کامپوزیت های کربن- کربن چند جهته

[P O U R I A]

مسائل پیچیده طراحی به وسیله کامپوزیت های چند جهته به خاطر خواص غیر همسانگرد آن ها در جهت های مختلف قابل حل هستند. مهم ترین برتری کامپوزیت های چند جهته، آزادی عمل در جهت دادن و چیدمان الیاف و بهینه کردن طراحی کامپوزیت نسبت به شرایط کاری و نیروهای اعمالی به آنهاست. معایب آن هم قیمت زیاد فرایند چیدمان الیاف، محدویت اندازه کامپوزیت به علت محدودیت تجهیزات ساخت و عدم توانایی کامل در اشباع کردن ماتریس با کربن به علت به وجود آمدن حفره های بسته است.

​

ساده ترین شکل الیاف چند جهته، نوع سه جهته (D-3) متعامد (Orthogonal) است. در این نوع چیدمان الیاف (سه جهته متعامد) چون هر سه راستا بر هم عمود هستند در هر سه جهت کارتزین بیشترین خواص الیاف حفظ می شود. خواص کامپوزیت های چند جهته تابعی از تعداد الیاف در یک دسته، جهت، فاصله بین دسته های الیاف مجاور و نسبت حجمی الیاف در هر جهت به حجم کامپوزیت می باشد.


نام گذاری کامپوزیت های چند جهته:
کامپوزیت های چند جهته را به صورت n-D نامگذاری می کنند که D اختصار کلمه جهت (Direction) و n نماینده تعداد جهت های الیاف پیش شکل نسبت به جهت یک الیاف مبنا می باشد.
لذا نماد D- 4 در کامپوزیت های چند جهته به معنای وجود چهار راستای مختلف الیاف در کامپزیت می باشد و به هیچ وجه به منزله چهار بعدی بودن آن نیست. با این تعریف امکان وجود کامپوزیت های D- 11 نیز وجود دارد.


نحوه چیدن الیاف در کامپوزیت های چند جهته:

1- بافندگی سه بعدی سازه های الیاف:
برای ساختار بندی الیاف به روش بافندگی و در سه جهت از دو روش بافندگی چهار مرحله ای یا دو مرحله ای استفاده می شود. در بافندگی چهار مرحله ای چهار تغییر مکان در هر سیکل مکانیکی به وجود می آید، اما در بافندگی دو مرحله ای از دو تغییر مکان در هر سیکل استفاده می شود.
در بافندگی دو مرحله ای الیاف به دو فرم تقسیم می شوند. الیاف محوری که در پیش شکل صاف باقی می مانند و الیاف برید که از بین الیاف محوری رد می شوند. نسبت الیاف برید به محوری همواره کوچکتر از یک است.
بافندگی چهار مرحله ای امکان ساخت شکل های مختلف بافندگی را ایجاد می کند. در این نوع بافندگی هیچ نوع الیاف محوری نداریم.
در مقایسه این دو روش می توان گفت:
هر دو روش توانایی ایجاد سازه های سه جهتی را دارند مقدار استحکام و مدول الا ستیسیته در اثر اعمال نیروی کششی در بافندگی دو مرحله ای به خاطر داشتن الیاف محوری بیشتر است.


2- برید:
تنها راه شکل دادن ساختارهای الیاف به صورت متعامد (دو به دو عمود بر هم) روش برید است.
برید در مختصات کارتزین دارای سه مرحله اساسی زیر است.

- مونتاژ کردن چفت و بست ها متناسب با جهت های طراحی شده برای الیاف
- چیدمان سازه ها در صفحه x-y
- بندکشی لایه ها در جهت z
- در مونتاژ بست ها از میله های فلزی نازک برای شبیه سازی رشته ها در جهتz استفاده می شود. تا بتوان در بین آنها الیاف جهت x,y را نصب کرد.​

در روش برید ابتدا در راستای x و سپس در راستای محور y الیاف کربن را روی هم می چینند و برای گذاشتن لایه ها در جهت z ابتدا میله های فلزی را از بست جدا کرده و آنها را از قالب خارج می کنیم و الیاف را سر جای آنها می گذاریم.
به طور مشابه از برید در شکل دهی ساختارهای الیافی در مختصات استوانه ای هم می توان استفاده کرد.
جهت این الیاف شعاعی، محیطی و طولی است.

 

[P O U R I A]

ساخت کامپوزیت های چند جهته":
فرایند ساخت کامپوزیت های چند جهته در اصل فرایند، پر کردن خلل و فرج درون ساختاری پیش شکل ها با کربن است. این خلل و فرج به دو گروه تقسیم می شوند:
1- فضای خالی بین الیافی که درون یک دسته چیده شده اند.
2- فضای خالی بین دسته ها که در جهت های مختلف هستند.

هر چند قطر خود الیاف بین 5 الی 10 هزارم میلی متر است گاهی در عمل فاصله بین الیاف به 10 هزارم میلی متر نیز میرسد.
اندازه حفره ها بین دسته های الیاف در جهت های مختلف به نوع چیدن دسته ها و اندازه آن ها بستگی دارد. گاهی قطر این حفره ها به چندین میلی متر هم می رسد.
بعضی ساختارهای چهار جهته حفره محلی ندارد و این موضوع باعث محبوبیت آنها شده است.
هدف اصلی ساخت کامپوزیت های کربن- کربن چند جهته به وجود آوردن کامپوزیت های چگال تر و بهینه تر است. بنابراین پیشنهاد می شود برای ساخت ماتریس از مواد پایه قیر استفاده شود.


مقایسه کامپوزیت های دو و سه جهته کربن- کربن در برابر مقاومت به شکست:
کامپوزیت های کربن – کربن از نظر چقرمگی شکست یک رتبه بالاتر از سرامیک های یکپارچه(monolithic ceramics) قرار می گیرند.
در برابر خصوصیات بالای کامپوزیت های کربن- کربن، آنها دارای ضعف هایی نیز هستند. ازجمله خواص مکانیکی ضعیف در ماتریس و مقاومت برشی کم بین لایه ای که برای جبران این ضعف ها کامپوزیت های سه جهته کربن- کربن به وجود آمدند. هر چند که تا به حال به علت گزاف بودن قیمت این کامپوزیت ها خواص مکانیکی آن ها به اندازه کافی آزمایش نشده است.
در مقایسه با کامپوزیت های کربن- کربن دو جهته، کامپوزیت های سه جهته رفتار تنش- کرنشی ناشی از تنش کششی مشابه ای را از خود نشان می دهند. اما استحکام برشی کمتر، کرنش نهایی برشی بیشتر و مقاومت خیلی زیاد تری در برابر شکست نسبت به کامپوزیت های دو جهته دارند.
مشخص است که تفاوت مقاومت در برابر تنش برشی ناشی از پیوند ضعیف بین الیاف و ماتریس و پیوند ضعیف تر بین دسته های الیاف می باشد که این پیوندهای ضعیف در کامپوزیت های کربن- کربن سه جهته خود از وجود مقادیر عظیم تنش های دسته الیاف موجود در این نوع کامپوزیت ناشی می شوند که به علت نوع آرایش پیش شکل آنها به وجود می آید.
تحقیقات زیادی بر روی خواص کامپوزیتهای کربن- کربن انجام شده اما اکثر آن ها درباره نوع دو جهته این کامپوزیت ها بوده است.

 

[P O U R I A]

بهترین گزینه برای قطعاتی که باید در دماهای فوق العاده بالا کارایی مطلوب داشته باشند، استفاده ازکامپوزیت های کربن- کربن در ساخت آنها می باشد. کامپوزیت های کربن- کربن علاوه بر کارایی در دماهای بالای k ْ 2000 دارای چگالی پایین، استحکام زیاد، سختی بالا، مقاومت خوب در برابر خستگی ومقاومت به خوردگی بالا هستند. کهنه شدن و فرسایش برای آن ها معنی ندارد و سازگاری فیزیکی و شیمیایی خوبی با پلیمرها و سرامیک ها دارند. استحکام نهایی کامپوزیت کربن- کربن با افزایش دما 20-10% افزایش می یابد و نسبت استحکام به وزن آنها بیش از 5/2 برابر استحکام به وزن فولاد است.

ضریب رسانایی حرارتی کامپوزیت های کربن- کربن در جهت الیاف تا 20 برابر جهت عمود بر الیاف می رسد. از آن جایی که از این کامپوزیت ها به عنوان عایق حرارتی استفاده می شود، لازم است که در این کامپوزیتها در تمام جهت هایی که احتیاج به عایق کاری حرارتی است از الیاف استفاده شود.
کامپوزیت های کربن- کربن به علت داشتن خواص دمایی فوق العاده از قبیل ضریب انتقال حرارت بسیار پایین، ضریب انبساط حرارتی کم، مقاومت و استحکام بالا در دماهای زیاد کاربردهای فراوانی در نازل های موتورهای هوایی، ترمز های هواپیماها و ... پیدا کرده اند.

در فرایند ساخت ماتریس کامپوزیت های کربن- کربن استفاده از روش CVD باعث ایجاد سطح کاملاً یکنواخت در کامپوزیت می شود.
اما برای رسیدن به بالاترین چگالی در این کامپوزیت ها استفاده از ماتریس های پایه قیر پیشنهاد می شود. هم چنین با استفاده از فرایند چگالش در ساخت کامپوزیت های کربن- کربن و حذف خلل و فرج های به وجود آمده در طی مراحل ساخت، می توان چگالی کامپوزیت ها را تا دو برابر افزایش داد. استفاده از روش HIP در فرایند چگالش باعث کم شدن تعداد سیکل های چگالش مورد نیاز برای رسیدن به چگالی مطلوب و از بین بردن کامل تر حفره های درونی کامپوزیت می شود.

ساده ترین پیش شکل کامپوزیت های کربن- کربن سه بعدی به صورت سه جهته متعامد می باشد که تنها راه ساخت این آرایش استفاده از روش برید است. در مقایسه با کامپوزیت های کربن- کربن دو جهته، کامپوزیتهای سه جهته رفتار تنش- کرنشی نهایی برشی بیشتر و مقاومت خیلی زیادتری در برابر شکست نسبت به کامپوزیت های دو جهته دارند. کم بودن استحکام برشی کامپوزیت های کربن- کربن سه بعدی به علت ضعف در پیوند بین الیاف و ماتریس می باشد.

در حالت کلی استحکام کششی کامپوزیت های کربن- کربن سه جهته از استحکام کامپوزیت های کربن- کربن دو جهته در شرایط آرایش پیش شکل و نوع الیاف یکسان بیشتر است. هم چنین با ثابت گرفتن تعداد جهت الیاف در پیش شکل استحکام کامپوزیت های کربن- کربنی که پیش شکل آنها به روش بافتن ایجاد شده است نسبت به پیش شکل های ساخته شده به روش برید بالاتر است.
کامپوزیت های دو جهته استحکام برشی بیشتر و کرنش نهایی کمتری نسبت به کامپوزیتهای سه جهته در برابر تنش برشی از خود نشان می دهند. در هر گروه کامپوزیت های کربن- کربن بافته شده استحکام برشی از خود نشان می دهند.

استحکام پیوندهای بین ماتریس و الیاف در کامپوزیت های سه جهته بسیار کمتر از کامپوزیت های دو جهته اندازه گیری شده که دلیل آن ایجاد تنش های دسته الیاف در ساخت این نوع کامپوزیت های کربن- کربن است. وجود خاصیت کرنش نهایی برشی زیاد در کامپوزیتهای سه جهته نیز به علت کم بودن استحکام بین الیاف و ماتریس می باشد.
استحکام فشاری کامپوزیت های سه جهته تا دمای K ْ 2300 را استحکام پیوند بین الیاف و ماتریس تفسیر می کنند و کاهش استحکام از این دما به بعد را به دلیل نرم شدن مانریس در اثر درجه حرارت می دانند.
در کامپوزیت های کربن- کربن سه جهته می توان از آرایش هایی استفاده کرد که جهت بیشترین انبساط طولی کامپوزیت در راستای هیچ یک از الیاف قرار نگیرد، یا به عبارت دیگر با استفاده از الیاف در راستاهای مختلف میزان انبساط هر راستا را کنترل کرد. اما در کامپوزیتهای کربن- کربن دو جهته همواره جهت حداکثر انبساط طولی در راستای یکی از رشته ها است که این موضوع حکایت از پایداری حرارتی بالاتر کامپوزیت های سه جهته دارد.



منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه کامپوزیت