پایان نامه كامپوزيت هاي زمينه فلزي تقويت شده باآلياژهاي حافظه شكلي

دانشكده مهندسي
كامپوزيت هاي زمينه فلزي تقويت شده باآلياژهاي حافظه شكلي
دانشجو:
مرتضي اسدالله زاده
پايان‌نامه براي دريافت درجه کارشناسي
استاد راهنما:
دکتر حسن عبداله‌پور
شهريورماه ١٣٨8
فصل اول:
كامپوزيت ها
کامپوزیت ها [1]
بسیاری از فن آوریهای نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولی از خواص را با آلیاژهای فلزی ، سرامیکی و پلیمرهای معمولی حاصل نمی آید بدست می دهد . به عنوان نمونه مواد مورد نیاز درسفینه های فضائی ، زیر دریائی ها و کاربردهای حمل و نقل از این
قبیل است که باید در عین چگالی کم ، استحکام سفتی و مقاومت به سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد .از اينرو نياز به مواد
جديدي به نام كامپوزيت ميباشد. کامپوزیت عبارت است از هر ماده چند فازی که سهم برای بدست آوردن مواد با استحکام و به ویژه استحکام به وزن بالا، می توان رشته هایی با مدول کشسانی و استحکام بالا را در یک زمینه فلزی یا پلیمری قرار داد. در کامپوزیت ها که مواد مرکب هم نامیده می شوند، دو یا چند ماده در مقیاس ماکروسکوپی با هم ترکیب شده و خواص مورد نظر را ایجاد می کنند. اگر چه می توان با ترکیب کردن بعضی مواد در مقیاس میکروسکوپی هم به خواص مورد نظر دست یافت، که به بحث آلیاژها مربوط می گردد.درواقعکامپوزیتها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است.ضمن آنکه اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می‌بخشند. کاپوزینت یک ماده چند فازی است که بصورت مصنوعی ساخته می شود فازها باید از لحاظ شیمیائی متفاوت باشد و با فصل مشترکهایی مچزا شوند. مطابق این تعریف ، اغلب آلیاژهای فلزی و بسیاری از سرامیکها کامپوزیت نیستند زیرا فارهای چند گانه آنها درنتیجه یک پدیده طبیعی تشکیل شده است .بسیاری از کامپوزیت هاتنها از دو فاز تشکیل شده اند:
فاز زمینه که پیوسته است وفاز دیگر که غالبا فاز پراکنده است تقويت كننده گفته ميشود . خواص کامپوزیت به خواص فازهای تشکیل دهنده آن ، مقادیر آنها و هندسه فاز پراکنده شده وا بسته است . منظور از هندسه فاز پراکنده شده ، شکل و اندازه ذرات ، نحوه توزیع و جهت آنهاست .
1-1-ساختمان کامپوزیت ها:
کامپوزیت ها از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند: 1)الیاف یا تارها. 2)پرکننده یا ماتریس. 3)چسب. معمولاً ماتریس دارای سختی و استحکام کمتری نسبت به ا لیاف می باشند، ولی اختلاط الیاف و ماتریس باعث تشکیل محصولی می شود که دانسیته کمی داشته ودر عین حال از استحکام فشاری و کششی بالایی برخوردار می باشد. مانند مواد اپوکسی مثل نارمکو((Narmco2387 که دارای دانسیته / lb044/0، استحكام فشاری / lb23000 و استحكام کششی / lb4200 است.
1-1-1-رشته ها:هر چه قطررشته کوچکتر باشد ، رشته مستحکم تر ازماده زمینه خواهد بود.موادی که بعنوان رشته های تقویت کننده بکارمیرود استحکام کششی بالایی دارند.براساس قطر و مشخصه رشته ها به 3 دسته تقسیم می شوند:ویسکرها،رشته ها وسیم ها.ویسکرها تک بلورهای بسیارنازکی هستند که نسبت طول به قطرآنهافوق العاده زیاداست.آنها مستحکم ترین موادی هستندکه شناخته شده اند. مواد ویسکری شامل گرافیت ، کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم و اکسید آلومینیم است. 1-1-2-فاز زمینه: فاززمینه کامپوزیت های رشته ای میتواند فلز ، پلیمر یا سرامیک باشد. معمولا ازفلزات یا پلیمرها به عنوان ماده زمینه استفاده میشود،زیراانعطاف پذیری مطلوبی دارند.درکامپوزیت های زمینه سرامیکی جز تقویت کننده برای بهبود چقرمگی شکست استفاده می شود . در انتخاب ترکیب زمینه – رشته ، مهمترین عامل استحکام پیوند است .
1-2- انواع کامپوزیت ها:
کامپوزیت ها را مي توان بر اساس شكل تقويت كننده،نوع تقويت كننده وفاز زمينه دسته بندي كرد.دسته بندي بر اساس شكل تقويت كننده شامل سه دسته است: 1)کامپوزیت با الياف تصادفی. 2) کامپوزیت لايه ای. 3) کامپوزیت ذره ای.وبر اساس فاز زمينه به سه دسته عمده تقسيم ميشود:1)زمينه پليمري،2)زمينه فلزي،3)زمينه سراميكي،
درابتدا درمورد شكل الياف توضيح داده ميشود:
1-2-1- کامپوزیت با الياف تصادفی:
از لحاظ تکنولوژیکی ، مهمترین کامپوزیتها آنهايي هستندکه فازپراکنده شده در آنهابه شکل رشته است.کامپوزیتهای رشته ایی تقویت شده استحکام ویا سفتی بالائی دارند. خواص مکانیکی این کامپوزیت ها به خواص رشته و میزان نیروی منتقل شده به رشته از سوی فاز زمینه بستگی دارد .بنابراین طول بحراني رشته در استحكام كامپوزيت نقش دارد.این مواد دارای استحکام و سختی بالاتری نسبت به سایراشکال کامپوزیت ها هستند، که ازکاهش نقایص کریستالی و جهت یافتگی کریستال ها در جهت طول آنها ناشی میشود. این حالت ساده ترین شکل مواد کامپوزیت است که در آن تعیین دقیق خواص ممکن نمی باشد.
1-2-2- کامپوزیت لايه ای:
در این مواد که حداقل شامل دو ماده مختلف می باشند، لایه ها طوری روی هم قرار داده می شوند که استحکام لازم را درجهت مورد نظرایجاد کنند. مانند مواد ساخته شده از دو لایه فلز با ضریب انبساط حرارتی مختلف، فلزات روکش دار، لایه های شیشه- پلاستیک که در آنها شیشه سختی لازم را برای پلاستیک و پلاستیک انعطاف پذیری لازم را برای شیشه تأمین می کند.
1-2-2-1- انواع کامپوزیت های لایه ای:
1)تک لایه : در این کامپوزیت ها، در یک صفحه الیاف در یک جهت قرار داشته و می توان آنها را در جهت دیگر تقویت کرد. الیاف معمولاً بدلیل داشتن سختی و مدول الاستیسیته بالا در جهت اعمال بار قرار داده می شود و ماتریس باعث توزیع مناسب بار می شود.
2)چند لایه: در این کامپوزیت ها نیروهای اعمالی به یک صفحه، می توانند در جهات مختلف وارد شود و لایه ها را با زوایای مختلف برای دستیابی به سختی مناسب در کنار یکدیگر قرار می دهند.
3)صفحات مختلط(هیبرید): در این کامپوزیت ها علاوه بر داشتن لایه ها با جهات مختلف، جنس لایه ها هم متفاوت است. در اینجا استفاده از مواد مناسب، به عملکرد سازه های مختلف در مقابل
نیروهای مکانیکی و عوامل محیطی بستگی دارد.
1-2-3- کامپوزیت ذره ای:
این مواد شامل یک ماتریس و یک ماده دیگری که در آن به شکل ذرات کوچک توزیع شده اند،
می با شند. فاز پراکنده شده در کامپوزیت های تقویت شده با ذرات هم محور و همسواست ، یعنی ذرات تقریبا در همه جهات همسو هستند. دو زیر دسته این نوع کامپوزیت ها عبارتند از : کامپوزیت های درشت ذره و مستحکم شده به وسیله پراکندگی ذرات .تفاوت این دو گروه به مکانیزم مستحکم شدن یا تقویت شدن بستگی دارد واژه درشت بدین جهت استفاده می شود که نشان دهد فعل و انفعال بین ذره – زمینه نمی تواند در مقیاس اتمی یا مولکولی صورت گیرد ومکانیک محیط های پیوسته استفاده می شود . در بیشتر این نوع کامپوزیت ها ، فاز پراکنده سخت تر وسفت تر از زمینه است این ذرات تقویت شده٬ جابجائی و حرکت فاز زمینه را در مجاور خود مهار ومتوقف می کنند. اساسا زمینه ، مقداری از تنش اعمال شده را به ذرات منقل می کند . میزان تقویت شدن یا بهبود رفتار مکانیکی به استحکام پیوند در
فصل مشترک زمینه – ذره بستگی دار د . کامپوزیت های ذره ای به صورت های زیر هستند:
1)غیر فلز در غیر فلز.
2)فلز در غیر فلز.
3)غیر فلز در فلز.
4)فلز در فلز.
1-2-4- کامپوزیت های زمینه پلیمری کامپوزیتهای زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری پلاستيك تقويت شده مولكول درشت به عنوان زمينه تشكيل شده است،. از ویژگیهای این دسته از کامپوزیت ها ، کاربرد متنوع و گسترده ، خواص خوب در دمای محیط ، سهولت ساخت و هزینه کم است . . این نوع کامپوزیت هابراساس بر اساس نوع تقویت شدن به شیشه ایی ، کربنی و آرامید تقسیم می شوند. کامپوزیت های پلیمری رشته پلیمری رشته شیشه ای شامل رشته های شیشه ایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه است در آینده بجای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویت کننده دركامپوزيت هاي پليمري استفاده خواهد شد،چون رشته هاي كربني بيشترين استحكام ويژه ومدول ويژه را در ميان رشته هاي تقويت كننده دارا است. در کامپوزیت های زمینه پلیمری ، غیر از سه نوع رشته تقویت کننده شیشه اي،كربني ،آراميد ،گاه از بور ،كاربيد سيليسيوم واكسيد آلومينيومدر حد محدودي استفاده ميشود.
1-2-5- کامپوزیت های زمینه فلزیدر کامپوزیت های زمینه فلزی زمینه عبارت است از یک فلز انعطاف پذیر . برتری های این نوع کامپوزیت نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری شاکل دمای عملکرد بالاتر ، شعله پذیر نبودن و مقاومت بیشتر در برابر تهاجمسیالات آلی است . البته هزینه آنها بیشتر و در نتیجه استفاده از آنها محدود تر است . از سوپر آلیاژها ، آلیاژهای آلومنییم و منیزیم ، تیتانیم و مس به عنوان مواد زمینه استفاده می شود . موادتقویت کنند ه ممکن است به شکل ذرات ، رشته های پیوسته و ناپیوسته و یا ویسکرها باشند که 10 الی 60% حجمی کامپوزیت را تشکیل می دهد رشته های پیوسته شامل کربن ، کاربید سیلیسیم ، بور ، آلومینا و فلزات دیر گداز است رشته های ناپیوسته از ذرات همین مواد تشکیل می شوند از یک جهت می توان سرمت ها را جز این ( MMC) ها قرار دارد .
خودرو سازان اخیرا در محصولات خود شروع به استفاده از کامپوزیتهای زمینه فلزی کرده اند به عنوان نمونه برخی قطعات موتور از زمینه آلیاژهای آلومینیم تقویت شده با رشته های آلومینا و کربن تولید شده که سبک وزن تر هستند و مقاومت آنها در برابر سایش و اعوجاج حرارتی بیشتر است استفاده از این نوع کامپوزیت ها در محورهای محرک که سرعت چرخش بالاتر و میزان کمتر سرو صدای ناشی از ارتعاش را به همرا دارد صورت گرفته است . صنایع هوا فضا نیز از این نوع کامپوزیت ها بهره می برد له عنوان نمونه در قطعات تلسکوپ فضائی هابل از رشته های گرافیتی پیوسته استفاده شده است .
1-2-6-کامپوزیت های زمینه سرامیکی بدلیل مقاومت آلی در برابر اکسایش در دمای بالا ، با وجود احتمال شکست ترد ، بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنش های شدید ميباشند . به ویژه در قطعات موتور خودرو و توربین های گازی هواپیما . چرمگی شکست این کامپوزیت ها معمول است در حالی که در اغلب فلزات 15 است . چقرمگی شکست نسل جدید و توسعه یافته کامپوزیت های زمینه سرامیکی که بصورت ذزه ای، رشته ای یا ویسکری از مواد سرامیکی است بهبود یافته وبه 6 رسیده است . این بدان دلیل است که ترکی که در زمینه توسط ذرات ، رشته ها یا ویسکرها ايجاد ميشود، نه تنها اشاعه نمی یابد بلکه از اشاعه آن ممانعت به عمل مِی آید،به این امرکمک می کند.
کامپوزیت های زمینه سرامیکی را با روش های پرسکاری گرم ، پرسکاری ایزوستاتیک گرم وزینتر کردن فاز مذاب تولید می کنند، آلومینا های تقویت شده با ویسکرهای SiC به عنوان ابزار برش در ماشین کاری آلیاژهای فلزی سخت استفاده می شود. سراميكهاي پيشرفته داراي ويژگيهاي مطلوبي مانند سختي، استحكام بالا، تحمل دماهاي بالا، خنثايي شيميايي، مقاومت در برابر فرسايش و چگالي كم هستند. ولي در برابر بارهاي كششي و ضربه ضعيف هستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطافپذيري نشان نميدهند و مستعد شكست تحت بارهاي مكانيكي و شوك حرارتي هستند. در مقايسهاي بين سراميكها و ديگر مواد ، بايد گفت كه سراميكها تنها گروهي از مواد هستند كه در دماهاي بالا قابل استفادهاند و داراي سختي، استحكام و مدول الاستيك بالاتري از فلزات و پليمرها ميباشند. همچنين چگالي، ضريب انبساط حرارتي و هدايت الكتريكي و حرارتي كمي دارند. به ويژه چگالي و انبساط حرارتي كم سراميكها اهميت زيادي در اغلب كاربردها دارد. كه اگر چه نسبت مدول الاستيسيتة تقويت‌كننده و زمينه در كامپوزيتهاي زمينه فلزي و پلميري عموماً
بين 10 و 100 است ولي براي كامپوزيت زمينه سراميكي، اين نسبت معمولاً برابر يك يا كمتر از آن است. نسبت مدول بالا در كامپوزيتهاي زمينه فلزي و پليمري، سبب انتقال موثر بار از زمينه به تقويتكننده ميشود. در حالي كه در يك كامپوزيت سراميكي، زمينه و تقويتكننده در توانايي تحمل بار اختلاف زيادي ندارد؛ به اين معنا كه هدف از ساخت كامپوزيت سراميكي، افزايش استحكام نيست. مگر آنهايي كه زمينة آنها مدول الاستيسيتة كمي دارند. ازحوزههاي مهم در تهيه كامپوزيتهاي زمينه سراميكي انواع گوناگون شيشه، شيشه‌سراميكها و سراميكهايي همچون كربن، كاربيدسيليسيوم، نيتريدسيليسيوم، آلوميناتها و اكسيدها. تقويتكنندهاي مورد استفاده عبارتند از كاربيدها، بوريدها، نيتريدها و كربن.
كامپوزيتهاي زمينه سراميكي تنها كامپوزيتهايي هستند كه بالاي 900 درجة سانتيگراد استحكام خود را حفظ ميكنند. عمدهترين كامپوزيتهاي زمينه سراميكي عبارتند از: كامپوزيتهاي كربن/كربن، كامپوزيتهاي آلومينا/SiCو كامپوزيتهايي با زمينهSi3N4 يا SiC تقويت شده با الياف پيوسته SiC و كربن. معمولاً كاربرد كامپوزيتهاي سراميكي به دو دستة هوافضايي و غيرهوافضايي تقسيم ميشوند. در كاربردهاي هوافضايي مسالة اصلي، عملكرد كامپوزيت است. در حالي كه در كاربردهاي غير هوافضايي عامل قيمت بسيار مهم است.
كامپوزيتهاي سراميكي با الياف پيوسته، عموماً داراي خواص مكانيكي ويژة بالايي هستند و ميتوانند در كاربردهاي هوافضايي دماي بالا به كار گرفته شوند. كامپوزيتهاي كربن/كربن با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتي در شاتلهاي فضايي استفاده شده است و كامپوزيتهاي كاربيد سيليسيم/كربن مواد مناسبي براي هواپيماها هستند.
از كاربردهاي غير هوافضايي كامپوزيتهاي سراميكي ميتوان به اجزاي موتورهاي دما بالا، مته و ابزار تراش، اجزاي مقاوم در برابر سايش، لوله اگزوز، نازل، لولههاي مبدل گرما و غيره اشاره كرد.
1-3- خواص مکانیکی کامپوزیت ها:
در حالت کلی کامپوزیت ها غیر همگن و آنیزوتروپ هستند. برای مطالعه وبحث بیشتر درباره خواص مکانیکی کامپوزیت ها باید به دو جنبه اصلی آنها یعنی خواص مکانیکی ذرات و خواص مکانیکی خود جسم پرداخته شود.
مکانیک ذرات به بررسی رفتار کامپوزیت ها در مقیاس میکروسکوپی می پردازد و خواص مکانیکی مواد تشکیل دهنده را بررسی می کند. مکانیک جسم به بررسی رفتارکامپوزیت ها با فرض هموژن بودن می پردازد و تأثیر مواد تشکیل دهنده در خواص کامپوزیت ها را بررسی می کند.
طبق استاندارد ASTM براى محاسبه استحكام و مدول الاستيسيته يك جسم، ازآزمايش كشش
استفاده مى كنيم، ولى در يك جسم آنيزوتروپ به علت دخالت تغيير شكل هاى مختلف درهم، به
انجام آزمايش هاى پيچیده ترى نياز دارد.
1-4- شكل و چگونگي بافتن الياف:
الیاف تک را رشته می نامند. یک مجموعه از رشته ها را که معمولاً 3000 تا 4000 رشته می باشد، ریسمان می نامند. 50 تا 60 ریسمان نیز دسته نامیده می شود. حال اگر ریسمان از پیچاندن رشته ها دور هم ایجاد شود، ریسمان تابیده خواهد بود.
برای مصارف صنعتی، دسته و ریسمان تابیده را بافته که به ترتیب دسته بافته و پارچه نامیده می شود. دسته به علت جذب زیاد چسب استحکام کمتری دارد ولی پارچه اجازه می دهد که رطوبت
توسط اعمال فشار از رزین خارج شود و یک لایه با استحکام بالا ایجاد گردد.
همچنین الیاف به صورت کوتاه و بریده شده که در جهات مختلف نسبت به هم قرار گرفته اند،هم مورد استفاده قرارمی گیرند. این نوع الیاف معمولاً از ریختن خرده های ا لیاف شیشه با طول تقریبی
mm 25تا mm50 بصورت تصادفى روى يك سطح بدست مى آيند.
نوع ديگر الياف نوارها يا تسمه ها مى باشند كه در صنايع هوا- فضا بكارمي روند. معمولاً الياف بر را
به علت سختى زياد نمي بافند، بلكه بصورت نوار در مى آورند.
1-4-1- الیاف تجاری:
انواع الیاف تجاری عبارتند از:
شیشه : نوع اصلی این الیاف E-glass و نوع دیگر آن S-glass است که استحکام و مدول و قیمت بالاتری نسبت به نوع E-glass دارد. استحکام کششی مناسب الیاف شیشه باعث شده تا این الیاف در بسیاری از مصارف بکار رود.
کربن وگرافیت : الیاف کربنی ارزان از تجزیه حرارتی بسیاری از مواد آلی بدست می آیند وبرای مصارف عمومی بکار می روند. نوع دیگر الیاف کربنی، الیاف گرافیتی است.
بر: این الیاف با روش تبخیر بدست می آیند. در این روش یک سیم نازک تنگستن توسط جريان الكتريكى گرم شده و بواسطه وجود هيدروژن در هوا و با كنترل دقيق دما،بر روى تنگستن مى نشيند. به علت نياز به مقاومت بالا در درجه حرارت هاى بالا، از W خالص استفاده می شود.
از آنجا که انهدام الیاف بعد از مقاومت زمينه و رسیدن به استحکام برشی به خمش الیاف بستگی دارد، الیاف بر به علت داشتن قطر بالا که حدود μm125 است دارای مقاومت خمشی خوبی است.
الیاف آرامید: این الیاف از جدیدترین الیاف صنعتی و تجاری است و تنها محصول این الیاف کولار می باشد.
1-5- مزایای کامپوزیت ها [2]:
1) استحکام ویژه بالا: استحکام ویژه عبارتست از نسبت استحکام به وزن. کامپوزیت ها استحکام ویژه بالاتری نسبت به بسیاری از مواد دیگر دارند.
2) توانایی شکل گیری: کامپوزیت ها می توانند ساده تر از مواد دیگر به شکل های دقیق تر و پیچیده ترساخته شوند.
3) با دوام بودن ذاتی: مثال های بسیاری از قطعات وجود دارد که پس از گذشت سال ها هنوز در حال سرویس دهی هستند و فقط %2 تا % 3 از استحکام اولیه کاسته شده است.
4)سرمایه گذاری کم : اگرچه در فرآیندهایی نظیر قالبگیری به روش تزریق ترموپلاستیک نیاز به سرمایه گذاری زیادی در تجهیزات در حدود چند میلیون دلار است، اما هزینه کلی وارد شدن به تجارت کامپوزیت ها بسیار کمتر از مبادرت ورزیدن به ساخت بسیاری از مواد دیگر است.

فایل : 50 صفحه

فرمت : Word