الیاف شیشه با استحكام بالا

[P O U R I A]

چكیده
شروع تولید الیاف شیشه برای اولین بار در سال 1935 در شهر نوارك ایالت اوهایو انقلابی در تقویت مواد كامپوزیتی بود به طوریكه تولید الیاف شیشه در سال 2000 به 6/2 میلیون تن در سال رسید. در سال 1942 كامپوزیتهای تقویت شده با الیاف شیشه برای اولین بار در سازه های هوافضایی استفاده گردید. در اوایل دهه 1960 الیاف شیشه با مقاومت بالا، S-Glass، باعث بوجود امدن همكاری میان نیروهای هوایی ایالات متحده و شركت اونز كورنینگ گردید. در سال 1968 الیاف نوظهور S-2 Glass كاربردهای تجاری بالایی پیدا كرد. الیاف شیشه با استحكام بالا الیافی هستند كه تركیبی از مقاومت در برابر دماهای بالا، پایداری، شفافیت و حالت ارتجاعی را دارا میباشند و در عین حال ازنظر قیمت، وزن و عملكرد قابل توجیه هستند. سودمندی الیاف شیشه با استحكام بالا از نظر خواص فیزیكی، مكانیكی، الكتریكی، حرارتی، صوتی، اپتیكی و تشعشعی سنجیده میشود.


1- معرفی
مصریان باستان با استفاده از گرما، بوسیله الیاف خشنی از شیشه نرم شده ظروف شیشه ای میساختند. در قرن 18 میلادی دانشمند فرانسوی، ریمور، ملاحظه كرد الیاف شیشه نرم قابلیت شكل پذیری برای تبدیل شدن به پارچه شیشه ای تابیده شده را دارد. الیاف شیشه اولین بار در مقدار قابل ملاحظه توسط شركت اونز كورنینگ در دهه 1930 برای كاربردهای الكتریكی در دمای بالا تولید شد. مواد خام اولیه ازجمله سیلیكات، سودا، خاك رس، سنگ آهك، اسید بوریك، فلور اسپاریا اكسیدهای فلزی مختلف آمیخته شده تشكیل شیشه می دهند كه آن را د ركوره ذوب كرده و در یك مسیر افقی به سمت تقسیم كننده جریان می یابد.
شیشه مذاب به سمت بوشینگ های از آلیاژ پلاتونیوم/ رادیوم جاری شده سپس از داخل بوشینگ های مجزا و اریفیس ها با قطر 03/2-76/0 میلیمتر می گذرد سپس برای جلوگیری از تشكیل كریستال به سرعت بوسیله هوا خنك شده و الیاف با قطر مطلوب 3 تا 35 میكرومتر بدست می آید. الیاف شیشه كه برای مصارف و كاربردهای مختلف با آهار مناسب آهارزنی شده است بوسیله یك قرقره مكانیكی حداكثر با سرعت m/s 61 جمع می گردد. الیاف شیشه با استحكام بالا مانند S-2 Glass تركیبی از آلومینو سیلیكات میباشند كه در دمای بالا به صورت رشته های با قطر مطلوب 5 تا 24 میكرون درمی آیند. انواع مختلف دیگر از شیشه های سیلیكاتی برای تولید پارچه و صنعت كامپوزیت تولید میشوند. تركیبات شیمیایی گوناگون كه در زیر توضیح داده شده براساس استاندارد ASTM C 162 برای بدست آوردن ویژگی ها و خواص و كاربردهای مختلف ایجاد شده است.

-A- Glass شیشه های سودا- آهك- سیلیكات در جایی كاربرد دارند كه مقاومت، ماندگاری و مقاومت الكتریكی خوب E- Glass موردنیاز نمی باشند.
-C- Glass شیشه های كلسیم- بروسیلیكات به علت پایداری شیمیایی در محیطهای خورنده اسیدی استفاده می گردند.
-D- Glass شیشه های بوروسیلیكات ثابت دی الكتریك پایین جهت كاربردهای الكتریكی استفاده می گردند.
-E- Glass شیشه های آلومینا-كلسیم- بوروسیلیكات با حدأكثر درصد وزنی قلیایی 2% برای مصارف عمومی مقاومت و مقاومت الكتریكی بالا مورد نیاز می باشد.
-ECR Glass شیشه های كلسیم-آلومینا سیلیكات با حداكثر درصد وزنی قلیایی 2% برای مصارفی كه مقاومت، مقاومت الكتریكی و مقاومت د ربرابر خوردگی در محیط های اسیدی مطلوب میباشد.
-AR- Glass شیشه های قلیایی پایدار كه از زیر كنیوم سیلیكات ساخته شده و در لایه های سیمانی در بتن كاربرد دارد.
-R- Glass شیشه های كلسیم- آلومینو سیلیكات كه برای تقویت و افزایش مقاومت و مقاومت در برابر خوردگی اسید كاربرد دارند.
- S-2 Glass شیشه های منیزیوم- آلومینو سیلیكات كه در لایه های پارجه ای یا در تقویت سازه های كامپوزیتی كاربرد دارند كه نیاز به استحكام بالا و پایداری در دماهای خیلی بالا و مقاومت در برابر اسید حس میشود.​

2- تركیبات شیمیایی الیاف شیشه
تفاوت تركیبات شیمیایی در انواع شیشه ناشی از تفاوت در مواد خام اولیه یا در فرآیند فرم دهی یا در قیود محیطی در سایت تولید میباشد. این نوسانات شیمیایی تغییر قابل توجهی در خواص شیمیایی و فیزیكی انواع شیشه ایجاد نمی كند. كنترل سخت گیرانه باعث دستیابی به تركیبات ثابت در تولید شیشه می گردد.


3- خواص الیاف شیشه
خواص الیاف شیشه ازجمله مقاومت كششی، مدول یانگ و ماندگاری شیمیایی مستقیماً از الیاف اندازه گیری میشود. خواص دیگر مانند ثابت دی الكتریك ضریب اتلاف مقاومت دی الكتریك، مقاومت حجم/ سطح و انبساط حرارتی از توده های انباشته نمونه آنیل شده به دست می آید. خواصی ازجمله چگالی و ضریب و ضریب شكست در هر دو حالت اندازه گیری می گردد.

 

[P O U R I A]

خواص فیزیكی
چگالی الیاف شیشه در هر دو حالت فرم یافته و یا توده آنیل شده اندازه گیری میشود.
ASTM C 693 یكی از روشهای آزمایش برای تعیین چگالی میباشد. در دمای اتاق چگالی یك رشته از الیاف شیشه تقریباً gr/cc 04/0 از چگالی توده آنیل شده كمتر است. چگالی الیاف شیشه كه در طیف كامپوزیت استفاده می گردند تقریبا بین gr/cc 11/2 برای D-Glass تا gr/cc 7/2 برای ECR-Glass تقویت شده میباشد.
مقاومت كششی الیاف شیشه معمولاً به صورت یك رشته از الیاف و یا یك دسته رشته در دمای اتاق اندازه گیری میشود. استحكام قابل انتظار برای یك دسته معمولاً 20% تا 30% پایین تر از مقادیر گزارش شده است كه این به علت اشكالات موجود در كوره در حین شكل دهی دسته ها میباشد. رطوبت اثر زیان آوری بر مقاومت طبیعی شیشه دارد. اندازه گیری مقاومت طبیعی یك رشته در نیتروژن مایع با كاهش نفوذ رطوبت بهترین دلیل برای این موضوع است. نتایج نشان می دهد در رطوبت نسبی 50% در دمای اتاق مقاومت بین50% تا 100% افزایش می یابد. استحكام حداكثر S-2 Glass در دمای نیتروژن مایع GPa 6/11 برای یك رشته به طول mm 7/12 و قطر mm 10 میباشد. كاهش استحكام شیشه در معرض رطوبت تحت بار خارجی به عنوان خستگی استاتیك شناخته میشود. استحكام طبیعی الیاف شیشه هنگامی كه در برابر افزایش دما قرار می گیرد، كاهش می یابد. E-Glass و S-2Glass در دمای C °538 (F °1000) تقریباً 50% از استحكام طبیعی خود در دمای اتاق را حفظ می كنند.
مدول الاستیسیته یانگ برای الیاف شیشه سیلیكاتی حدودا بین 52 تا 87 گیگاپاسكال میباشد. برای الیاف آنیل نشده مدول یانگ به تدریج افزایش می یابد. در الیاف E-Glass آنیل شده كه ساختار اتمی آن فشرده تر شده است مدول یانگ از GPa 72 به GPa 7/84 افزایش می یابد. برای بیشتر شیشه های سیلیكاتی ضریب پواسان بین 26/0- 15/0 قرار می گیرد.
ضریب پواسون برای E-Glass برابر 02/0 ± 22/0 میباشد و با افزایش دما تا C ° 510 تغییری در آن مشاهده نشده است. الیاف شیشه مقاوم S-2 Glass كه آنیل شده اند در دمای C °20 دارای خواص اندازه گیری شده زیر میباشند:

مدول یانگ GPa 8/93
مدول برشی GPa 1/38
ضریب پواسون 23/0
دانسیته توده انباشته gr/cc 488/2​

2-3- مقاومت شیمیایی
مقاومت شیمیایی الیاف شیشه در برابر خوردگی و شستشو به وسیله اسیدها، بازها و آب بر حسب درصد كاهش وزن بیان میشود. هرچه این مقدار كوچكتر باشد مقاومت شیشه در برابر خوردگی و حلالیت بیشتر است. در مراحل آزمایش یك وزن معین از الیاف شیشه به قطر 10 میكرون كه آهارزنی نشده است در حجم مشخصی از یك حال خورنده در دمای 96 درجه سانتیگراد قرار می گیرد. الیاف در حلال قرار گرفته و پس از زمان معینی از آن خارج شده و پس از شستشو خشك شده و وزن میشوند تا كاهش وزن بدست آید. نتایج در دو حالت 24 ساعت (1 شبانه روز) یا 168 ساعت (1 هفته)قرار گرفتن در حلال، گزارش میشود. مقاومت شیمیایی الیاف شیشه به تركیبات الیاف، نوع حلال خورنده و زمان قرارگرفتن در حلال بستگی دارد.
قابل ذكر است كه خوردگی شیشه در محیط های اسیدی یك فرآیند پیچیده است كه در آغاز سرعت خوردگی زیاد است. (كاهش وزن در 1 روز و 1 هفته نزدیك یكدیگر است) در زمان طولانی تر یك مانع مؤثر در خوردگی شیشه ها این است كه در سطح الیاف فقط مواد خالص باقی می ماند و سرعت خوردگی مواد ناخالص در لایه خالص پایین می آید. در ادامه سرعت خوردگی به نزدیك صفر می رسد به طوری كه تركیبات غیرسیلیسی از بین می روند.
برای یك تركیب مشخص از شیشه سرعت خوردگی به غلظت اسید، دما، قطر الیاف و نسبت حجم حلال به جرم شیشه بستگی دارد. در محیط های قلیایی به علت اثرات قلیایی شبكه و همچنین ته نشین شدن اكسیدهای فلزی اندازه گیری كاهش وزن معقول تر میباشد. مقاومت كششی شاخص بهتری برای خواص الیاف شیشه ته نشین بعد از 24 ساعت قرار گرفتن در حلال در دمای C ° 96 میباشد.

 

[P O U R I A]

خواص الكتریكی
خواص الكتریكی برای یك توده شیشه آنیل شده مطابق مراحل آزمایش ذكر شده میباشد. ثابت دی الكتریك برابر نسبت ظرفیت خازنی یك نمونه بر نسبت ظرفیت خازنی خلا میباشد، ظرفیت خازنی برابر قابلیت مواد برای ذخیره سازی شارژ الكتریكی میباشد. مقادیر permittivity به فركانس تست، دما، ولتاژ، رطوبت نسبی و فرسایش در اثر هوا بستگی دارد. فاكتور اتلاف یك دی الكتریك برابر نسبت مقاومت ظاهری موازی به مقاومت موازی یا تانژانت زاویه كاهش است كه همچنین معكوس فاكتور كیفیت و هنگامی كه مقادیر كوچك است تانژانت زاویه كاهش برابر فاكتور توان یا سینوس زاویه كاهش است، میباشد. فاكتور توان برابر نسبت توان تلف شده برحسب وات بر ولت- آمپر مؤثر است. فاكتور ولت بدون بعد میباشد. تقریباً در تمامی كاربردهای الكتریكی یك ضریب اتلاف پایین مطلوب میباشد كه باعث كاهش ایجاد گرما و اعوجاج در مواد میشود. فاكتور اتلاف معمولاً همزمان با اندازه گیری permittivity اندازه گیری میشود و به مقدار زیادی تحت تأثیر فركانس، رطوبت، دما و غوطه وری در آب میباشد. فاكتور كاهش یا اندیس كاهش در بعضی موارد با فاكتور اتلاف یا تانژانت اتلاف اشتباه گرفته میشود. در واقع فاكتور كاهش محصولی از فاكتور اتلاف permittivity و همچنین متناسب با كاهش انرژی در دی الكتریك میباشد.
تفكیك ولتاژ دی الكتریك برابر ولتاژی است كه در شرایط آزمایش تعیین شده در یك ماده الكتریكی عایق شده قرار گرفته بین دو الكترود ایجاد میشود. هنگامی كه ضخامت ماده عایق شده بین الكترودها دقیقا اندازه گیری شده نسبت تفكیك ولتاژ دی الكتریك برای ضخامت نمونه به عنوان مقاومت دی الكتریك برحسب kv/cm بیان میشود. تفكیك ولتاژ تحت تاثیر شكل هندسی الكترود، ضخامت نمونه (زیرا مقاومت دی الكتریك با ریشه دوم ضخامت نسبت معكوس دارد)، دما، زمان اعمال ولتاژ، فركانس، محیط واسطه، رطوبت نسبی، غوطه وری در آب، خواص جهت دار در پلاستیك های چندلایه و غیرهمگن میباشد.


خواص حرارتی
ویسكوزیته شیشه با افزایش دما كاهش می یابد. در ویسكوزیته های مساوی دمای S-2 Glass بین 150 تا 260 درجه سانتیگراد از E-Glass بالاتر است از این رو دمای كار آن از E-Glass بالاتر است. نقطه نرمی، دمایی است كه در آن لیف شیشه تحت وزن خودش كشیده شده و قطر آن كم میشود ( استاندارد 338 ASTM C ). این حالت تقریبا در ویسكوزیته 10^6/6Pa.s رخ می دهد، نقطه آنیلینگ دمای متناظر تا هریك از دو سرعت ویژه باریك شدن تحت وزن خود شیشه هنگامی كه با استاندارد ASTM C336 سنجیده میشود یا سرعت ویژه نقطه میانی شكست یك تیر شیشه ای وقتی با استاندارد ASTM C598 اندازه گیری میشود، میباشد. در نقطه آنیلینگ تنش های داخلی به طور قابل توجهی در ظرف دقایقی كاهش می یابد. در نقطه آنیلینگ ویسكوزیته تقریباً برابر 10^12 Pa.s است. در نقطه كرنش با هر دو استاندارد ASTM C336 یا ASTM C598 كه برای نقطه آنیلینگ توضیح داده شده اندازه گیری میشود. در نقطه كرنش شیشه، تنش های داخلی به طور قابل توجهی در ظرف ساعاتی كاهش می یابد. ویسكوزیته در نقطه كرنش حدوداً برابر 10^13/5 Pa.s است.

اندازه گیری انبساط قطعات آنیل شده تحت استاندارد ASTM D696 میباشد. یك ضریب انبساط گرمایی پایین تر در شیشه های با استحكام بالا اجازه پایداری ابعاد در دمای حداكثر را می دهد.
اطلاعات گرمایی ویژه با خواندن های متوالی در دماهای بالا بوسیله روشهای كالریمتری ثبت شده است. عموماً ظرفیت گرمایی ویژه میانگین 0/94kj / gk°k در دمای 200°c و در k °1/12kj / gk در نزدیكی دمای ذوب درنظر گرفته میشوند. در حالت مایع این مقدار 1/40kg/kj میباشد. این مقادیر با تقریباً 5%± دقیق میباشند. بالاتر از نقطه ذوب افزایش بیشتری در ظرفیت گرمایی ویژه مشاهده نمیشود. نقطه ذوب تقریبا برابر دمای آنیلینگ برای توده شیشه است. مشخصات هدایت گرمایی در شیشه ها به طور قابل توجهی با مواد كریستالی تفاوت می كند. برای شیشه ها هدایت گرمایی از مواد كریستالی متناظر پایین تر است. همچنین هدایت گرمایی شیشه ها با كاهش دما به صورت پایدار كاهش می یابد تا به مقادیر بسیار پایین می رسد ( تقریبا نزدیك به صفر مطلق). برای كریستال ها هدایت گرمایی با كاهش دما افزایش می یابد تا هنگامی كه به كوچكترین دمای قابل دسترسی برسیم. اطلاعات هدایت گرمایی شیشه ها در میان مواد معمولی شناخته شده متنوع میباشد. در دمای اتاق عموماً شیشه های تركیب شده از سیلیس و شیشه های سیلیكاتی قلیایی هدایت گرمایی مشابهی دارند درحالیكه شیشه های حاوی سرب و باریوم هدایت گرمایی پایین تری دارند. در نزدیكی دمای اتاق هدایت گرمایی طیف 0/55w/m°k برای سیلیكات سرب (80% و 20% دی اكسید سیلیس) تا 1/4w/m°k برای تركیبات سیلیسی شیشه را در بر می گیرد. فردی بنام راتكلیف ضرایب را برای پیش بینی ضرایب هدایت گرمایی برای درصدهای وزنی اكسیدهای تشكیل دهنده شیشه، توسعه داد. برپایه این محاسبه هدایت گرمایی در نزدیكی دمای اتاق، برای C-Glass، 1/1w/m°k برای E-Glass، 1/3w/m°k و برایS-2Glass، 1/45w/m°k به طور تقریبی به دست می آید.


خواص اپتیكی
ضریب شكست نور برای هر دو نوع آنیل شده و آنیل نشده از الیاف محاسبه میشود. استاندارد غوطه وری در سدیم تك رنگ (D light) در دمای 25°c مورد استفاده قرار می گیرد. عموماً شیشه آنیل شده تقریباً بین 003/1 تا 006/1 مقادیر بالاتری را از شیشه های معمولی به ما ارائه می دهند.


خواص تشعشعی
S-2Glass , E-Glass مقاومت عالی در برابر همه انواع تشعشعات هسته ای از خود بروز می دهند. تشعشعات آلفا و بتا تقریباً هیچ اثری ندارند. درحالیكه تشعشعات گاما و بمباران نوترونی بین 5 تا 10 درصد كاهش مقاومت كششی، كمتر از 10 درصد كاهش چگالی و به مقدار ناچیزی رنگ زدایی در پی دارند. این اطلاعات برای نوترونها تا 10^20 NVT و برای تشعشعات گاما تا 10^5 J/G معتبر میباشد. الیاف شیشه در برابر تشعشع مقاومت می كنند زیرا شیشه بدون شكل است و تشعشع آرایش اتمی آن را به هم نمی ریزد. همچنین شیشه میتواند درصد كمی مواد خارجی را جذب كرده و تا حد قابل قبولی خواص خود را حفظ كند.

 

[P O U R I A]

مزایای كامپوزیت های الیافی

كامپوزیت الیافی
كاربردهای كامپوزیت الیاف شیشه به كارگیری مناسب تركیبات شیشه، آهار، جهت الیاف و حجم الیاف برای دربرداشتن خواص مكانیكی، الكتریكی، حرارتی و دیگر خواص مطلوب بستگی دارد.


ماندگاری محیطی
ماندگاری كامپوزیت ساخته شده از الیاف شیشع یكی از خصیصه هایی است كه استفاده كنندگان را به آنها جذب می كند. كامپوزیت ها مانند فلزات خورده نمیشوند و موادی هستند كه احتیاج به نگهداری كمی دارند. به هرحال ماندگاری و اعتبار در كاربردهای ویژه اغلب مطلوب طراحان میباشند. در ساختار یاتاقانهای تحت بار، رفتار طولانی مدت مواد فاكتور مهمی برای طراحی میباشد. چه مقدار بار توسط یك سازه میتوان در یك مدت زمان نگهداشت؟ یا برای نگهداشتن یك مقدار بار در یك مدت زمان چه ضخامتی لازم است؟ پاسخ این سؤالات معمولاً تجربی است و با آزمایش شتاب داده شده بدست می آید. ASTM D3681 , ASTM D2992 دو روشی هستند كه معمولا به كمك هم عملا به ارزیابی طراحی لوله كامپوزیتی می پردازند. در این روش ها نمونه های واقعی محصولات و بارها و محیط شبیه سازی شده برای محصولات تولید میشود. برای آزمایش شتاب داده شده، بارها اهمیت بیشتری نسبت به شرایط عملیاتی در غلبه بر عدم موفقیت در یك زمان كوتاه دارند. برون یابی اطلاعات مختصر حاصل از آزمایش ها برای طول عمر قابل انتظار محصولات به مهندسین اجازه می دهد تا بارها و تنش های عملیاتی مطمئن را طراحی كنند. این روال طی بیش از 30 سال به خوبی در صنعت كامپوزیت به كار گرفته شده است.

برای اثبات این فرآیند، نتایج آزمایش های مختلف گزارش شده اند این آزمایش ها بر روی میله های پالترود شده ساخته شده از الیاف شیشه و رزین ترموست است. این آزمایش ها شبیه مراجع در ASTM است به غیر از شرایط كشش خالص میباشد و كمتر از یك بار ثابت است.
به عنوان مرجع، مقاومت كششی داخلی یك میله كامپوزیت 2070MPa بود. رفتار تنش گسیختگی یك میله S-2Glass اپوكسی در این آزمایش نشان می دهد یك تنش طولانی مدت 65% از تنش كشش های داخلی را دارا میباشد.
یك آزمایش ثانویه تنش گسیختگی كامپوزیت S-2Glass , E-Glass با رزین اپوكسی درمحیط با PH بالا قرار گرفته، مقایسه شده است. میله S-2Glass كامپوزیت تقویت شده تنش كشش داخلی بالاتری نسبت به میله تقویت شده با E-Glass دارد. تاثیر تركیب شده تنش و محیط برای هر دو ماده مشابه است.


منبع: موسسه كامپوزیت ایران/فصلنامه كامپوزیت