الیاف در کامپوزیت
همان طور که در بخش قبل بیان شد، وظیفه بخش تقویت کننده در کامپوزیت‌ها، شکل دهی ساختار داخلی مواد و افزایش سفتی، مقاومت و چقرمگی ماده نهایی است. معمولا تحمل بخش اعظم بار وارده به جسم بر عهده بخش سازه‌ای کامپوزیت‌ها می‌باشد. این بخش می‌تواند دارای اندازه، جنس و اشکال مختلفی باشد.
در بسیاری از موارد خواص مکانیکی کامپوزیت نهایی بستگی شدید به شکل تقویت کننده دارد. حتی اگر نوع جنس و اجزای دو کامپوزیت کاملا یکسان باشند، بسته به شکل هندسی بخش تقویت کننده، ممکن است خواص مکانیکی مختلفی از خود بروز دهند. بنابراین شناخت انواع الیاف تقویت کننده و آشنایی با ویژگی‌ها و کابردهای هر یک اهمیت بالایی در پیش بینی خواص نهایی کامپوزیت خواهد داشت و طراحان با آگاهی از این اطلاعات می‌توانند تصمیم گیری صحیحی در انتخاب الیاف تقویت کننده برای قطعات مورد نظر خود داشته باشند. تقویت کننده‌ها را می‌توان به لحاظ هندسی طبقه بندی کرد. به این ترتیب، تقویت کننده‌ها به دو دسته عمده تقویت کننده‌های ذره‌ای و الیافی تقسیم می‌شوند.
تقویت کننده‌های ذره‌ای
تقویت کننده‌های ذره‌ای معمولا تاثیری در راستای افزایش مقاومت کامپوزیت ندارند و حتی در برخی موارد به ایجاد تمرکز تنش و در نتیجه کاهش میزان مقاومت منجر خواهند شد. این در شرایطی است که ذرات تقویت کننده در اثر محدود کردن تغییر شکل زمینه، باعث افزایش سفتی کامپوزیت می‌شوند.
نانولوله کربنی در نانوکامپوزیت ها
تقویت کننده‌های الیافی
به کارگیری الیاف به عنوان تقویت کننده، می‌تواند همزمان مقاومت و سفتی کامپوزیت را افزایش دهد. تقویت کننده‌های الیافی، عمدتا از تقویت کننده‌های ذره‌ای گران‌ترند. استفاده از الیاف به عنوان بخش تقویت کننده مزایای فراوانی را به همراه خواهد داشت. یکی از مهم‌ترین این مزایا، قطر کم الیاف است. هر چه اندازه قطعه کوچک‌تر باشد، احتمال وجود نقص‌ها و ناخالصی‌ها در ماده کمتر است. به همین خاطر مقاومت ماده افزایش می‌یابد. علاوه بر این نازک بودن الیاف، انعطاف پذیری آنها را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد. انعطاف پذیری بالای الیاف، ساخت قطعات دارای منحنی‌های پیچیده را ممکن می‌سازد. از دیگر مزایای تقویت کننده‌های الیافی، می‌توان به طول زیاد آنها نسبت به قطر اشاره کرد. طول زیاد الیاف باعث می‌شود تا بارگذاری اعمال شده به قطعه، که از طریق زمینه به الیاف منتقل می‌شود، بیشتر در راستای طول الیاف توزیع شود. به عبارت دیگر، بارگذاری بیشتر به صورت نیروهای کششی در طول الیاف عمل می‌کند و با توجه به مقاومت بالای الیاف در راستای طولی، این امر به بهبود مقاومت ماده منجر خواهد شد.
نمونه استفاده از الیاف
تقسیم بندی الیاف
الباف به کار رفته در ساخت کامپوزیت‌ها را می‌توان به دو دسته عمده زیر تقسیم نمود:
– الیاف پیوسته
– الیاف ناپیوسته
انواع چیدمان الیاف در کامپوزیت
الیاف ناپیوسته در اغلب موارد به صورت تصادفی و در جهت‌های مختلف در بافت قطعه پخش شده‌اند. به این ترتیب، این دسته از کامپوزیت‌ها را می‌توان به نوعی دارای خاصیت همسان گردی دانست. لیکن الیاف پیوسته، عمدتا در جهت‌های مشخصی از قطعه قرار می‌گیرند که به افزایش مقاومت کامپوزیت در این راستاها و در نتیجه ایجاد خاصیت ناهمسان گردی در ماده منجر می‌شوند. این خاصیت یکی از شاخص‌ترین مزایای استفاده از کامپوزیت‌ها است.
با استفاده از این ویژگی کامپوزیت‌ها، می‌توان آنها را به گونه‌ای طراحی کرد که قطعه در صورت نیاز در جهت‌های خاصی مقاومت بیشتری از خود نشان دهد. به عبارت دیگر، خاصیت ناهمسان گردی این امکان را در اختیار طراح کامپوزیت قرار می‌دهد که قطعه را در جهت‌هایی که بارگذاری روی آن صورت می‌گیرد مقاوم سازی کند. به این ترتیب از اتلاف مواد اولیه جلوگیری می‌شود و امکان بهینه سازی وزن قطعه فراهم خواهد شد. قطعات ساخته شده از الیاف پیوسته معمولا نسبت به قطعات ساخته شده از الیاف ناپیوسته مقاومت کششی از خود نشان می‌دهند، اما استفاده از الیاف ناپیوسته در ساخت بسیاری از قطعات کوچک و پیچیده در تیراژ بالا ساده‌تر و مقرون به صرفه‌تر از الیاف پیوسته است.
الیاف کوتاه ، الیاف خرد شده و الیاف ریز شده همگی از دسته الیاف‌های ناپیوسته هستند و ریسمان‌ها در دسته الیاف پیوسته قرار می‌گیرند. الیاف به کار رفته در بافت منسوجات تک جهته و پارچه‌ها نیز از نوع پیوسته محسوب می‌شوند. بنابراین تقویت کننده‌هایی از این دست نیز اغلب از ویژگی‌های الیاف پیوسته برخوردارند.
در بسیاری از کامپوزیت‌ها از الیاف به عنوان بخش تقویت کننده استفاده می‌کنند به این دسته از کامپوزیت‌ها، پلاستیک‌های تقویت شده با الیاف و یا به اختصار FRP نیز اطلاق می‌شود. درصد قابل توجهی از FRPها را کامپوزیت‌هایی تشکیل می‌دهند که بخش تقویت کننده آنها از جنس الیاف شیشه و بخش زمینه‌ای آن از جنس رزین پلی استر است. این دسته از FRPها را اصطلاحا پلی استرهای تقویت شده با شیشه و یا به اختصار GFP می‌نامند. اگرچه اصطلاح FRP کاربرد عمومی دارد و انواع کامپوزیت‌های حاوی تقویت کننده‌های الیافی را شامل می‌شود.
روش تولید الیاف
مهم‌ترین روش تولید الیاف، اکسترود ماده اولیه به صورت مایع از میان منافذ موجود در یک ظرف بزرگ است که ظاهری مشابه آبکش دارد. این ظرف در اصطلاح اسپینرت نامیده می‌شود. مایع پس از عبور از سوراخ‌ها و ورود به محیط جدید، در اثر واکنش‌های شیمایی یا تغییرات فیزیکی متعدد منعقد شده و به رشته‌های جامد تبدیل می‌شود. در طبیعت نیز، کرم ابریشم و عنکبوت‌ها نیز همین کار را انجام می‌دهند. برای اجرای روند فوق از شیوه‌های متعددی استفاده می‌شود. معمولا ماده اولیه را تا دمای بالاتر از دمای ذوب حرارت می‌دهند و ماده مذاب حاصل را از میان سوراخ‌های موجود در یک صفحه مسطح عبور می‌دهند. مایع داغ پس از خروج از سوراخ‌ها در مجاورت یک جریان خنک کننده نظیر فن هوا یا اسپری آب، سرد می‌شود و دوباره به حالت جامد در می‌آید.
شماتیک روش اکستروژن
امروزه طیف گسترده‌ای از مواد، به عنوان ماده اولیه تشکیل دهنده الیاف تقویت کننده مورد استفاده قرار می‌گیرند. در بخش‌های بعدی به معرفی متداول‌ترین و شناخته شده‌ترین الیاف تقویت کننده مورد استفاده در کامپوزیت‌ها مثل شیشه،کربن، آرامید،پلی اتیلن و الیاف طبیعی می‌پردازیم.
