۶٫ جمع شدگی کم پس از واکنش پخت
۷٫ فراورش مشکل تر نسبت به پلی استر ها
۸٫ قیمت بالا
عامل پخت ( سخت کننده رزین اپوکسی):نوع عامل پخت تعیین کننده سرعت واکنش پخت، میزان حرارت ناشی از واکنش، گرانروی سیستم، زمان ژل شدن و حرارت لازم جهت رزین می باشد.
– انواع عوامل پخت: پلی آمین ها، انیدرید ها و پلی آمید ها
رزین های ویژه:
۱٫ رزین اپوکسی ویژه (نووالاک)
۲٫ رزین پلی ایماید (Polyimide)
این رزین ها با خواص ویژه زیر مورد توجه قرار گرفته است :
۱٫ ساختار رزین فنلیک را دارد و نوع فراورش مشابه اپوکسی هاست.
۲٫ خواص حرارتی و شیمیایی بهتری دارند.
۳٫ خواص مکانیکی در دماهای بالا
۴٫ گرانروی بالاتر نسبت به اپوکسی های معمولی دارند.
۵٫ کارایی سایشی مطلوب دارند.
۶٫ مقاومت بالا در برابر شعله دارند.
۷٫ پایداری محیطی ضعیف و فراورش مشکل دارند.
۸٫ سختی و استحکام بالا در محدوده وسیعی از دما از ۲۴۰- تا ۳۰۰ درجه سانتی گراد دارند.
فاز ناپیوسته (الیاف) کامپوزیت های پلیمری:الیاف اصلی ترین المان در مواد مرکب لیفی (مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف) هستند که بالاترین کسر حجمی را در ساختار کامپوزیت دارند. انتخاب صحیح نوع، مقدار و جهت بسیار مهم بوده و تاثیر زیادی در خصوصیاتی نظیر؛ جرم مخصوص، استحکام کششی، مدول کششی، استحکام فشار، استحکام خستگی، قیمت، خواص حرارتی و الکتریکی دارند.
طبقه بندی اصلی ترین الیاف مورد استفاده در کامپوزیت ها پلیمری:
۱٫ فلزی : شیشه ، ازبست
۲٫ معدنی : کربن، گرافیت، آرامید
۳٫ عالی : بر، Sic
۴٫ طبیعی : طبیعی
از الياف متداول در کامپوزيتها مي‌توان به شيشه، کربن و آراميد اشاره نمود.
الیاف شیشه (Glass Fibre): این الیاف بالا ترین حجم مصرف دارا هستند و عمومی ترین نوع الیاف مصرفی را در ساختارهای مرکب دارند.
–اشکال الیاف شیشه:
۱٫ الیاف بلند: منحنی (Yarn)، رشته ای (Roving)، پارچه ای، سوزنی و نمدی،نواری، سه بعدی (ترکیب سوزنی، پارچه زاویه دار در رشته ای)
۲٫ الیاف کوتاه: ساختار الیاف شیشه از سه قسمت موج اصلی تشکیل می شود؛ موج ساده، موج اریب، موج اطلسی، سایر حالات موج الیاف از این سه ساختار نشأت می گیرند.
درصد الیاف در روش SMC بسته به نیازهای کاربردی قطعه متفاوت است و این درصد در حد ۵۰ تا ۷۰ درصد وزنی برای کاربردهای با استحکام و مدول بالا بکار می رود و در آمیزه هایی که میزان درصد وزنی الیاف آنها بالاتر از۶۰ درصد است پرکننده بکار برده نمی شود.
آمیزه های SMC را بر مبنای شکل الیاف بکار رفته به سه گروه زیر تقسیم می کنند:
۱٫ SMC-R: به معنای آرایش اتفاقی الیاف کوتاه در ورقه است.
۲٫ SMC-CR: C به معنای الیاف موازی و پیوسته در یک طرف از ورقه و R به معنای الیاف کوتاه در دوطرف دیگر ورقه می باشد.
۳٫ XMC: X به معنای الیاف پیوسته با آرایش ضربدری در ورقه می باشد .

الیاف کربن: روش های تولید؛ نساجی – پلی اکریلونیتریل (PAN)، روش (Pitch) ایزوتروپیک
– انواع الیاف کربن:
۱٫ نخی (Yarn) : اندازه ۱ الی ۲۵ میلیمتر جهت ترکیب و قالبگیری پلاستیک های گرمانرم و گرماسخت.
۲٫ رشته ای: (Roving) – پودر در اندازه ۰٫۳ با L/D ۳۰
۳٫ پارچه ای ساده بافت – پودر در اندازه ۰٫۰۳ میلیمتر با ۳۰ L/D
۴٫ نمدی
۵٫ نواری
الیاف آرامید: مزایای این نوع از الیاف ها؛ جرم مخصوص پایین، مدول کششی بالا، استحکام کششی بالا، مقاومت ضربه بالا، کاهنده دامنه نوسان در ارتعاشات
محدودیت های الیاف آرامید: مقاومت فشاری پایین، محدودیت در برشکاری، حساس به نور خورشید
اشکال موجود الیاف آرامید:
۱٫ الیاف بلند: نخی (Yarn)، رشته ای (Roving)، پارچه ای، ترکیبی با الیاف کربن و شیشه ( جهت پوشش محدودیت های موجود)
۲٫ الیاف کوتاه : انداره ۱ میلیمتر تا ۲۵ میلیمتر جهت قالبگیری،
الیاف پلی اتیلن با زنجیره کشیده شده (UHMWPE):Ultra High Molecular Weight PEمزایا:

۱٫ بالاترین استحکام کششی نسبت به سایر الیاف
۲٫ مدول کششی بالا
۳٫ پایین ترین جذب رطوبت را دارد ( کمتر از ۱ درصد)
۴٫ جرم مخصوص پایین
۵٫ مقاومت سایشی بالا
۶٫ ضریب انبساط حرارتی پایین
۷٫ مقاومت شیمیایی بالا
محدودیت ها:
۱٫ دمای کاربردی پایین (۱۰۰-۱۱۰ درجه سانتیگراد)
۲٫ خزش پایین
۳٫ دمای فرایند پذیری در محدوده ۱۲۵ در جه سانتیگراد
۴٫ چسبندگی پایین به پلیمرها[۲۱]

از انواع تجاری موجود آن (Dyneema – Spectra) می باشد. کاربرد های آن در توری، ملزومات ورزشی و … می باشد.
ب: پرکننده ها

خواص فیزیکی پرکننده ها :

۱٫ شکل ذرات : پرکننده ها می توانند به اشکال لیفی – صفحه ای ( پولکی ) – مکعبی – کره ای باشد.
۲٫ اندازه ذرات : ذرات ریز معمولا قدرت تقویت کنندگی پرکننده را در کامپوزیت بالا می برند اندازه ذرات معمولا ۲ – ۵ میکرون است.
۳٫ نسبت بسته بندی ذرات: این پارامتر عبارتست از نسبت حجم خالی بین ذرات به حجم کل ذرات
۴٫ مساحت سطح : مجموع سطح خارجی یک گرم از ذرات
۵٫ دانسیته پودری که عبارتست از نسبت وزن به حجمی است که پرکننده اشغال می کند.
۶٫ میزان جذب روغن: مقدار روغنی که ۱۰۰ گرم پودر جذب میکند. این کمیت برای تعیین تاثیر گزاری پرکننده به ویسکوزیته پلیمر مایع به کار می رود.
نقش پرکننده ها در کامپوزیت های پلیمری:اکثر پرکننده ها به عنوان افزودنی در نظر گرفته می شوند که به دلیل خصوصیات هندسی نامنظم، مساحت سطح یا ترکیب شیمیایی سطح نامناسب تنها می توانند مدول پلیمرها را به طور متوسط افزایش دهند. این در حالی است که استحکام فشاری و پیچشی آنها ثابت مانده و حتی در مواردی کاهش می یابد. عمده ترین نقش پرکننده ها، کاهش قیمت ماده بوسیله ی جایگزینی بخشی از پلیمر گران بها با این مواد است.

تاثیر پرکننده ها بر پلیمر های گرما نرم:
۱٫ افزایش در : دانسیته، مدول، سختی، دمای تغییر شکل، خواص الکتریکی، رسانایی

۲٫ کاهش در: انقباض، وابستگی خواص به دما، مقاومت کششی، کرنش درشکست، شاخص جریان ذوب، مقاومت در برابر ضربه، انبساط حرارتی، هزینه

تاثیر پرکننده ها بر پلیمر های گرما سخت:

– تاثیر بر رزین مایع: افزایش ویسکوزیته (گرانروی)، کاهش هزینه، افزایش و یا کاهش سرعت شبکه ای شدن و کاهش میزان اگزوترم
– تاثیر بر رزین شبکه ای شده: کاهش شفافیت، افزایش ( یا کاهش ) مقاومت ضربه، کاهش مقاومت ها، افزایش مدول ها، کاهش انقباض، کاهش میزان جذب آب، افزایش مقاومت سایشی، اصلاح خواص حرارتی و الکتریکی، کاهش شعله پذیری، افزایش دمای تغییر شکل حرارتی

سایر مواد افزودنی در کامپوزیت های پلیمری:
۱٫ مواد پایدار کننده نوری
۲٫ مواد تاخیر انداز شعله
۳٫ مواد کاهنده دود
۴٫ مواد رنگزا
۵٫ مواد افزاینده مقاومت ضربه
۶٫ مواد اتصال دهنده (اتصال بین الیاف و ماتریس جهت انتقال تنش)
۷٫ مواد جدا کننده از قالب
۸٫ مواد غلیظ کننده
۹٫ مواد رقیق کننده
۱۰٫ مواد پرکننده هادی
۱۱٫ مواد کاهنده میزان انقباض
۱۲٫ مواد محافظ سطح