۱۶ اردیبهشت ۱۴۰۰

پیشگامان توسعه
مواد سام,مواد سام,مواد سام

کامپوزیت های زمینه پلیمری نسبت به دو گروه دیگر (زمینه فلزی و سرامیکی) توسعه بیشتری یافته اند. امروزه صنایع هواپیماسازی، خودروسازی، ساخت وسایل ورزشی و سرگرمی، الکترونیک و پزشکی کاملا به پلاستیک های تقویت شده ی رشته ای وابسته می باشند.

کامپوزیت های زمینه پلیمری

کامپوزیت های زمینه پلیمری Polymer Matrix Composite (PMC) نسبت به دو گروه دیگر کامپوزیت ها یعنی کامپوزیت های زمینه فلزی و سرامیکی توسعه بیشتری یافته اند. امروزه صنایع هواپیماسازی، خودروسازی، ساخت وسایل ورزشی و سرگرمی، الکترونیک و پزشکی کاملا به کامپوزیت های زمینه پلیمری وابسته می باشند.

دلایل توسعه و تجاری شدن سریع تر کامپوزیتهای زمینه پلیمری

دلایل توسعه بیشتر و سریع تر کامپوزیت های زمینه پلیمری نسبت به کامپوزیت های زمینه فلزی و کامپوزیت های زمینه سرامیکی را می توان در موارد زیر خلاصه کرد:

  1.  در کل خواص مکانیکی پلیمرها آن ها را برای اکثر اهداف ساختمانی نامناسب می سازند. مخصوصا استحکام و سخت پایی آن ها در مقایسه با فلزات و سرامیک ها کم می باشد. لذا با تقویت پلیمرها کاربردهای گسترده ای ایجاد می شود و حداقل در ابتدا تقویت کننده نیازی به خواص استثنایی ندارد.
  2. فرآوری و روش ساخت و تولید کامپوزیت های زمینه پلیمری نیاز به فشار و دمای بالا ندارد. در نتیجه مشکلات مربوط به تنزل کیفی تقویت کننده در خلال تولید، در آنها نسبت به کامپوزیت های زمینه سرامیکی و فلزی کمتر است. همچنین تجهیزات لازم برای کامپوزیت های زمینه پلیمری ساده تر است.

بنابراین کامپوزیت های زمینه پلیمری به سرعت توسعه یافتند و در کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه به استثنای بتن ها پلیمرهای تقویت شده با شیشه از نظر حجمی پر کاربردترین کامپوزیت ها می باشند.

دسته بندی و انواع کامپوزیت های زمینه پلیمری

کامپوزیت های زمینه پلیمری دسته بندی گوناگونی دارند. این تقسیم بندی بر اساس موارد ذیل می تواند انجام گیرد.

  • هندسه و شکل تقویت کننده
  • نوع ماتریس (ترموست یا ترموپلاستیک)
  • نوع تقویت کننده (کربن، شیشه، آرامید و غیره)
  • منشاء (طبیعی یا مصنوعی) ماتریس و تقویت کننده
  • کاربرد آنها

طبقه بندی کامپوزیت های زمینه پلیمری بر اساس شکل و هندسه تقویت کننده به صورت زیر می باشد:

ماتریس یا زمینه کامپوزیت های زمینه پلیمری

دو گروه اصلی پلیمرها (ترموست ها و ترموپلاستیک ها) به عنوان ماتریس کامپوزیت های با زمینه ی پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند. ترموست ها موادی هستند که واکنش پخت آنها در هنگام ساخت قطعه انجام می گیرد و پس از آن سخت شده و تغییر شکل مجدد آنها غیر ممکن می گردد. از طرف دیگر ترموپلاستیک ها با اعمال گرما نرم شده و می توانند به طور مکرر شکل دهی شوند. ترموپلاستیک ها معمولا به چندین نوع تقسیم می شوند: آمورف، بلور و کریستال مایع. پلیمرهای بیشماری در هر دو گروه وجود دارد. معمولا ترموست ها نسبت به ترموپلاستیک ها در برابر حلال ها و محیط های خورنده مقاوم تر هستند، اما استثناهایی نیز وجود دارد. انتخاب رزین بر اساس الزامات طراحی و همچنین ملاحظات ساخت و هزینه انجام می شود.

ماتریس های پلیمری مواد ویسکوالاستیکی هستند که معمولا خواص مکانیکی نسبتا ضعیفی دارند. استحکام و سفتی کامپوزیت های با زمینه ی پلیمری اساسا از فاز لیفی حاصل می شود. یکی از مسائل مهم در انتخاب ماتریس حداکثر دمای کارکرد است. با افزایش دما خواص پلیمرها کاهش می یابد. یکی از معیارها برای تعیین مقاومت دمایی نسبی پلیمرها، دمای انتقال شیشه ای (Tg) است. Tg دمایی است که در آن پلیمر از حالت سخت و شیشه ای به حالت نرم و لاستیکی تبدیل می شود. در دماهای بالاتر از دمای انتقال شیشه ای استحکام و سفتی پلیمرها افت قابل توجهی پیدا می کند. پلیمرهای جدید با افزایش ظرفیت حرارتی در حال توسعه هستند که قابل مقایسه با طیف وسیعی از فلزات می باشند. به عنوان مثال، کامپوزیت های پلی ایمیدهای تقویت شده با الیاف کربن در برخی قطعات موتور توربین گازی هواپیما جایگزین تیتانیوم شده اند.

نکته مهم در انتخاب ماتریس های پلیمری در کامپوزیت های زمینه پلیمری، حساسیت به رطوبت آنها است. رزین ها تمایل به جذب آب دارند و این مسئله باعث تغییرات ابعادی و کاهش مقاومت و سفتی در دماهای بالا می شود. میزان جذب رطوبت ، که معمولا به صورت درصد افزایش وزن اندازه گیری می شود، بستگی به پلیمر و رطوبت نسبی دارد. زمانی که رزین ها در محیط خشک قرار می گیرند ، رطوبت را دفع می کنند. میزان جذب و دفع به شدت بستگی به دما دارد. حساسیت رطوبتی رزین ها بسیار متفاوت است، به طوری که برخی از آنها بسیار مقاوم هستند.

رزین های ترموست به عنوان زمینه کامپوزیت های زمینه پلیمری

رزین هایی که در کامپوزیت های زمینه پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند معمولا اپوکسی ها، بیسمال ایمیدها، پلی ایمیدهای ترموست، سیانات استرها، پلی استرهای ترموست، وینیل استرها و فنولیک ها هستند که در ادامه توضیح مختصری از هر یک ارائه می شود.

  • رزین های اپوکسی بیشترین سهم استفاده را در کامپوزیت های زمینه پلیمری به خود اختصاص داده اند. اپوکسی ها که برای ساخت بدنه هواپیما و سایر کاربردهای هوافضا مورد استفاده قرار می گیرد، ده ها سال است که تجربه پرواز موفق را به خود اختصاص داده اند. کامپوزیت های زمینه پلیمری تولید شده با اپوکسی ها دارای خواص ساختاری عالی هستند. دمای معمول بدنه هواپیما در حدود ۱۲۰ درجه سانتیگراد (۲۵۰ درجه فارنهایت) است.
  • رزین های بیسمال ایمید برای آن دسته از کاربردهای هوافضایی به عنوان زمینه کامپوزیت های زمینه پلیمری به کار گرفته می شوند که نیاز به ظرفیت دمایی بالا دارند و به همین خاطر نمی توان از اپوکسی ها برای این منظور استفاده کرد. این رزین ها تا دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد (۳۹۰ درجه فارنهایت) قابل استفاده هستند.
  • از پلی ایمیدهای ترموست برای کاربردهایی با دمای زیاد در کامپوزیت های زمینه پلیمری استفاده می شود (۲۹۰-۲۵۰ درجه سانتیگراد (۵۵۰-۵۰۰ فارنهایت)).
  • رزین های سیانات استر به اندازه اپوکسی ها به رطوبت حساس نیستند و تمایل به خروج گاز بسیار کمتری دارند. دمای کارکرد این رزین ها تا ۲۰۵ درجه سانتیگراد (۴۰۰ درجه فارنهایت) می باشد.
  • پلی استرهای ترموست در کاربردهای تجاری کامپوزیت های زمینه پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند. آنها نسبتاً ارزان و مقاوم به خوردگی هستند و فرآیندپذیری آسان دارند.
  • وینیل استرها نیز در کاربردهای تجاری کامپوزیت های زمینه پلیمری بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. آنها مقاومت خوردگی بهتری نسبت به پلی استرها دارند اما گران تر هستند.
  • رزین های فنولیک از مقاومت خوبی در دمای بالا برخوردار بوده و هنگام سوختن دود و محصولات سمی کمتری نسبت به اکثر رزین ها تولید می کنند. آنها در کاربردهایی مانند فضای داخلی هواپیما و سازه های سکوی نفتی که مقاومت در برابر آتش یک مسئله اساسی و مهم برای طراحی است، به عنوان زمینه کامپوزیت های زمینه پلیمری استفاده می شوند.

پلیمرهای ترموپلاستیک به عنوان زمینه کامپوزیت های زمینه پلیمری

ترموپلاستیک ها به سه دسته اصلی تقسیم می شوند: آمورف ، بلورین و کریستال مایع. پلی کربنات ، آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) ، پلی استایرن ، پلی سولفون و پلی اتر ایمید مواد آمورف هستند. ترموپلاستیک های بلورین شامل نایلون ، پلی اتیلن ، پلی فنیلن سولفید، پلی پروپیلن، پلی استال، پلی اترسولفون و پلی اتر اترکتون (PEEK) است. ترموپلاستیک های آمورف مقاومت ضعیفی در برابر حلال دارند. پلیمرهای بلورین از این نظر بهتر هستند. ترموپلاستیک های نسبتا ارزان مانند نایلون به طور گسترده همراه با تقویت کننده های الیاف شیشه ای خرد شده نوع E در ساخت قطعات قالبگیری تزریقی استفاده می شوند.

اگرچه ترموپلاستیک ها در مقایسه با ترموست ها از مقاومت حرارتی و پایداری شیمیایی پایین تری برخوردار هستند اما در مقابل ترک خوردگی و ضربه مقاومت بیشتری دارند. با این حال، ترموپلاستیک های با کارایی بالا مانند PEEK که دارای ریزساختار نیمه بلورین هستند، وجود دارند که مقاومت بسیار خوبی در مقابل دما و حلال دارند. این پلیمر جایگزین عالی برای آلیاژهای فلزی است و مقاومت مکانیکی و پایداری ابعادی آن مشابه با آلیاژهای فلزی می باشد. نقطه ذوب آن ۳۴۳ درجه سانتیگراد (۶۴۹ درجه فارنهایت) است. این پلیمر همچنین بسیار مقاوم در برابر خوردگی است و می تواند در برابر مواد شیمیایی مهاجم مقاومت کند، علاوه بر این مقاومت بسیار خوبی در برابر سایش و فرسایش نشان می دهد. جایگزین کردن آلیاژهای فلزی با کامپوزیت های زمینه پلیمری با کارایی بالا می تواند هزینه های تولید قطعات را نیز کاهش دهد.

تقویت کننده های کامپوزیت های زمینه پلیمری

چهار نوع اصلی از تقویت کننده های مورد استفاده در کامپوزیت ها عبارتند از:

  • الیاف پیوسته (continuous fibers)
  • الیاف ناپیوسته (discontinuous fibers)
  • ویسکرها (whiskers)
  • ذرات (particles)

علاوه بر این چهار نوع، اشکال دیگری از تقویت کننده نیز در کامپوزیت های زمینه پلیمری استفاده می شوند از جمله پارچه ها (fabrics) و قیطان ها (braids). الیاف پیوسته کارآمدترین شکل تقویت کننده ها هستند و به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند ، خصوصاً در کاربردهایی با عملکرد بالا. با این حال ، به منظور سهولت ساخت و دستیابی به خواص ویژه از جمله استحکام بالا در جهت ضخامت، الیاف پیوسته با کمک صنعت نساجی به  اشکال دیگری مانند پارچه ها و قیطان تبدیل می شود. در جدول زیر خواص الیافی که غالبا در کامپوزیت های زمینه پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند ارائه شده است.

خواص الیاف مورد استفاده در کامپوزیت های زمینه پلیمری

کامپوزیت های زمینه پلیمری

خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری

یکی از مهمترین کاربردهای پلیمرها، اعم از طبیعی یا مصنوعی، استفاده از آنها در ساخت کامپوزیت های زمینه پلیمری است. کامپوزیت های زمینه پلیمری پیشرفته ترین نوع کامپوزیت ها هستند. این مواد از خواص مکانیکی و حرارتی بسیار خوبی برخوردار هستند. به طور کلی سفتی و استحکام ماده تقویت کننده بسیار بالاتر از پلیمر است و در نتیجه عنصر اصلی تحمل بار در کامپوزیت های زمینه پلیمری، تقویت کننده می باشد. از طرف دیگر، ماتریس با انتقال یکنواخت نیروی اعمال شده به تقویت کننده، به عنوان توزیع کننده بار عمل می کند. بنابراین، برای اینکه ماتریس بتواند بار اعمالی را به طور موثر انتقال دهد، باید تقویت کننده را محکم نگهداری کند و در حقیقت فصل مشترک خوبی با یکدیگر داشته باشند که نتیجه این امر، افزایش خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری خواهد بود. عملکرد کامپوزیت های زمینه پلیمری عموما توسط خواص ماتریس پلیمری، خواص تقویت کننده، نسبت تقویت کننده به ماتریس، و هندسه و جهت گیری تقویت کننده در داخل کامپوزیت های زمینه پلیمری تعیین می شود.

موفقیت کامپوزیت های رشته ای با زمینه ی پلیمری گرماسخت و یا گرما نرم که در مقیاس زیادی به جای فلزات به کار می روند، نتیجه ی بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری در مقایسه با زمینه است. خواص مکانیکی خوب کامپوزیت های زمینه پلیمری نتیجه ی بهره برداری از خواص ویژه ی رشته های شیشه ای، کربنی و آرامیدی می باشد. البته با توجه به تنوع مواد مورد استفاده برای تقویت کننده و آرایش های ممکن تقویت کننده (الیاف بریده شده ی تصادفی، تک جهتی و بافت های متعدد و غیره) روشن است که گستره ی خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری کاملا تحسین برانگیز است.

خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری نسبت به شکل تقویت کننده، کسر حجمی و هندسه آن بسیار حساس است. در جدول زیر خواص مکانیکی چند نوع کامپوزیت های زمینه پلیمری متداول ارائه شده است که ماتریس آنها پلی استر و تقویت کننده الیاف شیشه نوع  Eمی باشد. تقویت کننده می تواند به اشکال الیاف ناپیوسته، الیاف بافته شده (الیاف حصیری) و الیاف پیوسته موازی باشد. تقویت کننده ناپیوسته به اندازه تقویت کننده پیوسته کارآمد نیست. با این حال، الیاف ناپیوسته اجازه می دهد تا ماده کامپوزیت در طی فرآیند جریان پیدا کند و این مسئله ساخت قطعات پیچیده را تسهیل می نماید.

کامپوزیت های زمینه پلیمری که در آنها از الیاف ناپیوسته استفاده می شود به سه دسته تقسیم می گردند. یکی از آنها ترکیب قالب گیری توده ای  ((BMC) bulk molding compound) است و به آن ترکیب قالبگیری خمیری نیز می گویند، که در آن الیاف نسبتاً کوتاه (در حدود ۱۲–۳ میلی متر) به طور تصادفی در سه بعد جهت گیری می کنند. BMC همچنین دارای مقادیر بسیار بالایی از ذرات معدنی مانند کلسیم کربنات است که به دلایل مختلفی از جمله کاهش تغییرات ابعادی ناشی از جمع شدگی رزین ، ایجاد یک سطح صاف و کاهش هزینه اضافه می شوند. از آنجا BMC حاوی تقویت کننده های ذره ای و لیفی است ، می توان آن را نوعی کامپوزیت ترکیبی (hybrid composite) در نظر گرفت. نوع دوم کامپوزیت های زمینه پلیمری، نمد ساخته شده از الیاف خرد شده ((CSM) Chopped strand mat) است که حاوی الیاف ناپیوسته با طول حدودا ۲۵ میلی متر می باشد که به طور تصادفی در دو بعد جهت گیری می نمایند. نوع سوم ترکیب قالبگیری ورقه ای ((SMC) sheet molding compound) است ، که در آن الیاف خرد شده با طول ۵۰-۲۵ میلی متر به طور تصادفی در دو بعد جهت گیری می کنند. مشابه BMC ، SMC نیز حاوی پرکننده های معدنی ذرات مانند کلسیم کربنات و خاک رس است.

بررسی جدول زیر نشان می دهد که در درصد مساوی از الیاف، مدول SMC به طور قابل توجهی بیشتر از CSM  است. این مسئله به این دلیل است که SMC دارای تقویت کننده ذره ای نیز می باشد. البته باید توجه نمود که اگرچه ذرات مدول را بهبود می بخشند، اما استحکام آن افزایش نمی دهند. این موضوع معمولا برای کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با ذرات اتفاق می افتد.

مدول کامپوزیت BMC از CSM و SMC بیشتر است ، حتی اگر میزان الیاف آن کمتر باشد. این مسئله از مقدار زیاد مواد معدنی ناشی می شود، علاوه بر این، احتمال اینکه الیاف در جهت آزمون جهت گیری کرده و از حالت تصادفی خارج شده باشند نیز وجود دارد. در بسیاری از فرآیندها، به ویژه فرآیندهای مرتبط با جریان مواد، الیاف در یک یا چند جهت آرایش می یابند. در چنین مواقعی اگر اندازه گیری در جهت های دیگر انجام گیرد، مدول BMC بسیار پایین تر از آنچه که در جدول ارائه شده است، خواهد بود. این موضوع یکی از محدودیت های استفاده از تقویت کننده لیفی ناپیوسته است زیرا کنترل کردن جهت الیاف غالباً دشوار است.

مدول و استحکام کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با پارچه و الیاف پیوسته بسیار بالاتر از کامپوزیت های زمینه پلیمری است که دارای الیاف ناپیوسته هستند، هنگامی که آزمون به موازات جهت الیاف انجام شود. به عنوان مثال ، استحکام کششی الیاف بافته شده بیش از دو برابر CSM است. خواص ارائه شده به موازات جهت تارهای پارچه اندازه گیری شده اند (جهت تار جهت طولی پارچه است).

همانطور که در جدول زیر مشاهده می شود، مدول طولی و استحکام کششی کامپوزیت های زمینه پلیمری تک جهته نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با پارچه بسیار بیشتر است. با این حال، مدول و استحکام کامپوزیت های زمینه پلیمری تک جهته در جهت عرضی به طور قابل توجهی پایین تر از خواص طولی آن است. علاوه بر این ، استحکام عرضی به طور قابل توجهی پایین تر از SMC و CSM است. به طور کلی ، استحکام کامپوزیت های زمینه پلیمری در جهاتی که الیاف وجود نداشته باشند، ضعیف است. مدول و استحکام عرضی کم کامپوزیت های زمینه پلیمری تک جهته معمولاً با استفاده از لمینت های حاوی الیاف در چندین جهت، مرتفع می شود. استحکام کم در جهت ضخامت با استفاده از تقویت کننده های سه بعدی می تواند بهبود یابد.

تأثیر شکل و کسر حجمی الیاف در کامپوزیت های زمینه پلیمری بر خواص مکانیکی پلی استر تقویت شده با شیشه نوع E

کامپوزیت های زمینه پلیمری

خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری

پلیمرها موادی نسبتاً ضعیف هستند و سفتی کمی دارند. به منظور تولید موادی با خواص مکانیکی قابل قبول برای کاربردهای ساختاری، لازم است آنها را با الیاف پیوسته یا ناپیوسته تقویت نمود. افزودن ذرات سرامیکی یا فلزی به پلیمر منجر به افزایش مدول می شود اما معمولا استحکام افزایش قابل توجهی نمی کند و یا حتی ممکن است کاهش یابد. با این حال، بسیاری از کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با ذرات موجود هستند که در کاربردهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرند که اساسا به دلیل خواص فیزیکی آنها است. برای چنین کاربردهایی، از ذرات سرامیکی مانند آلومینا، آلومینیوم نیترید، نیترید بور و حتی الماس استفاده می شوند تا ماده ای عایق الکتریکی با هدایت حرارتی بالاتر و ضریب انبساط حرارتی (coefficient of thermal expansion) پایین تر نسبت به پلیمر تقویت نشده بدست آید. ذرات فلزی مانند نقره و آلومینیوم برای تولید موادی که هم از نظر الکتریکی و هم از نظر حرارتی رسانا هستند، استفاده می گردند. این مواد در بسیاری از کاربردها جایگزین لحیم های پایه سربی شده اند. علاوه بر این، کامپوزیت های مغناطیسی وجود دارد که با افزودن ذرات آهنی یا مغناطیسی به پلیمرهای مختلف تهیه می شوند. یک مثال رایج نوار مغناطیسی است که برای ضبط صدا و فیلم استفاده می شود.

کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف پیوسته مؤثرترین مواد ساختاری هستند. جدول زیر خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری تک جهته تقویت شده با الیاف شیشه نوع E ، آرامید، بور، کربن ساخته شده از پلی اکریلو نیتریل (PAN) با مدول استاندارد (SM) ، کربن ساخته شده از پلی اکریلو نیتریل با استحکام بسیار بالا(UHS) ، کربن ساخته شده از پلی اکریلونیتریل با مدول بسیار بالا (UHM) ، کربن ساخته شده از قیر با مدول بسیار بالا (UHM) و کربن ساخته شده از قیر با هدایت حرارتی بسیار بالا (UHK)  را در دمای اتاق نشان می دهد. ماتریس این کامپوزیت های زمینه پلیمری اپوکسی و کسر حجمی الیاف ۶۰٪ است. خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری با استفاده از سایر رزین ها ممکن است با این مقادیر متفاوت باشد و باید به صورت موردی بررسی شوند.

خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری به ویژه استحکام، به شدت به دما بستگی دارد. وابستگی دمایی خواص پلیمرها کاملا متفاوت است. این مسئله در مورد فرمولاسیون های مختلف اپوکسی نیز که دماهای انتقال شیشه ای و پخت متفاوتی دارند نیز صادق است. برخی از پلیمرها مانند پلی ایمیدها دارای خواص خوبی در دماهای بالا هستند که به آنها امکان رقابت با تیتانیوم را می دهد. به عنوان مثال در قطعات موتور توربین گازی هواپیما از ماتریس های پلی ایمید استفاده می شود که دمای کارکرد بالایی ( تا ۲۹۰ درجه سانتیگراد (۵۵۰ درجه فارنهایت) دارند. در اینجا نیز تأثیر دما بر خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری باید به صورت موردی در نظر گرفته شود.

خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری تک جهته با ماتریس اپوکسی

کامپوزیت های زمینه پلیمری

به دلیل استحکام عرضی کم لمینت های تک جهته، از آنها به ندرت در کاربردهای ساختاری استفاده می شود. به همین دلیل، مهندس طراح از لمینت هایی که جهت گیری الیاف در هر لایه متفاوت است، استفاده می کند تا خواص مورد نیاز از جمله استحکام، سفتی و غیره حاصل شود. از آنجا که هندسه لمینت بسیار گوناگون است، برای مقایسه بهتر، در نظر گرفتن لمینت های شبه ایزوتروپیک، که دارای خواص الاستیک یکسان در تمام جهات واقع در صفحه می باشد، منطقی است.

در جدول زیر خواص مکانیکی لمینت های شبه ایزوتروپیک ارائه شده است. باید توجه کرد که مدول و استحکام بسیار پایین تر از خواص طولی لمینت های تک جهته تولید شده از همان ماده است. در بیشتر کاربردها، هندسه لمینت به گونه ای است که حداکثر مدول و استحکام کششی و فشاری طولی بین مقادیر تک جهته طولی و شبه ایزوتروپیک قرار می گیرد.

خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری شبه ایزوتروپیک با ماتریس اپوکسی

کامپوزیت های زمینه پلیمری

پلیمرهای تقویت شده با الیاف علاوه بر استحکام عالی، مقاومت خستگی بسیار خوبی دارند و این ویژگی یکی از مزایای مهم آنها نسبت به فلزات است. به همین دلیل، کامپوزیت های زمینه پلیمری تا حد زیادی در کاربردهایی که در آنها مقاومت خستگی یکی از ملاحظات مهم طراحی محسوب می شود، مانند تیغه های روتور هلیکوپتر و فنرهای خودرو، جایگزین فلزات شده اند.

هنگامی که بارگذاری در جهت الیاف باشد، کامپوزیت های تقویت شده با کربن و بور در برابر تغییر شکل و شکست بسیار مقاوم هستند (به این پدیده ها به ترتیب خزش و گسیختگی خزش گفته می شود.) رفتار خزش و گسیختگی خزش آرامید چندان خوب نیست. الیاف شیشه خزش قابل توجهی از خود نشان می دهند و گسیختگی خزش یکی از ملاحظات مهم طراحی است. پلیمرها مواد ویسکوالاستیکی هستند که به طور معمول خزش قابل توجهی از خود نشان می دهند ( زمانی که حاوی الیاف نیستند). بنابراین، زمانی که کامپوزیت های زمینه پلیمری تحت بارگذاری در جهت ماتریس قرار می گیرند، خزش باید در نظر گرفته شود.

خواص فیزیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری

خواص فیزیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری از جمله چگالی، ضریب انبساط حرارتی (CTE) ، هدایت حرارتی و خواص الکترومغناطیسی برای بسیاری از کاربردها بسیار مهم است. کنترل حرارتی یکی از ملاحظات مهم در بسته های الکترونیکی است زیرا سرعت شکست نیمه هادی ها به طور نمایی با دما افزایش می یابد. از آنجا که هدایت راهی برای خروج گرما است، هدایت حرارتی یکی از خواص کلیدی مواد به شمار می آید. برای بسیاری از کاربردها مانند فضاپیما و هواپیما، وزن و به تبع آن چگالی مواد نیز عامل مهمی است.  

علاوه بر هدایت حرارتی و چگالی،CTE  نیز در بسیاری از کاربردها از اهمیت بالایی برخوردار است. به عنوان مثال ، نیمه هادی ها و زیرآیندهای سرامیکی مورد استفاده در الکترونیک، مواد شکننده ای با ضرایب انبساط در محدوده ppm/K 7-3 هستند. نیمه هادی ها و زیرآیندهای سرامیکی معمولا به قطعات پشتیبانی (نگهدارنده) مانند بسته ها، تابلوهای مدار چاپی (PCB) و هیت سینک ( خنک کننده) همراه با لحیم یا چسب وصل می شوند. اگر CTE ماده نگهدارنده تفاوت قابل توجهی با سرامیک یا نیمه هادی داشته باشد، هنگامی که قطعه در معرض تغییر دما قرار می گیرد، تنش های حرارتی به وجود می آیند. این فشارها می تواند منجر به شکست اجزاء یا اتصال بین آنها شود.

یکی از کامپوزیت های پلیمری مهم برای کنترل حرارتی، کامپوزیت های زمینه اپوکسی هستند که با الیاف کربن ساخته شده از قیر با هدایت حرارتی بسیار بالا (UHK) تقویت شده اند. این الیاف دارای هدایت حرارتی طولی ۱۱۰۰ W/m هستند. خواص فیزیکی این کامپوزیت زمینه پلیمری در جدول زیر ارائه شده است (کسر حجمی الیاف ۶۰% می باشد).

خواص فیزیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری تک جهته اپوکسی تقویت شده با الیاف کربن UHK

کامپوزیت های زمینه پلیمری

در  جدول زیر خواص فیزیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری بر پایه اپوکسی ارائه شده است. کسر حجمی الیاف ۶۰٪ است. چگالی تمام کامپوزیت های زمینه پلیمری به طور قابل توجهی کمتر از آلومینیوم و بعضی نیز کمتر از منیزیم هستند. این مسئله از چگالی کم الیاف و ماتریس ناشی می شود. با توجه به چگالی کم پلیمرها و سبک بودن آنها، کامپوزیت های زمینه پلیمری نسبت به اکثر کامپوزیت های زمینه فلزی و سرامیکی، برتری دارند.

با توجه به جدول زیر مشاهده می شود که تمام کامپوزیت ها دارای CTE های طولی نسبتا کم هستند که علت آن، CTE طولی کم الیاف، سفتی بالای الیاف و سفتی پایین ماتریس است. CTE طولی کامپوزیت های تقویت شده با الیاف آرامید و برخی از کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف کربن منفی هستند. این بدان معناست که برخلاف رفتار عمومی اکثر مواد تقویت نشده، کامپوزیت های زمینه پلیمری هنگام گرم شدن منقبض می شوند. CTE های عرضی کامپوزیت ها مثبت و بسیار بزرگتر از مقدار CTE های طولی مربوطه هستند. این مسئله نتیجه CTE بالای ماتریس و تأثیر پواسون ناشی از محدودیت ماتریس در جهت طولی و عدم محدودیت در جهت عرضی است. CTE عرضی کامپوزیت های آرامید به طور قابل توجهی بالا می باشد زیرا الیاف دارای CTE شعاعی مثبت نسبتاً بالایی دارند.

هدایت حرارتی طولی کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با شیشه، آرامید، بور و برخی از الیاف کربن نسبتاً کم است. در واقع، کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده های با شیشه و آرامید اغلب به عنوان عایق های حرارتی استفاده می شوند. همانطور که در جدول زیر مشاهده می شود، بیشتر کامپوزیت های زمینه پلیمری در جهت عرضی مقاومت حرارتی نسبتا بالایی دارند که نتیجه هدایت حرارتی کم ماتریس و الیاف در جهت شعاعی است. هدایت حرارتی در جهت ضخامت لمینت ها مشابه با هدایت حرارتی عرضی کامپوزیت های تک جهته است.

خواص فیزیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری تک جهته با ماتریس اپوکسی

در جدول زیر ، هدایت حرارتی و CTE لمینت های شبه ایزوتروپیک ساخته شده از همان ماده مانند جدول قبل ارائه شده است. در اینجا نیز نسبت حجمی الیاف ۶۰٪ فرض شده است. مشاهده می شود که CTE های کامپوزیت های زمینه پلیمری شبه ایزوتروپیک بالاتر از مقادیر طولی کامپوزیت های تک جهته هستند. با این حال، CTE های کامپوزیت های زمینه پلیمری شبه ایزوتروپیک تقویت شده با الیاف آرامید و کربن بسیار کم است. با انتخاب مناسب الیاف، ماتریس و کسر حجمی الیاف می توان مواد شبه ایزوتروپیک با CTE نزدیک به صفر بدست آورد. نکته قابل توجه آن است که CTE در جهت ضخامت برای این لمینت ها معمولاً مثبت و نسبتاً بزرگ است. با این حال، این مسئله برای بسیاری از کاربردها اهمیت چندانی ندارد.

با توجه به هدایت حرارتی ، مشخص می شود که لمینت های شبه ایزوتروپیک تقویت شده با الیاف کربن ساخته شده از قیر UHM دارای هدایت حرارتی درون صفحه ای مشابه با آلیاژهای آلومینیوم هستند، در حالی که الیاف کربن ساخته شده از قیر UHK لمینت هایی با هدایت حرارتی بیش از ۵۰ درصد بالاتر را فراهم می کند. چگالی هر دو ماده ۳۵٪ کمتر از آلومینیوم است.

همانطور که قبلا ذکر شد، هدایت حرارتی در جهت ضخامت لمینت ها مشابه با هدایت حرارتی عرضی کامپوزیت های زمینه پلیمری تک جهته که نسبتاً کم هستند، می باشد. اما اگر ضخامت لمینت کوچک باشد، این موضوع محدودیت قابل توجهی نخواهد بود.

خواص فیزیکی کامپوزیت های زمینه پلیمری شبه ایزوتروپیک با ماتریس اپوکسی

ضعف های کامپوزیت های زمینه پلیمری

نقطه ی ضعف عمده ی کامپوزیت های زمینه پلیمری عبارتند از:

  • دمای نهایی کار پایین این نوع از کامپوزیت ها
  • ضریب انبساط حرارتی بالا
  • عدم ثبات ابعادی
  • حساسیت به تشعشع و رطوبت

جذب آب از محیط باعث تاثیرات زیان باری از جمله بادکردگی، ایجاد فشارهای درونی و پایین آمدن درجه حرارت شیشه ای شدن می شود. البته استثناهایی هم وجود دارد. به عنوان مثال پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربن ممکن است طوری طراحی شوند که ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین داشته باشند و اپوکسی ها در برابر تشعشع مقاوم باشند.

تمام کاربردهای کامپوزیت های زمینه پلیمری در صنایع مختلف

کامپوزیت های زمینه پلیمری در صنایع مختلفی کاربرد دارند که در این قسمت به برخی از مهم ترین کاربردها در صنایع پرداخته شده است که عبارتند از :

  • کاربرد در صنایع هوافضا
  • کاربرد در صنایع خودروسازی
  • کاربرد در صنایع دریایی
  • کاربرد در صنایع نظامی
  • کاربرد در لوازم تفریحی و ورزشی

کاربردهای اولیه نظامی کامپوزیت های با زمینه پلیمری در طول جنگ جهانی دوم منجر به بهره برداری تجاری در مقیاس وسیع از این مواد مخصوصا در صنعت زیر دریایی در اواخر سالهای ۱۹۴۰ و اوایل ۱۹۵۰ گردید. امروزه کامپوزیت های زمینه پلیمری در صنایع مختلفی از جمله صنعت هوایی ، دریایی ، خودرو ، نظامی ، پزشکی ، ساختمان سازی ، الکتریکی ، تجهیزات ورزشی و غیره کاربرد دارند که در ادامه به مهم ترین آنها پرداخته می شود .

در جدول زیر تعدادی از کاربردهای کامپوزیت های زمینه پلیمری آمده است .

برخی از کاربردهای کامپوزیت های زمینه پلیمری

صنعت مورد استفاده کاربرد
هوافضا بالها، بدنه ی هواپیما ، برج های رادار ، آنتن ها، دم هواپیما ، تیغه های هلی کوپتر ، چرخ های نورد ، صندلی ها ، مخزن های سوخت ، محفظه ی موتور راکت ، تیوپ های سکوی پرتاپ
خودروسازی پانل های بدنه ، کابین ، بادگیرها ، کنسول ها ، پانل های تجهیزات ، محفظه ی لامپ ها ، ضربه گیرها ، محورهای محرک ، چرخ دنده ها ، یاتاق ها
کشتی بدنه ها، عرشه ها، دکل ها، محفظه ی موتور، پانل های داخلی
شیمیایی لوله ها، تانک ها، مخازن تحت فشار، حوضچه های لجن گیر، شیرها، پمپ ها، پروانه ها
خانگی پانل های داخلی و خارجی، صندلی ها، میزها، اجزای دوش ها، نردبان ها
الکتریکی پانل ها، محفظه ها، کلید آلات، عایق ها، اتصال دهنده ها
رفاهی تنیس های دیواری، کلاه های محافظ، اسکی ها، کمان تیر و کمان ها، تخته های موج سواری، وب های ماهی گیری، بیلیاردها، تخته های شیرجه، تجهیزات زمین های بازی

کاربرد کامپوزیت های زمینه پلیمری در صنایع هوافضا

ظهور تقویت کننده های محکم و سفت مانند الیاف کربن و هم چنین پیشرفت های چشمگیر در رابطه با پلیمرهای با کارایی بالا به عنوان ماتریس به رفع چالش های موجود در طراحی پیچیده هواپیماهای مدرن کمک کرده است. خواصی که توسط کامپوزیت های زمینه پلیمری به ویژه کامپوزیت های تقویت شده با الیاف کربن یا آرامید، تامین می شود عبارتند از :

  • وزن کم به دلیل سفتی و استحکام ویژه بالا .
  • مقاومت در برابر خستگی و خوردگی .
  • قابلیت بهینه سازی: امکان طراحی و متناسب سازی مقاومت و سفتی جهت دار؛
  • قابلیت قالبگیری اشکال پیچیده و بزرگ در زمان چرخه کم که زمان مونتاژ قطعات را کاهش می دهد. مناسب برای قطعات با انحنای زیاد یا دیواره های نازک ؛
  • قابلیت حفظ پایداری ابعادی در محیط فضایی .
  • قابلیت دستیابی به سطح مقطع راداری کم .

سفتی بسیار بالا ، ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر و چگالی کم پلیمرهای تقویت شده با الیاف کربن باعث شده است که کامپوزیت های زمینه پلیمری مواد مناسبی برای سازه های هوافضایی باشند . به عنوان مثال، بوئینگ ۷۸۷ که یک هواپیمای فوق پیشرفته در صنعت هوافضا تلقی می شود ، کامپوزیت های زمینه پلیمری ساخته شده است که وزن آن حدود ۵۰٪ وزن هواپیما می باشد . لمینت های ساندویچی متشکل از اپوکسی تقویت شده با الیاف کربن در طراحی این هواپیما استفاده شده است. این ساختار از دو لایه بیرونی نازک تشکیل شده است که با یک هسته لانه زنبوری به یکدیگر متصل شده اند. این ساختار سفتی بالا، مقاومت خوردگی خوب، مقاومت ضربه بالا، هزینه های عملیاتی نسبتا کم، تولید نسبتا ساده شکل های ساختاری پیچیده، به حداقل رساندن تعداد اجزای هواپیما و در نتیجه کاهش زمان مونتاژ را فراهم می کند. بال ، دم و بدنه این هواپیما از کامپوزیت های زمینه پلیمری ساخته شده است .

رزین های اپوکسی های به دلیل داشتن خواص مکانیکی خوب و در عین حال فرآیندپذیری آسان و گوناگونی فرمولاسیون های در دسترس، ماتریسی مناسب برای کاربردهای پیشرفته هوافضا هستند. اخیرا، از رزین های پلی سیانات به جای اپوکسی ها برای این منظور استفاده شده است زیرا در محیط فضایی از دوام بالاتری برخوردار هستند.

از کامپوزیت های زمینه پلیمری با ماتریس ترموپلاستیک نیز در صنعت هوافضا استفاده می شود. به عنوان مثال، شرکت Victrex Europa GmbH کامپوزیت های زمینه پلیمری معرفی کرده است که جایگزین بسیار خوبی برای فلزات و آلیاژهای فلزی در کاربردهای هوافضایی هستند. ماتریس این کامپوزیت ها پلی اتر اتر کتون (PEEK)  می باشد و تقویت کننده هایی که برای این پلیمر استفاده می شود، الیاف شیشه خرد شده، الیاف کربن خرد شده و الیاف کربن با مدول بالا هستند .

آزمایشگاه CSIR-NAL (هند) هواپیماهای مسافربری کوچکی را با نام SARAS طراحی کرده است که بال و دم هواپیما از کامپوزیت اپوکسی- کربن ساخته شده است. قسمت بال هواپیما شامل دنده های عرضی ، تیرک اصلی بال و ستون های فرعی است که از کامپوزیت های زمینه پلیمری ساخته شده است. هدف اصلی این پروژه کاهش وزن هواپیما بوده است. با مقایسه قطعات کامپوزیتی با همان قطعات زمانی که به طور کامل از آلیاژهای فلزی ساخته شدند، مشخص گردید که وزن قطعات کامپوزیت پلیمری تقریبا ۲۵٪ کمتر است.

با توجه به اینکه کاهش وزن هواپیما یکی از اهداف کلیدی و مهم در طراحی کامپوزیت های مورد استفاده در صنعت هوایی است، بنابراین باید تمام قطعات آن را تا حد امکان از مواد سبک ساخت. به همین منظور، شرکت SABIC عربستان سعودی، کامپاندهای ترموپلاستیک با کارایی بالا را که به عنوان سینی غدای هواپیما استفاده می گردند، توسعه داده است. این کامپوزیت ها بر پایه رزین پلی اترایمید و الیاف کربن هستند و مقدار وزنی الیاف کربن در این مواد بین ۴۰-۳۰ متغیر می باشد. میزان تنش های داخلی کامپوزیت با استفاده از نرم افزار Abaqus  مورد بررسی قرار گرفت و نتایج حاکی از عملکرد عالی سینی های تولید شده بودند. برای خط هوایی با تقریبا ۶۰۰ هواپیما که به طور متوسط دارای ۲۰۰ صندلی هستند، این کاهش وزن به معنی ذخیره سازی ۰.۵ میلیون گالن سوخت و حذف ۹.۹ میلیون پوند کربن دی اکسید در سال می باشد.

کاربرد کامپوزیت های زمینه پلیمری در صنایع خودروسازی

کاربرد کامپوزیت های زمینه پلیمری در صنعت خودرو را می توان به سه دسته تقسیم کرد:

الف- کاربردهای داخلی و زیر کاپوت، مانند جعبه دنده، پنل های داخلی در، پنل روی داشبورد، منیفولد. کامپوزیت های زمینه پلیمری مورد استفاده در این دسته شامل ترموپلاستیک تقویت شده با الیاف کوتاه یا بلند و ترکیبات قالب گیری توده ای (BMC) هستند. تولید این قطعات با قالبگیری تزریقی و فشاری انجام می شود.

ب- کاربردهای مرتبط با بدنه مانند کاپوت ، گلگیر، پشتی صندلی. کامپوزیت های مورد استفاده برای این کاربردها ترکیبات قالب گیری ورقه ای (SMC) ، ترموپلاستیک های تقویت شده با الیاف بلند، ترموپلاستیک های تقویت شده با نمد شیشه و پلی یورتان تقویت شده با الیاف شیشه خرد شده یا پیوسته هستند . قالبگیری فشاری، قالبگیری تزریقی و قالبگیری تزریقی واکنشی فرآیندهای اصلی تولید در این دسته هستند .

ج- کاربردهای مرتبط با بدنه، شاسی و فنربندی مانند رام شاسی، بازوهای فنربندی، میل گاردان، ریل شاسی جلو و فنرها. کامپوزیت های زمینه پلیمری مورد استفاده در این کاربردها رزین های ترموست تقویت شده با الیاف پیوسته هستند. الیاف کربن و رزین اپوکسی به ترتیب مهمترین الیاف و ماتریس برای این کاربردها می باشند. فرآیند تولید این دسته عبارتند از قالبگیری انتقالی رزین ، قالب گیری فشاری و رشته پیچی .

در ادامه برخی از کامپوزیت های زمینه پلیمری که توسط شرکت های معتبر طراحی و ارائه شده اند، معرفی می گردند :

– شرکت BASF نوعی رزین های اپوکسی طراحی کرده اند که در صورت تقویت با الیاف کربن می تواند برای ساخت اجزایی مانند شاسی و چارچوب خودرو استفاده شود .

– شرکت Smart Forvision کامپوزیت های زمینه پلیمری با عملکرد بالا تولید کرده اند که متشکل از ماتریس پلی آمید و الیاف شیشه است و به دلیل داشتن پایداری حرارتی و شیمیایی عالی، استحکام دینامیک و چقرمگی خوب در تولید رینگ چرخ و محفظه چراغ خودرو کاربرد دارد. از آنجا که این کامپوزیت پلیمری سبک تر از آلیاژهای  فلزی می باشد، موجب سبک تر شدن خودرو و پایین آوردن مصرف سوخت می گردد، در نتیجه خودرو نسبتاً سازگار با محیط زیست خواهد بود .

– شرکت Asahi Kasei Plastics ماده ای با نام تجاری Thermylene® تولید کرده اند که در واقع یک کامپوزیت های زمینه پلیمری می باشد که در آن نوعی پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف بلند شیشه است که سختی و سفتی بالایی دارد و حدود ۲۰% ارزانتر از موادی است که قبلا به کارگرفته شده و در ساخت سپر، باربند و ماژول های گاز/ کلاچ و ترمز استفاده می گردد.

– شرکت خودروسازی Citroën خودرو DS 3 را طراحی نموده است که یک ماشین مسابقه منحصر به فرد بوده و از رزین های آکریلیک تقویت شده با الیاف کربن و کولار برای ساخت درب و کاپوت این ماشین استفاده شده است. کاربرد کولار به عنوان ماده تقویت کننده در این کامپوزیت های زمینه پلیمری برای افزایش سبکی، سفتی و مقاومت مکانیکی می باشد .

کاربرد کامپوزیت های زمینه پلیمری در صنایع دریایی

نوآوری در زمینه مواد کامپوزیت های زمینه پلیمری سبب توسعه کشتی های مدرن در صنعت دریایی شده است. وزن کم برای مصرف کمتر سوخت و قدرت مانور بهتر یکی از ویژگی های مهم برای سازه های دریایی به شمار می آید. کامپوزیت های پلیمری علاوه بر اینکه سبک هستند، خواص خوبی از جمله مقاومت در برابر آب و خوردگی نیز از خود نشان می دهند و به همین دلیل مواد بسیار مناسبی برای ساخت تجهیزات دریایی می باشند .

اولین کاربرد دریایی کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) اندکی پس از جنگ جهانی دوم و به منظور ساخت قایق ها بود. در آن زمان، سازندگان قایق به جای چوب از کامپوزیت های FRP استفاده کردند، زیرا هم مصرف چوب و هم قیمت آن رو به افزایش بود. از سوی دیگر، قایق های چوبی به راحتی توسط آب دریا و ارگانیسم های دریایی تجزیه می شدند که این مسئله نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم داشت که هزینه بر بود.

بیشتر تجهیزات دریایی با استفاده از کامپوزیت های زمینه پلیمری پلی استر تقویت شده با شیشه (GRP ) ساخته می شوند. از کامپوزیت های ساندویچی و کامپوزیت های تقویت شده با الیاف کربن و آرامید و ماتریس رزین وینیل استر یا اپوکسی نیز معمولاً برای کاربردهای ساختاری با کارایی بالا استفاده می گردد .

کامپوزیت های زمینه پلیمری که اخیرا در ساخت کشتی ها مورد استفاده قرار گرفته اند ، رزین های پلی استر یا اپوکسی بودند که با تقویت کننده هیبریدی یعنی الیاف کتان با شیشه یا الیاف کربن تقویت شدند .

کاربرد کامپوزیت های زمینه پلیمری در صنایع نظامی

طی سال های گذشته استفاده از کامپوزیتهای زمینه پلیمری پیشرفته در هواپیماهای نظامی نشان داده است که می توان ساختارهای قابل اطمینانی از این مواد ساخت. خواصی از قبیل چگالی کم ، سفتی بالا، ضریب انبساط حرارتی کم ، مقاومت در برابر دمای بالا و پایداری ابعادی بالا برای جنگنده هایی که باید به سرعت مانور دهند و در مقابل حمله دشمن مقاومت کنند، ضروری است و این خواص با کامپوزیت های زمینه پلیمری تامین می شوند.

تقویت کننده های مورد استفاده در کامپوزیت های زمینه پلیمری شامل کولار ، الیاف شیشه و الیاف کربن با جهت گیری های مختلف است. برای ساخت وسایل نقلیه نظامی رده بالا ، PEEK مورد استفاده قرار می گیرد که یک رقیب عالی برای تیتانیوم است در حالی که نایلون تقویت شده با الیاف کربن جایگزین عالی برای آلومینیوم است.

از کامپوزیت های زمینه پلیمری در صنعت نظامی برای ساخت هواپیماهای نظامی، جنگنده ها، دکل ها، آنتن ها، رادارها، رادوم ها، زره های حفاظتی و غیره استفاده می شود. به عنوان مثال، مرکز نوآوری و فناوری  واقع در والنسیا یک لمینت کامپوزیتی با قالب گیری انتقالی رزین به کمک خلاء (VARTM) با استفاده از رزین های فنولیک و مخلوط الیاف شیشه نوع S و الیاف آرامید تولید کرده است. چنین ترکیبی از خواص ضد بالستیک عالی ، مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش و خوردگی و وزن کم برخوردار می باشد .

Zumwalt نام پیشرفته ترین ناوشکن نیروی دریایی امریکا است که به منظور کاهش وزن، از مواد کامپوزیتهای زمینه پلیمری به جای آلیاژهای فولادی و فلزی برای ساخت آن استفاده شده است. همچنین از مواد کامپوزیتی برای رادار کشتی استفاده گردیده است. اتاقک روی عرشه کشتی از رزین وینیل استر تقویت شده با کربن ساخته شده است. سقف آن پنل های لمینتی با ماتریس فنولیک و تقویت کننده الیاف شیشه می باشد. رزین های فنولیکی که برای تولید این کامپوزیتهای زمینه پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند مقاومت حرارتی بالایی دارند و مقاوم در برابر آتش هستند .

کاربرد کامپوزیتهای زمینه پلیمری در لوازم تفریحی و ورزشی

قبل از ظهور کامپوزیت های زمینه پلیمری، وسایل و تجهیزات ورزشی عمدتا از چوب، فولاد، آلیاژ آلومینیوم و غیره استفاده می شد. در مقایسه با این مواد، مواد کامپوزیت تقویت شده با الیاف دارای مزایای بارزی هستند که از میان آنها می توان به سبکی، خواص مکانیکی (مانند استحکام، چقرمگی، مقاومت خستگی) عالی، قابلیت طراحی و شکل دهی آسان و هزینه کم اشاره کرد.

از کامپوزیتهای زمینه پلیمری در ساخت وسایلی همچون راکت تنیس و اسکواش، چوب گلف، چوب ماهیگیری، اسکی ، دوچرخه و غیره استفاده می شوند.

شرکت AX-Lightness GmbH آلمان که تامین کننده اصلی کامپوزیتهای با زمینه ی پلیمری در بخش فرمول یک است، اخیرا در حال ساخت و عرضه دوچرخه های پیشرفته می باشد. این شرکت دوچرخه های کوهستانی پیشرفته ای با چرخ های ساخته شده از الیاف بافته شده کربن به عنوان تقویت کننده در ماتریس اپوکسی ارائه کرده است. دستاورد دیگر ، به کارگیری پیش آغشته های تقویت کننده شده با پارچه و تک جهته در ساخت اجزای دوچرخه برای دوچرخه سواران استرالیایی است. پیش آغشته های مورد استفاده در دمای بالاتر از ۱۶۰ درجه سانتیگراد پخت می شوند و این مسئله باعث می شود تا مقاومت ضربه و عملکرد خوبی در دماهای بالا داشته باشند.

روش های ساخت کامپوزیتهای زمینه پلیمری

فرآیندهای تهیه و تولید کامپوزیتهای با زمینه ی پلیمری بسیار زیاد بوده و این روش ها به پارامترهای مختلفی از جمله نوع زمینه یا ماتریکس، نوع و شکل و هندسه تقویت کننده، دمای کاری و کاربرد بستگی دارد . فرآیندهای اصلی ساخت و تولید کامپوزیتهای پلیمری عبارتند از:

  • قالبگیری انتقالی رزین
  • قالب گیری فشاری
  • قالب گیری چرخشی
  • قالب گیری کیسه ای
  • قالبگیری تزریقی
  • قالبگیری تزریقی واکنشی
  • رشته پیچی
  • روش لایه گذاری دستی
  • روش پاششی
  • پولتروژن
  • ریخته گری گریز از مرکز

در کل روش های ساخت کامپوزیتهای پلیمری به دو دسته کلی و رایج قالب گیری باز و قالب گیری بسته دسته بندی می شوند .

روش قالب گیری باز در ساخت کامپوزیتهای زمینه پلیمری

این روش شامل روش لایه گذاری دستی ، پاشش رزین و رشته پیچی می باشد .

روش قالب گیری بسته در ساخت کامپوزیتهای زمینه پلیمری

این روش شامل قالب گیری فشاری ، قالب گری ورقه ای ، قالب گیری تزریقی ، قالب گیری انتقالی و نیز شامل روش های نوین متعددی است .

حوزه فعالیت شرکت در زمینه کامپوزیتهای زمینه پلیمری

شرکت پیشگامان توسعه مواد سام با بهره­ گیری از دانش و تجربه کارشناسان و مشاوران مجرب، خدمات متنوعی را در زمینه ­کامپوزیت های زمینه پلمیری ارائه می ­دهد که شامل موارد ذیل می شود:

  • انجام فاز مطالعاتی پروژه‌های صنعتی و دانشگاهی در زمینه کامپوزیت های زمینه پلیمری و نیز پوشش ­های پلیمری و کامپوزیتی
  • ارائه مشاوره در زمینه انتخاب کامپوزیت های زمینه پلیمری مناسب برای کاربردهای مختلف در تمامی صنایع
  • ارائه مشاوره در زمینه انتخاب پوشش های پلیمری یا پوشش های کامپوزیتی پلیمری مناسب برای کاربردهای گوناگون مانند خوردگی، اکسیداسیون، سایش، خزش، خستگی و غیره
  • مشاوره در زمینه انتخاب کامپوزیت های زمینه پلیمیری مناسب در طراحی اولیه
  • مشاوره در زمینه انتخاب کامپوزیت های زمینه پلیمیری مناسب و نیز پوشش های کامپوزیتی پلیمری مناسب ( به عنوان لاینینگ برای سطح داخلی و یا خارجی) برای دستگاه­ها، رآکتورها، مخازن نگهداری، خطوط تولیدی و …

آدرس صفحه اینستاگرام: https://instagram.com/sammaterial?igshid=w9jvr75cwm28
آدرس کانال تلگرام: http://t.me/SamMaterial
آدرس شرکت: دانشگاه تربیت مدرس، مستقر در پژوهشکده فناوری اطلاعات (IT)

شماره های تماس شرکت: ۰۹۱۰۰۶۱۹۴۵۸، ۰۹۱۲۷۶۰۳۵۲۳، ۰۹۱۲۶۶۷۳۹۴۴