کتاب مهندسی الیاف کامپوزیت

توضیحات

کتاب مهندسی الیاف کامپوزیت

الیاف کامپوزیت

الیاف تقویت کننده

نقش تقویت‌کننده ها در یک کامپوزیت اساساً افزایش یکی از ویژگی‌های مکانیکی رزین خالص است. انواع گوناگون الیاف دارای خواص متفاوتی بوده و از این رو بر خواص کامپوزیت به طرق مختلف اثرگذار هستند.

اگرچه الیاف به صورت لیف‌های تک یا دسته لیف‌ها در فرآیندهای محدودی نظیر رشته‌پیچی استفاده می‌شوند اما در اغلب کاربردها لازم است که لیف ها به صورت های مختلف ورق آرایش یابند(که تحت عنوان پارچه شناخته می شوند) تا کار کردن با آنها آسانتر شود. با توجه به اینکه روش های متعددی برای کنار هم چیدن الیاف و تبدیل آنها به ورق وجود دارد و نیز وجود امکان آرایش مختلف برای لیف ها سبب می شود که انواع گوناگون پارچه با خواص ویژه تولید شود.

خواص الیاف

خواص مکانیکی اغلب الیاف تقویت کننده به طور قابل ملاحظه‌ای بالاتر از سیستم‌های رزینی بدون تقویت کننده است. از این رو خواص مکانیکی کامپوزیت رزین/الیاف غالباً با توجه به سهم الیاف در کامپوزیت تعیین می شود.

چهار پارامتر مهم در تعیین سهم الیاف عبارتند از:

• خواص مکانیکی پایه‌ای الیاف
• واکنش های سطحی الیاف و رزین در تماس با یکدیگر
• میزان الیاف در کامپوزیت( کسر حجمی الیاف)
• آریش یافتگی الیاف در کامپوزیت

خواص مکانیکی پایه‌ای الیافی که به طور معمول استفاده می شوند در ادامه بیان می شود. واکنش‌های سطحی الیاف و رزین به وسیله درجه اتصالاتی که بین این دو شکل می گیرد کنترل می شود که بسیار متأثر از اصلاحات سطحی است که روی سطح الیاف صورت می‌گیرد. توضیحاتی در مورد انواع مختلف اصلاحات سطحی در اینجا آورده شده است.

مقدار الیاف در یک کامپوزیت با فرآیند ساخت مورد استفاده کنترل می شود. به این ترتیب که به کار بردن پارچه های تقویت کننده با الیاف بسیار فشرده در یک لمینیت، کسر حجمی بالاتری دارد نسبت به استفاده از پارچه هایی که الیاف بزرگتر یا فاصله دسته‌ی الیاف در آنها زیاد است. قطر الیاف یک پارامتر مهم در اینجاست به این ترتیب که الیاف گران‌قیمت با قطر کم، سطح تماسی بیشتری را بین رزین و الیاف فراهم میکند و باعث پخش شدن نیروهای بین سطحی آنها می شود. به عنوان یک قانون کلی می توان گفت که سفتی و استحکام یک لمینیت با افزایش کسر مقداری الیاف افزایش می یابد. با این وجود در کسر حجمی بالای ۶۰%-۷۰% (با توجه به روشی که الیاف کنار هم فشرده شدند) اگرچه سفتی ناشی از کشش رو به افزایش می گذارد اما استحکام لمینیت به یک ماکزیممی رسیده و شروع به کاهش می کند. دلیل این رفتار نبود رزین کافی جهت نگهداری مناسب الیاف کنار هم است.

در نهایت از آنجا که الیاف تقویت کننده جهت تحمل بار در طول خود طراحی شده اند نه در راستای عرض، آرایش الیاف کنار هم خواص ویژه ای را که وابسته به جهت می باشدرا در کامپوزیت به وجود می آورد. این ویژگی غیر ایزوتروپیک کامپوزیت ها می تواند یک مزیت عالی در طراحی محسوب شود، به این ترتیب که اکثر الیاف در راستای بار اعمالی آرایش می یابند. این کار سبب می شود که مقدار مواد مصرفی در راستایی که بار اعمالی کم یا صفر است کاهش یابد.

خواص پایه‌ای الیاف

خواص لمینیت‌ها

خواص یک کامپوزیت از عوامل متعددی ناشی می‌شود نظیر: خواص الیاف، برهم‌کنش‌های بین الیاف و سیستم رزینی مورد استفاده، خواص رزین به تنهایی، کسر حجمی الیاف در کامپوزیت و آرایش الیاف. شکل‌های زیر مقایسه‌ی پایه‌ای بین انواع مهم الیاف را در یک سیستم پیش آغشته‌ی تک جهته‌ و پرکاربرد اپوکسی و در کسر حجمی متداول در قطعات هوافضا نشان می‌دهد.

خواص ضربه‌ای لمینیت

آسیب‌های ضربه‌ای می‌تواند مشکلات خاصی را در به کاربردن الیاف بسیار سفت در لمینیت‌های نازک ایجاد کند. در برخی از ساختارها که هسته مورد استفاده قرار می‌گیرد، لمینیت می‌تواند کمتر از ۳/۰ میلیمتر ضخامت داشته باشد. اگرچه پارامترهای دیگر نظیر نوع بافت و آرایش الیاف می‌تواند تأثیر چشمگیری در مقاومت ضربه‌ای داشته باشد، در کاربردهای ضربه‌ای بحرانی، الیاف کربن در ترکیب با نوع دیگری از الیاف به کار می‌رود. این می‌تواند یک نوع بافت هیبریدی باشد که در آنها بیش از یک نوع الیاف در ساختار بافت استفاده می‌شود.

مقایسه الیاف

مقایسه خواص انواع مختلف الیاف باهم نشان می‌دهد که آنها دارای مزایا و معایب متمایزی هستند. این امر موجب می‌شود که برخی از انواع الیاف برای بعضی از کاربردها مناسب‌تر از سایر الیاف‌ها هستند. جدول زیر مقایسه‌ای را در زمینه‌ی ویژگی‌های اصلی مطلوب الیاف را نشان می‌دهد به این صورت که A امتیاز بالاتر و C بیانگر ویژگی است که الیاف موردنظر در آن خوب نیست.

دیگر الیاف

انواع گوناگونی از الیاف وجود دارد که می توانند در ساختار کامپوزیت‌های پیشرفته استفاده شوند اما کاربرد آنها خیلی گسترده نیست. این الیاف شامل:

الیاف پلی‌استر

الیاف با دانسیته‌ی پایین، استحکام بالا و مقاومت ضربه‌ای خوب اما مدول کم. سفت نبودن این الیاف مانع از به کارگیریشان به عنوان یک جزء در ترکیب کامپوزیت‌ها می‌شود اما این الیاف در کاربردهایی که وزن کم، مقاومت ضربه ای یا مقاومت سایشی بالا و نیز قیمت پایین نیاز است، سودمند هستند. این الیاف اغلب به عنوان مواد سطحی استفاده می‌شوند چون می توانند بسیار صاف باشند، باعث کاهش وزن شوند و با بیشتر انواع رزین ها به کار گرفته شوند.

الیاف پلی اتیلن

در یک آرایش یافتگی رندوم مولکول‌های پلی یورتان با جرم مولکولی فوق العاده بالا، خواص مکانیکی پایینی دارند. با این حال، اگر حل شود و طی فرآیندی تحت عنوان نخ‌ریسی ژل به لیف تبدیل شود، مولکول‌ها به هم گره نخورده و در جهت لیف آرایش می‌یابند. این آرایش مولکول‌ها سبب بالا رفتن استحکام کششی لیف می‌شود. این امر همراه با S.G پایین آنها(۱>) سبب می‌شود که این الیاف دارای بالاترین استحکام ویژه در میان الیاف باشند. با این وجود، مدول کششی و ماکزیمم استحکام این الیاف تنها کمی بهتر از الیاف شیشه گریدE و کمتر از آرامید و کربن است. این الیاف هم‌چنین استحکام فشاری بسیار کمی را به صورت لمینیت از خود نشان می‌دهند. این پارامترها به همراه قیمت بالا و از همه مهمتر دشواری اتصال خوب بین الیاف و ماتریس سبب می‌شود که الیاف پلی‌اتیلن معمولاً در کامپوزیت استفاده نشوند.

الیاف کوارتز

یک نوع از شیشه با میزان سیلیکای بسیار بالا و خواص مکانیکی فوق العاده بالا و مقاومت عالی در برابر دمای بالا (C° ۱۰۰۰+). با این وجود، فرآیند ساخت و حجم کم تولید آن سبب قیمت بسیار بالای آن شده است

(mm 14- kg/$74 ، mm 9- kg/$ 120).

الیاف بور

الیاف کربن و فلز با یک لایه بور پوشیده می‌شوند تا خواص کلی لیف بهبود یابد. اما قیمت خیلی بالای این الیاف باعث شده که کاربرد آنها تنها کاربردهای هوافضایی در دمای بالا و لوازم ورزشی خاص محدود شود. هیبرید بور/کربن که از الیاف کربن پراکنده شده بین ۸۰-۱۰۰ میلیمتر الیاف بور در یک ماتریس اپوکسی تشکیل شده،  خواص بالاتری را نسبت به الیاف تنها دارا می‌باشد. استحکام خمشی و سفتی آن دو برابرالیاف کربن HS و ۴/۱ برابر الیاف بور و استحکام برشی آن از هر دو الیاف بالاتر است.

الیاف سرامیک‌

الیاف سرامیک معمولاً در ابعاد بسیار کوچک و در مواردی که به مقاومت بالا در برابر دما نیاز است، استفاده می‌شود. این الیاف بیشتر همراه با ماتریس‌های غیر پلیمری نظیر آلیاژ فلز استفاده می‌شوند.

الیاف طبیعی

از دیگر سو می‌توان از الیاف گیاهی نظیر جوت و سیسال به عنوان تقویت‌کننده در کاربردهای با تکنولوژی پایین استفاده کرد. در این کاربردها S.G پایین این الیاف(معمولاً ۵/۰-۶/۰) سبب می‌شود که استحکام‌های ویژه نسبتاً بالا به دست آید.

الیافی که از منابع طبیعی مانند معادن، حیوانات و گیاهان بدست می‌آیند، در گروه الیاف طبیعی قرار می‌گیرند. مصریان باستان از کامپوزیتهای الیاف طبیعی آجر، ظروف سفالی و قایقهای کوچک می‌ساختند. یک قرن پیش تولید تقریباً تمام وسایل و بسیاری از محصولات فنی از الیاف طبیعی ساخته می‌شد. پارچه، طناب، کرباس و کاغذ از الیاف طبیعی مانند کتان، شاهدانه، سیسال و کنف ساخته می‌شد.

می‌توان الیاف طبیعی را به سه دسته معدنی، حیوانی و گیاهی تقسیم نمود.

الیاف معدنی: الیاف این گروه از سنگهای معدنی بدست می‌آیند. به عنوان نمونه می‌توان به آزبست اشاره نمود. آزبست می‌تواند استحکام و سفتی کامپوزیت را بهبود ببخشد ولی استحکام ضربه را کاهش می‌دهد. علاوه بر این فرآیند آن مشکل است. امروزه استفاده از این الیاف بدلیل ایجاد سرطان ریه در طولانی مدت، محدود و ممنوع شده است.

الیاف حیوانی: الیاف بدست‌آمده از ارگانیسم‌های زنده، الیاف حیوانی نامیده می‌شوند. به عنوان مثال، پشم از گوسفند اهلی بدست آید. الیاف ابریشم را کرم ابریشم می‌سازد. ابریشم بر خلاف تمام الیاف طبیعی دیگر از قبیل پنبه، کتان و پشم، یک ساختار سلولی ندارد و روش ساخت آن، شبیه الیاف مصنوعی می‌باشد. از الیاف حیوانی در ساخت کامپوزیتها استفاده نمی‌شود.

الیاف گیاهی: در بین الیاف طبیعی، الیاف گیاهی بیشترین کاربرد را در کامپوزیتها دارند. بر اساس اینکه از کدام قسمت گیاه گرفته شده‌اند، به سه دسته تقسیم می‌شوند:

الیاف میوه: پنبه(cotton) نارگیل (coir ) وkapok
الیاف پوست یا ساقه: کتان،کنف،(jute )، بوته شاهدانه (hemp) و رامی
الیاف برگ: سیسال (sisal)،آناناس

الیاف طبیعی از قدیم در صنایع مختلف استفاده می‌شده‌اند و پتانسیل کاربرد در صنایع رو به رشد کامپوزیتهای مهندسی را دارا می‌باشند. اگر چه جایگزینی مستقیم الیاف شیشه با الیاف طبیعی به راحتی امکان پذیر نیست، اما خواصی که این الیاف در مقایسه با شیشه از خود نشان می‌دهند در بسیاری جهات موجب برتری آنها می‌شود:

1- ‌دارای منابع تجدید شونده
2- ‌امکان استحصال نامحدود
3- فواید محیطی ناشی از ایجاد تعادل در تولید و مصرف گاز

2 CO
4- سبکی
5- بازیافت بهتر
6- کاهش فرسایش ابزار
7- بهبود بازگشت انرژی (recovery Energy Enhanced)
8- کاهش ناراحتی‌های پوستی و تنفسی
9- زیست تخریب بودن

b-1,4-Polyacetal ایزوتکتیک می‌باشد. سلولز جامد، یک ساختار میکروکریستالین با نواحی کریستالی و آمورف تشکیل می‌دهد.
لیگنین: یک ترکیب حلقویِ بیشتر سه بعدی، با جرم مولکولی بالاست که فقط در مقادیر جزئی می‌تواند هیدرولیز شود. خواص مکانیکی آن به وضوح پایین‌تر از سلولز می‌باشد.
پکتین: نام کلی هتروپلی ساکاریدهاست که اصولاً شامل اسید پلی‌گالاکتورُن می‌باشد. این ماده تنها پس از خنثی سازی جزئی با قلیا یا هیدروکسید آمونیم قابل حل در آب می‌باشد.
واکس: ماده‌ای که می‌توان آنرا با ترکیبات آلی استخراج کرد ولی در آب غیر قابل حل است.agent coupling) و کوپلیمریزاسیون گرفت.
اصلاح سطح تاثیرمهمی درافزایش خواص کامپوزیت دارد. علاوه بر آن ممکن است حساسیت به رطوبت الیاف را به حداقل برساند و دوام کامپوزیت را بیشتر کند.

توجه همگانی به شرایط محیطی علاقه‌مندی مجددی را در کاربرد الیاف طبیعی ایجاد کرده است. بازیافت و لحاظ شرایط محیطی برای معرفی کامپوزیتهای جدید به بازار از اهمیت روز افزونی برخوردار است.
قوانین محیط زیستی و فشار مصرف کننده، باعث شده است که تولید کنندگان مواد و قطعات، اثرات محصولات خود در محیط زیست را در تمام مراحل کار بسنجند. این نکات باعث شده است در سالهای اخیر کارهای زیادی در ساخت مواد کامپوزیتی بر پایه منابع تجدید پذیر از جمله الیاف طبیعی انجام بگیرد. اخیرا صنعت خودرو سازی به کاربرد کامپوزیتهای الیاف طبیعی به عنوان یک راه خدمت به محیط زیست و در عین حال رعایت مسایل اقتصادی، توجه جدی داشته است. کاربردهای دیگر نیز در صنایع ساختمان در حال پیدایش هستند.
شرایط آب و هوایی، عمر و فرآورش نه تنها بر ساختار الیاف، بلکه بر ترکیبات شیمیایی الیاف اثر می‌گذارد. اجزاء الیاف طبیعی عبارتند از سلولز، لیگنین، پکتین، واکس و مواد محلول در آب.
سلولز: بخش اصلی تمام الیاف گیاهی

باید توجه داشت که بدلیل حضور گروههای آبدوست در الیاف، رطوبت تأثیر شدیدی روی کامپوزیتهای الیاف طبیعی دارد. خشک کردن الیاف به هنگام فرآیند ساخت اهمیت فراوانی دارد چرا که رطوبت روی الیاف به عنوان یک عامل جداساز در فصل مشترک الیاف و رزین عمل می‌نماید. به همین جهت تمام روشهای ساخت در دماهای بالا انجام می‌گیرد. وجود هرگونه رطوبت، باعث کاهش استحکام و سفتی کامپوزیت می‌شود. اغلب الیاف گیاهی، 10 درصد رطوبت اسمی دارند که پس از خشک کردن به 1 درصد کاهش می‌یابد.
کیفیت فصل مشترک الیاف و رزین نقش مهمی در تعیین مقبولیت الیاف طبیعی به عنوان تقویت کننده مواد کامپوزیتی، دارد. به منظور بهبود چسبندگی الیاف و رزین، روشهای فیزیکی و شیمیایی مختلفی وجود دارد. برخی این روشها عبارتند از اصلاح توسط پلاسما و کرونا، اصلاح توسط تخلیه الکتریکی، جفت کننده‌های شیمیایی.

فرا الیاف

در برخی کاربردها ذرات معدنی به عنوان تقویت کننده پلیمرها استفاده می‌شوند.
ذرات معدنی به شرط دارا بودن نسبت aspect (طول به قطرd/l) کافی و چسبندگی مناسب به ماتریس پلیمری، خواص خوبی به پلیمر می‌دهند. این الیاف به راحتی فرآورش می‌شوند و کمتر می‌شکنند و فرسایش کمی در تجهیزات تولید ایجاد می‌کنند. گاهی اوقات طبیعت شیمیایی این مواد می‌تواند ویژگی‌هایی چون مقاومت شعله در پلیمر ایجاد می‌نماید.
علاوه بر محصولات طبیعی مانند ولاستونیت (wolastonite ) و آزبست، این الیاف شامل محصولات مصنوعی مانند کربنات کلسیمِ ته نشین شده و سولفات کلسیم نیز می‌باشد. همچنین گاهی الیاف بر پایه آلومینا و بر (boron) به منظور ایجاد خواص ویژه در کامپوزیت بکار برده می‌شوند. این سیستم‌ها نه تنها استحکام خوبی دارند، بلکه دارای خواص هدایت حرارتی و الکتریکی و مقاومت فرسایش نیز می‌باشند.
در گذشته تنها دو محصول طبیعی، دارای صرفه اقتصادی بود که آزبست و ولاستونیت نامیده می‌شوند. به دلیل شرایط زیست محیطی دیگر از آزبست به عنوان تقویت کننده استفاده نمی‌شود.
ولاستونیت در طبیعت بصورت سوزنی شکل وجود دارد و بیان شده که دارای سمیت کمی است. این ماده پس از استخراج بصورت پودری سفید رنگ با l/d ‌های مختلف بدست می‌آید. بالاترین نسبت aspect قابل دستیابی در این الیاف20:1 می‌باشد. این امر پتانسیل تقویت کنندگی این ماده را کاهش می‌دهد. با این وجود، محدوده‌ای از مصولات با انجام اصلاح سطح به منظور بهبود چسبندگی وجود دارد. علیرغم پایین بودنl/d، ولاستونیت می‌تواند تلفیق خوبی از خواص با یک قیمت معقول ایجاد نماید، بویژه وقتی به همراه الیاف شیشه استفاده شود.

تعدادی از مواد معدنی می‌توانند به روش ته نشینی از محلول به صورت ذرات سوزنی شکل در آیند و به عنوان تقویت کننده‌های تجاری استفاده شوند. از جمله این مواد می‌توان به کربنات کلسیم تهیه شده به روش ته نشین، سولفات کلسیم، اکسی سولفات و فسفات منیزیم اشاره نمود. نسبت

l/d این مواد بین 1 :20 تا1:100 می‌باشد.

الیاف آلومینا:

در تئوری آلومینا می‌تواند به عنوان یک ماده با استحکام بالا مطرح باشد. پیوندهای چند ظرفیتی اشتراکی قوی این ماده موجب ایجاد کریستال‌های محکم با مدول شصت گیگاپاسکال و مقاومت حرارتی بالا می‌شود. در عمل پلی کریستالینهای آلومینا به عنوان یک سرامیک مهندسی مطرح هستند. افزودن سایر اکسیدها می‌تواند به فرآورش، تراکم و کنترل اندازه ذرات کمک کند. به دو دلیل بسط الیاف پیوسته آلومینا به کندی صورت می‌گیرد:
اول آنکه دانسیته آن نسبتا بالا خواهد بود و برای کاربردهایی که خواص ویژه اهمیت دارند، جذاب نیست. و دوم اینکه آلومینا، مانند شیشه دارای خواص ذوب و ریسندگی مذاب نیست و اصولا تهیه الیاف عاری از حباب (

الیاف بُر

بُر یک ماده مناسب برای ساخت الیاف با کارایی بالاست. اتمهای سبک بُر چند ظرفیتی هستند و پیوندهای با ظرفیت بالا ایجاد می‌نمایند و در عین حال دانسیته پایینی دارند. تولید تجاری الیاف بُر، انحصارا توسط روش ( free‌-void ) بسیار مشکل است.deposition بخار شیمیایی (Cvd =‌Deposition vapour chemical) انجام می‌گیرد.
بُر شکل deposite شده فاز بخار روی رشته نازکی از یک فلز نسوز (معمولا تنگستن) به قطر m m 12 است. رشته تنگستن به عنوان بستر deposition عمل می‌نماید. هم‌ هالید بُر و هم هیدرید بُر برای انتقال بُر به بستر رشته‌ای استفاده می‌شوند. در یک سیتم‌هالیدی، هیدروژن برای احیاء‌ هالید به بُر استفاده می‌شود. در سیستم هیدریدی، از تخریب حرارتی در فشار پایین استفاده می‌شود.
قطر رشته‌های بر صد میکرومتر می‌باشد و استحکام کششی آنها می‌تواند در محدوده دو تا چهار گیگاپاسکال و مدول آنها در حدود سیصد و هشتاد مگاپاسکال باشد.
در مجموع می‌توان گفت این الیاف خواص بسیار جالبی دارند ولی گران قیمتند.

الیاف آرامید

الیاف آرامید که در حدود سالهای 1970معرفی شد، ترکیب آلی حلقوی از کربن، هیدروژن، اکسیژن و نیتروژن می‌باشد. دانسیته کم و استحکام کششی بالا در این الیاف، موجب تشکیل یک ساختار چقرمه ومقاوم به ضربه با سفتی حدود نصف الیاف کربن می‌شود. الیاف آرامید در ابتدا به منظور جایگزینی فولاد در تایرهای رادیال ساخته شدند و بعدا کاربردهای دیگری پیدا کردند. جلیقه ضد گلوله از موفقیت آمیزترین کاربردهای الیاف آرامید می‌باشد.

آرامید در دو ساختار زنجیر-راست مشهور به کولار و زنجیر-خم مشهور به Nomex وجود دارد که در حال حاضر شرکت dupont تنها تولید کننده هر دو محصول می‌باشد.

ساختار شیمیایی کولار

الیاف آرامید در شکلهای مختلف وجود دارند و همانند الیاف شیشه و کربن می‌توانند در ساخت کامپوزیتها مورد استفاده قرار گیرند.

الیاف آرامید به دلیل سبکی، پایداری حرارتی خوب و چقرمگی عالی، مورد توجه قرار گرفته‌اند.

الیاف کولار از زنجیرهای مولکولی طولانی پلی پارا فنیلن ترفتال آمید، تولید شده‌اند. آرایش یافتگی بالای زنجیرها به همراه اتصال خوب بین آنها، تلفیق منحصر به فردی از خواص را ایجاد می‌نماید که برخی از آنها عبارتند از:
– استحکام کششی بالا و وزن کم
– ازدیاد طول کم در پارگی
– چقرمگی خوب
– مدول بالا
– پایداری ابعاد عالی
– هدایت الکتریکی پایین
– مقاومت پارگی بالا
– مقاومت شیمیایی زیاد
– مقاوم به شعله و خود خاموش کن
– جمع شدگی حرارتی کم
– حفظ خواص در دماهای بسیار بالا و بسیار پایین
– خزش بسیار کم
– مقاومت سایش و اصطکاک عالی

پس از سنتز، پلیمر آرامیدی در محلول اسید سولفوریک حل می‌شود و بعد تبدیل به الیاف می‌شود. قطر الیاف در حد چند میکرون است و مورفولوژی نهایی با اعمال حرارت در دمای ^oC 150 تا ^oC550 بدست می‌آید. کولارها بسته به درجه آرایش یافتگی مولکولی، سفتی‌های متفاوت دارند. کولار 29 به عنوان سیم تایر و کولار 49 در کابلهای زیر آب استفاده می‌شوند.

کولارها تقویت کننده ممتازی در صنایع فضایی محسوب می‌شوند. در سالهای اخیر کولار 149 نوع سفت تر کولارها معرفی شده است.

همچنین کولارها به دلیل کاربرد در پرتابه‌ها و حفاظت حرارتی آنها و بدلیل چقرمگی و توانایی در جذب انرژی شهرت دارند. در جدول زیر مقایسه ای بین خواص کولار با سایر الیاف آورده شده است. مقایسه خواص ویژه کولار با سایر الیاف جالب خواهد بود.

p دوگانه extended p می‌باشد. این به این معناست که الیاف لخت نسبت به نور مرئی آسیب پذیرند. این الیاف وقتی در معرض نور خورشید قرار بگیرند، محدوده نور300 تا 400 نانومتر را جذب می‌کنند و تخریب می‌شوند.

به همین دلیل اگر چه خود لایه تخریب شده، پلیمر زیرین را تا حدی می‌پوشاند ولی الیاف کولار نیاز به پوشش یا قرار گرفتن زیر سایر اجزاء دارند.

سیستم الکترون دوگانه P، ویژگی‌های باند دوگانه را در اکثر پیوندهای شیمیایی ساختار پلیمری بوجود می‌آورد، این امر موجب پایداری حرارتی آرامیدها می‌شود.

تخریب حرارتی این پلیمرها در دمای زیر^oC400 ‌شروع نمی‌شود و اگر در اتمسفر خنثی باشد، تخریب تا دمای پانصد درجه اتفاق نمی‌افتد. ساختار منظم تکراری و شکل کشیده و صاف زنجیرها، موجب بالا رفتن کریستالینیتی تا 80%‌ می‌شود که برای یک پلیمرآلی مقدار زیادی است. بررسی‌های کریستالوگرافی به طور قطعی نشان داده است که محور زنجیرهای پلیمری با محورالیاف یکی است.

ساختار ناهمگون پلیمر در جهت طولی، به الیاف استحکام کششی بسیار زیادی می‌دهد. نیروی اعمالی توسط باندهای قوی شیمیایی زنجیرهای پلیمری تحمل می‌شود. زنجیرهای پلیمری مجاور هم در یک ناحیه کریستال توسط بر هم کنش واندروالس و پیوندهای هیدروژنی‌که نسبت به باندهای شیمیایی نسبتا ضعیف ترند و راحتتر جدا می‌شوند، کنار هم نگاه داشته می‌شوند. بنابراین الیاف در جهت عرضی خواص مکانیکی ضعیفی دارند.buckle ) و در بیرون حلقه بصورت طولی شکاف می‌خورد. علاوه بر آن، وقتی تا نقطه شکست نیرو به آن اعمال می‌شود، لیف ترک خوردگی طولی نشان می‌دهد یا رشته رشته شدن الیاف (fibrillation ) بیشتر از یک ترک روشن و واضح اتفاق می‌افتد.nomex توسط شرکت Dupont برای کاربردهایی که پایداری ابعادی و مقاومت حرارتی عالی لازم است، به بازار معرفی شد. این محصول به شکل لیف (رشته‌های پیوسته) و صفحه (کاغذ و تخته) وجود دارد. محصولات Nomex در لباسهای محافظ، فیلترگازهای داغ، شلنگ‌های خودرو عایقهای الکتریکی، قطعات هواپیما و وسایل ورزشی استفاده می‌شوند.UV

3- مقاومت شیمیایی
4- جمع شدگی (Shrinkage) حرارتی پایین
5- شکل پذیری قطعات قالبگیری شده
6- ازدیاد طول شکست پایین
7- هدایت حرارتی پایین

رنگ زرد الیاف کولار ناشی از سیستم الکترون تلفیق پیوند قوی در جهت طولی و نیروی ضعیف در جهت عرضی زنجیرهای پلیمری رفتار لیفی جالب توجهی بوجود می‌آورد. وقتی الیاف بصورت یک حلقه خم می‌شوند، درون حلقه، پیچ می‌خورد.

این خواص انحصاری الیاف، به کامپوزیت منتقل می‌شود. چند لایه‌های با الیاف تک جهته به عنوان مثال از کولار -‌اپوکسی، در جهت طولی الیاف، محکم و قوی هستند ولی در جهت عرضی دارای ضعف می‌باشند. استحکام فشاری کمتر از استحکام کششی می‌باشد و خمیدگی تحت بار فشاری یک مشکل محسوب می‌شود.
همچنین محصول Nomex دارای زنجیرهای مولکولی سخت و بلند می‌باشد که از پلی متا فنیلن دی آمین تولید می‌شود. در اثر حرارت ذوب نمی‌شود و جریان پیدا نمی‌‌کند. تخریب و زغال گذاری تا دمای ^oC 350 ادامه پیدا می‌کند و از نظر شیمیایی و حرارتی بسیار پایدار است.

بطور خلاصه، Nomex ویژگیهای ذیل را داراست:

1- مقاومت حرارتی و شعله
2- مقاومت بالا در برابر

کامپوزیتهای آرامیدی عایق هستند و در تماس با فلزات جریان الکتریسیته تولید نمی‌کنند. درحالیکه رفتار کششی آنها خطی است و شکست در تنشهای بالا اتفاق می‌افتد، رفتار فشاری و خمشی کامپوزیتهای آرامیدی، داکتایل می‌باشد و استحکام نهایی آنها از کامپوزیتهای الیاف شیشه و کربن کمتر است.

می‌توان الیاف آرامید را به همراه شیشه و کربن در ساخت کامپوزیتهای هیبرید بکار برد و از خواص انحصاری هر دو نوع الیاف بهره برد. با بکار بردن ترکیبی از الیاف در یک کامپوزیت، می‌توان به نتایج مطلوب از نظر خواص و مسایل اقتصادی دست یافت. این نوع کامپوزیت را کامپوزیت هیبرید می‌نامند

الیاف کربن

شرایط مورد بحث در طول فرآیند پلیمریزاسیون تا ساختار گرافیتی، به دقت انتخاب و کنترل می‌شوند. در طول این فرآیند عناصر غیر کربنی بصورت گاز خارج شده، اجزاء کربنی باقی می‌مانند. مهمترین شکل الیاف کربن، پارچه است که در بافتهای مختلف وجود دارد.

اگرچه اکثر الیاف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت از جنس شیشه می‌باشد ولی مدول آن نسبتا پایین است. در سالهای پیش تلاشهای زیادی انجام گرفت تا تقویت کننده‌های جدیدی با تبدیل حرارتی الیاف آلی به الیاف کربن ساخته شود.

الیاف حاصل به سرعت کاربرد وسیعی در کامپوزیتهای فنولیکی به منظور استفاده در عایقهای فداشونده در صنایع نظامی پیدا کرد. مشخصه الیاف کربن، سبکی، استحکام و سفتی بالا می‌باشد. همه انواع الیاف کربن از پیرولیز الیاف آلی در یک محیط خنثی بدست می آید. سه منبع مهم عمده برای ساخت الیاف کربن وجود دارد:

پلی اکریلونیتریل (pan) رایون و قیر

طرز تهیه:

کوپلیمر متیل اکریلات و ایتاکونیک اسید

اکسیداسیون الیاف اکریلیک، به منظور تثبیت شکل الیاف به هنگام فرآیند کربنیزه کردن است.

اولین مرحله در تولید الیاف کربن با استفاده از PAN شامل کشش و اکسیداسیون می‏باشد در این مرحله ابتدا الیاف تحت گرما بین 1300 – 500 درصد کشیده می‏شوند که این امر باعث آرایش‏‏‏یابی بهتر زنجیره‏های ملکولی در جهت الیاف می‏شود. سپس در حالیکه هنوز الیاف تحت تنش هستند در مجاورت هوا تا دمای°C 280 – 200 برای چند ساعتی حرارت داده می‏شوند این امر باعث جابجایی درون ملکولی و تشکیل زنجیره‏های نردبان مانند می‏گردد. در این مرحله عمل اکسیداسیون نیز صورت می‏گیرد و تقریباً بیشتر گروههای CH₂ اکسیده می‏شوند. در مرحله بعد الیاف اکسیده شده، با حرارت دادن در دمای°C1200-900 و در محیط خنثی (تحت گاز نیتروژن یا آرگون) کربونیزه می‏شوند. تنش وارده به الیاف از جمع‏شدگی (shrinkage) آنها جلوگیری می‏کند و به آرایش ملکولی بهتر کمک می‏نماید. در این مرحله با حذف بیشتر اتمهای اکسیژن و نیتروژن، الیاف عمدتاً حاوی اتمهای کربن خواهند بود که در حلقه‏های شش وجهی مستقر در صفحات نسبتا موازی قرار گرفته‏اند. الیاف حاصل از این مرحله عمدتا متخلخل‏اند و دانسیته الیاف در این حالت حدود g/cm3 74/1 می‏باشد. الیاف حاصل از این مرحله دارای مدول نسبتا کم و استحکام بالا می‏باشند.

در مرحله سوم عمل اصلاح حرارتی (heat treatment) بر روی الیاف مرحله دوم در محیط خنثی و در دمای °C2800 صورت می‏گیرد که نتیجه آن نظم بیشتر ساختمان کریستالی الیاف می‏باشد. این مرحله را گرافیته‏کردن می‏نامند ودر این مرحله با کاهش میزان تخلخل الیاف دانسیته آنها تا g/cm³2 افزایش می‏یابد و الیافی با مدول بالا اما استحکام کششی کمتر از مرحله دوم بدست می‏آیند. راندمان تولید الیاف با استفاده از PAN حدود 50% می‏باشد.

شکلهای مختلف الیاف از قبیل رشته، پارچه و الیاف کوتاه از این ماده وجود دارد.

در ابتدا دو نوع الیاف کربن با پایه pan وجود داشت که استحکام و مدول آنها با هم تفاوت داشت:

الیاف کربن با استحکام بالا (strength ( Highیا HSکه از فرآورش در دمای ^OC 1500 بدست می‌آمد و بعنوان نوع دو درجه‌بندی می‌شد.

با افزایش دمای فرآورش، مدول نیز افزایش می‌یافت و نوع مدول بالای این الیاف (Modulus High ) یا HM که نوع یک درجه بندی می‌شد در دمای بالاتر ازدو هزار و پانصد درجه تولید می‌شد.

با اعمال کمی کشش و افزایش آرایش یافتگی و با کاهش قطر الیاف از ۷ به ۵ میکرومتر، استحکام و مدول الیاف افزایش می‌یابد. این الیاف، الیاف با مدول متوسط (modulus Intermediate) یا IM نام دارد. در جدول زیر برخی خواص این الیاف مشاهده می‌شود.

pitch) itaconic) یک ماده اولیه تولید الیاف کربن می‌باشد. این ماده در یک محیط آبی سنتز شده و با فیلتراسیون جدا می‌شود. سپس کوپلیمر حاصل، با سرعت چرخش و کشش کنترل شده، به روش ریسندگی مرطوب تبدیل به لیف می‌شود. بدینوسیله میزان آرایش الیاف را کنترل می‌کنند و هرچه بیشتر باشد مدول لیف نهایی بالاتر است.

مراحل تولید الیاف کربن در این روش عبارتند از :کوپلیمریزاسیون، اکسیداسیون، کربنیزه کردن و گرافیته کردنc 200 انجام می‌شود. این کار اجازه می‌دهد آرایش القا شده به هنگام کشش در الیاف حفظ شود.c 2500 انجام می‌گیرد.filamant winding )، پلتروژن و فرآیند پاشش رزین (spray up)

۲-‌ پیش آغشته (prepreg) تک جهته برای لایه گذاری
۳-‌ الیاف خرد برای تزریق یا قالبگیری فشاری
۴‌-‌ نوار پیوسته برای پلتروژن
۵-‌ پارچه بافته برای قالبگیری انتقال رزین (RTM) یا لایه گذاری

دو نوع مختلف الیاف کربن در شکل دیده می‌شود: الیاف کربن تولید شده، ذاتا چسبندگی کافی به پلیمرها ندارند و اگر به همان صورت استفاده شوند، خواص تقویت کنندگی خوبی نشان نشان نمی‌دهند. بنابراین اصلاح سطح یک مرحله ضروری در آماده سازی الیاف می‌باشد.

روشهای مختلفی برای اصلاح سطح الیاف کربن وجود دارد، ولی معمولا اکسیداسیون آنودیک در یک الکترولیت آبی مانند بی کربنات آمونیم، ترجیح داده می‌شود. اکسیداسیون پلاسما نیز بکار می‌رود ولی به لحاظ تجاری رایج نشده است.

معمولاَ الیاف کربن موجود در بازار اصلاح شده است ولی در موارد خاص می‌توان الیاف بدون اصلاح سطح نیز تهیه کرد.

الیاف شیشه

تقریباَ ۹۰ درصد الیاف مورد استفاده در کامپوزیتهای مهندسی الیاف شیشه می‌باشد. الیاف شیشه استحکام و سختی مناسبی دارد، خواص مکانیکی خود را در دماهای بالا حفظ می‌کند، مقاومت رطوبت و خوردگی مناسبی دارد و نسبتاَ ارزان است .

الیاف شیشه مشهورترین تقویت کننده مورد استفاده در صنعت کامپوزیت می‌باشد و انواع مختلفی از آن بصورت تجاری وجود دارند که برخی از آنها عبارتند از:

E، S،C،ECR،AR. ترکیبات شیمیایی این الیاف با هم متفاوت است و هر کدام برای کاربرد خاصی مناسب است.

تقریباَ ۹۰ درصد الیاف مورد استفاده در کامپوزیتهای مهندسی الیاف شیشه می‌باشد. الیاف شیشه استحکام و سختی مناسبی دارد، خواص مکانیکی خود را در دماهای بالا حفظ می‌کند، مقاومت رطوبت و خوردگی مناسبی دارد و نسبتاَ ارزان است . تقسیم بندی شش نوع الیاف شیشه و ترکیب درصدهای آن در زیر نشان داده شده است:

glass- Eمصارف عمومی
glass- Rخواص مکانیکی بالاتر
glass-S خواص مکانیکی بالاتر
glass-c مقاومت شیمیایی مناسب
glass-ECR مقاومت اسید و باز خوب
glass-AR مقاومت اسید و باز خوب
در جدول ذیل ترکیب شیمیایی انواع الیاف شیشه مشاهده می‌شود.

فرآیند تولید الیاف شیشه را می‌توان بصورت زیر خلاصه نمود:

۱- آماده سازی مواد خام: بیش از نیمی از مواد اولیه مورد استفاده ماسه سیلیس است و قسمت اصلی هر نوع الیاف شیشه را تشکیل می‌دهد. سایر اجزاء شامل مقادیر ناچیز سایر ترکیبات شیمیایی می‌باشند.

۲- بخش اختلاط (Batch House): در اینجا مواد با هم مخلوط شده برای قسمت کوره آماده می‌شوند. اصطلاحا به این توده مخلوط، Batch گفته می‌شود.

۳- کوره: دمای کوره به اندازه کافی زیاد است تا ماسه و سایر اجزاء را ذوب کند و بصورت شیشه مذاب در آورد. سطح داخلی کوره با آجرهای مخصوصی ساخته شده است که در دوره‌های زمانی مشخص تعویض می‌شوند.

۴- بخش Bushing: شیشه مذاب روی سینی‌های پلاتینی مقاوم حرارتی متعدد، جریان پیدا می‌کند. در این سینی‌ها هزاران روزنه وجود دارد که بوشینگ نامیده می‌شوند.

۵- تشکیل الیاف: جریان شیشه مذاب از درون بوشینگ‌ها بیرون کشیده می‌شود و تا قطر معین نازک می‌شوند، سپس توسط آب یا هوا خنک می‌شوند تا الیاف تشکیل شوند.

-آهار زنی: الیاف مو مانند، با یک مخلوط شیمیایی مایع کهSizing نامیده می‌شود، پوشش داده می‌شوند. آهار زنی به دو علت اصلی انجام می‌شود:

1. برای محفوظ ماندن الیاف از سایش به یکدیگر در طی فرآیند ساخت و کار
2. به منظور حصول اطمینان از چسبندگی الیاف به رزین

دسته (strand): یک دسته از چند تاو (tow) تشکیل شده است و هر تاو بیانگر تعداد لیفهایی (fiber) است که از یک بوش ریسیده می‌شوند به عنوان مثال می‌تواند دویست لیف باشد. مجموعه‌ای از دسته‌ها، یک رشته (roving) نامیده می‌شود. یک تاب مختصر به رشته داده می‌شود تا کار کردن با آن آسانتر شود. برای کامپوزیتهای الیاف پیوسته، انتخاب نوع الیاف، بستگی به فرآیند شکل دهی و میزان آرایش یافتگی الیاف دارد.

تعداد تارهای (filament) یک رشته توسط تکس (tex) بیان می‌شود. به عنوان مثال ۶۰۰، ۲۰۰ ۱ ، ۲۴۰۰ .(tex 1= 1000m/g )

می‌توان رشته‌ها را خرد کرد (chopped) و برای تولید نمد شیشه (strand mat chopped) استفاده کرد. در این حالت از یک بایندر (binder) برای ثابت نگاه شدن الیاف در کنار هم استفاده می کنند. بایندر فوق به هنگام آغشته سازی الیاف با رزین خیس خوردگی (wet-out) را کنترل می‌کند و بنابراین آرایش اتفاقی الیاف در نمد حفظ می‌شود. انتخاب بایندر با توجه به کاربرد مواد انجام می گیرد و دوام یک قطعه کامپوزیتی می‌تواند متأثر از نوع بایندر باشد.

نمدهای الیاف پیوسته ( contruous random mat ) شکل دیگری از الیاف مورد استفاده می‌باشند که در آنها الیاف پیوسته با آرایش اتفاقی نمد درست می‌شود. این شکل از الیاف برای قرار گرفتن در قسمتهای تیز و کنج قالب مناسبند و در این حالت الیاف آن نمی‌شکنند.

همچنین می‌توان از الیاف شیشه با طولهای متفاوت برای کاربرد مستقیم در آمیزه سازی (BMC) استفاده کرد. طول الیاف در نمد (CSM) معمولا بیشتر از mm20 و بلندتر از الیاف مورد کاربرد در آمیزه سازی است. طول الیاف مورد استفاده در رزینهای گرماسخت نیز بیشتر از گرمانرمهاست. انواع پارچه‌ها با بافتهای مختلف نیز از رشته‌های شیشه بافته می‌شود. در شکل‌های ذیل اشکال مختلف الیاف شیشه مشاهده می‌شود.

تقویت کننده‌های کامپوزیت

تقویت کننده های کامپوزیت های زمینه پلیمری به سه دسته تقسیم می شوند:
۱ -پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP)
۲ -پلیمرهای تقویت شده با با الیاف کربن (CFRP)
۳ -پلیمرهای تقویت شده با الیاف آرامید