مواد اولیه و فرآیندهای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
امروزه در شاتل های فضایی، هواپیماهای تجاری، زیر لایه های الکترونیکی (زیر لایه هایی هستند که اجزای مدارهای الکتریکی نظیر ترانزیستورها یا تقویت کننده ها و یکسو کننده های جریان الکتریکی، دیود ها و مدارهای مجتمع یا آی سی ها روی آنها لایه گذاری می شوند و به نام ویفر شناخته می گردند) و در دوچرخه ها، خودروها، چوب گلف و در بسیاری کاربردهای متنوع دیگر، کامپوزیت های زمینه فلزی به طور آزمایشی استفاده شده است. با وجودیکه کامپوزیت های زمینه آلومینیومی قسمت اعظم کامپوزیت های زمینه فلزی را تشکیل می دهند اما در برخی کاربردهای جدید به خواص مکانیکی نیاز است که ابرآلیاژها، تیتانیم، مس، منیزیم یا آهن از آن خواص برخوردار می باشند. بنابراین در کاربردهای مذکور باید از این فلزات به عنوان ماده زمینه کامپوزیت ها استفاده نمود. لازم به ذکر است که ابرآلیاژ ها در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرند و نسبت به خوردگی و ساییدگی مقاوم می باشند. ضمناً در آلیاژهای مذکور از عناصر آهن، نیکل، کبالت، کروم، تنگستن، مولیبدن و تیتانیم استفاده می گردد.
ccc-1.jpg
کامپوزیت های زمینه آلومینیومی نیز نظیر دیگر کامپوزیت ها از چند جزء ساخته شده اند و سفتی، استحکام، چگالی و رسانایی حرارتی و الکتریکی مواد تشکیل دهنده آنها قابل اصلاح است. به عبارت دیگر در کامپوزیت های زمینه فلزی برای دسترسی به خواص مطلوب می توان آلیاژ زمینه، مواد تقویت کننده، حجم و شکل تقویت کننده، محل تقویت کننده و روش تولید را تغییر داد.
بین کامپوزیت های زمینه آلومینیومی و دیگر کامپوزیت های زمینه فلزی تفاوت هایی وجود دارد اما پایین بودن قیمت کامپوزیت های زمینه آلومینیومی یکی از مزایای مهمی است که بیشتر کامپوزیت های زمینه فلزی از آن بی بهره می باشند. رسانایی حرارتی بالا، استحکام برشی بالا، مقاومت بالا در برابر سایش، دمای عملکرد بالا، غیر قابل اشتعال بودن، خوردگی پایین در مجاورت سوخت و حلال و امکان تولید و فرآوری با تجهیزات و فناوری های رایج از دیگر مزایای کامپوزیت های زمینه آلومینیومی می باشد. کامپوزیت های زمینه آلومینیمی با فرآیند ریخته گری، متالوژی پودر، تقویت کردن به روش درجا و پرس گرم لایه های فویل/ الیاف تولید می گردند. لازم به ذکر است که روش درجا یکی از روشهای جدید ریخته گری است که در آن تقویت کننده در داخل مذاب تولید می شود. در حقیقیت بین فلز مذاب و ماده ای که به آن اضافه شده است، واکنش شیمیایی صورت می گیرد که به تقویت فلز فاز زمینه منجر می گردد.
در حال حاضر تولید کنندگان بزرگی وجود دارند که کامپوزیت های زمینه فلزی را به طور انبوه، با کیفیت بالا و با قیمت پایین در اختیار مصرف کنندگان قرار می دهند. تولید کنندگان مذکور در دیسک ترمز، پیستون و دیگر قطعات خودرو از کامپوزیت های زمینه فلزی استفاده می کنند. به علاوه تولید کنندگانی نیز وجود دارند که در چوب گلف، دوچرخه، قطعات ماشین آلات، در زوایا و شیارهای قطعات اکسترود شده، زیرلایه های الکترونیکی و در کاربردها و سازه های الکترونیکی دیگر از کامپوزیت های زمینه فلزی استفاده می کنند.
در موتور جت ها قطعاتی وجود دارند که در دمای بالاتر از 1000 درجه سانتی گراد کار می کنند. بنابراین کامپوزیت های زمینه ابرآلیاژ تقویت شده با الیاف تنگستن در قطعات مذکور از خود کارایی بالایی نشان می دهند. در صنایع هوافضا نیز از خواص اصلاح شده کامپوزیت های مس-کربن بهره برده می شود. کامپوزیت های مذکور از خواص مکانیکی و رسانایی الکتریکی و حرارتی بالایی برخوردار می باشند.
شکل دهی کامپوزیت های مس-کربن از کامپوزیت تیتانیوم راحت تر است و چگالی آنها از فولاد کمتر می باشد. ماده زمینه کامپوزیت های ابر رسانای چکش خوار، از مس است و تقویت کننده آنها نیز الیاف نیوبیم-تیتانیم می باشد.
در هیت سینک کامپیوتر ها (خنک کننده قطعات سخت افزاری) و در بسته بندی قطعات الکترونیکی نیز از کامپوزیت های زمینه مس تقویت شده با ذرات تنگستن یا ذرات اکسید آلومینیوم استفاده می گردد. در حال حاضر نیز برای هواپیماهای سازمان ناسا، پوسته ای از جنس کامپوزیت زمینه تیتانیم تقویت شده با الیاف سیلیکون کاربید در دست تولید است.
ccc-3.jpg
در کمپرسور موتور جت ها (که هوا را متراکم می کند تا به سمت محفظه احتراق برود) و در سایر قطعاتی که باید در برابر دمای بالا و خوردگی از مقاومت بالایی برخوردار باشند، از فولاد ضد زنگ، فولاد ابزار و اینکونل به عنوان ماده زمینه کامپوزیتهای تقویت شده با ذرات کاربید تیتانیم استفاده می گردد. لازم به ذکر است که اینکونل یک ابرآلیاژ پایه نیکل می باشد و در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
در مقایسه با فلزات آلیاژ نشده، کامپوزیت های زمینه فلزی از نسبت استحکام به چگالی بالاتر، نسبت سفتی به چگالی بالاتر و مقاومت خستگی بهتر برخوردار می باشند. ضمناً کامپوزیت های زمینه فلزی در دماهای بالا، خواص مکانیکی برتر، استحکام بالاتر، خزش کمتر و ضریب انبساط حرارتی پایین تری دارند. به علاوه کامپوزیتهای مذکور در برابر سایش، بیشتر مقاومت می کنند. در مقایسه با کامپوزیت های زمینه پلیمری، کامپوزیت های زمینه فلزی در دماهای بالا از استحکام بیشتر، مقاومت بالاتر در برابر حریق، سفتی و استحکام عرضی بالاتر برخوردار می باشند. کامپوزیت های زمینه فلزی آب را جذب نمی کنند، رسانایی الکتریکی و حرارتی بالاتری دارند، در برابر تابش اشعه ماوراء بنفش بهتر مقاومت می کنند. به علاوه کامپوزیت های زمینه فلزی، گازهای سمی و مواد فرار منتشر نمی کنند. ضمناً می توان قطعات کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ویسکر یا ذرات را با فرآیندهای سنتی شکل دهی (نظیر ریخته گری، نورد، متالوژی پودر، اکستروژن و غیره) تولید نمود. قیمت بالا (بسته به نوع ماده زمینه و تقویت کننده)، فناوری های تولید غیر پیشرفته و خدمات تعمیر و نگهداری، از معایب کامپوزیت های زمینه فلزی به شمار می آیند که در فلزات آلیاژ نشده و کامپوزیت های زمینه پلیمری به چشم نمی خورند. ضمن اینکه کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با الیاف با فرآیندهای پیچیده ای (به جز ریخته گری) تولید می شوند.
با وجودیکه از اواخر دهه 1950 میلادی که کامپوزیت های زمینه فلزی تولید شدندتا به امروز، در این محصولات از مواد زمینه و تقویت کننده های مختلفی استفاده شده است، اما هنوز در فناوری های تولید این کامپوزیت ها، پیشرفت قابل ملاحظه ای به چشم نمی خورد. بدون شک در آینده برای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی روش های پیشرفته تری ابداع خواهد شد.
111.jpg
تقویت کننده های کامپوزیت های زمینه فلزی
تقویت کننده های کامپوزیت های زمینه فلزی به پنج دسته تقسیم می شوند:
1- الیاف ممتد
2- الیاف غیر ممتد
3- ویسکرها
4- ذرات
5- سیم ها​
به جز سیم ها که از جنس فلز می باشند، بقیه تقویت کننده ها از نوع سرامیک (غیر فلزی و غیر آلی) می باشند.
الیاف بور، گرافیت (کربن)، آلومینا و سیلیکون کاربید از مهم ترین الیاف تقویت کننده ممتد می باشند. الیاف بور با فرآیند رسوب شیمیایی فاز بخار عنصر بور بر روی هسته تنگستن یا هسته کربن تولید می شوند. الیاف بور به صورت تک رشته های نسبتاً ضخیم هستند که ضخامت آنها یک دهم، چهارده صدم و دو دهم میلیمتر می باشد. در دماهای بالا به منظور جلوگیری از واکنش شیمیایی ناخواسته بین الیاف بور و فلز زمینه کامپوزیت، الیاف مذکور را با سیلیکون کاربید یا کاربید بور پوشش می دهند. الیاف تک رشته سیلیکون کاربید نیز با فرآیند رسوب شیمیایی فاز بخار روی هسته تنگستن یا هسته کربن تولید می شوند.
یک شرکت ژاپنی الیاف سیلیکون کاربید چند رشته ای را در مقیاس تجاری تولید نموده است.الیاف مذکور با فرآیند گرماکافت (پیرولیزیا تجزیه در اثر گرما) الیاف آلی-فلزی پیش آغشته تولید شده است و خواص آن با خواص سیلیکون کاربید خالص و الیاف تک رشته ای سیلیکون کاربید بسیار تفاوت دارد. چندین تولید کننده نیز وجود دارند که الیاف ممتد آلومینا را به بازار عرضه می کنند.
ساختار شیمیایی و خواص مکانیکی الیاف مختلف با یکدیگر فرق دارند. به عنوان مثال الیاف کربن از دو نوع ماده اولیه پلی اکریلونیتریل و قیر پایه نفتی تولید می شود. تحقیقاتی در حال انجام است تا بتوان الیاف را از قیر پایه ذغال سنگ تولید نمود. الیاف کربن با استحکام و مدول های مختلف در دسترس می باشند. در حال حاضر الیاف آلومینا و الیاف آلومینا-سیلیکا رایج ترین نوع الیاف ممتد هستند. در گذشته از هر دو الیاف مذکور برای آب بندی نمودن استفاده می شد. سیلیکون کاربید نیز از رایج ترین ویسکرهای تقویت کننده کامپوزیت های زمینه فلزی می باشد. کشور آمریکا با فرآیند گرماکافت سبوس برنج، سیلیکون کاربید را در مقیاس تجاری تولید می کند. سیلیکون کاربید و کاربید بور از رایج ترین ذرات تقویت کننده کامپوزیت های زمینه فلزی هستند که به عنوان ساینده مصنوعی مورد استفاده قرار می گیرند. به علاوه ذرات سیلیکون کاربید از محصولات جانبی فرآیند تولید ویسکر سیلیکون کاربید است. برخی از سیم های فلزی نظیر تنگستن، بریلیم، تیتانیم و مولیبدن به عنوان تقویت کننده کامپوزیت های زمینه فلزی مورد استفاده قرار می گیرند. امروزه در ابرآلیاژ ها و ابررساناها از سیم تنگستن به همراه آلیاژ نیوبیم-تیتانیم و نیوبیم-قلع برای تقویت کامپوزیت های زمینه مس استفاده می گردد.
امروزه تمامی تقویت کننده های مذکور در تولید کامپوزیت های زمینه فلزی نقش مهمی ایفا می کنند. طی چند دهه اخیر روی تقویت کننده های دیگر نیز تحقیقاتی صورت گرفته است. بدون شک در آینده نیز تقویت کننده های جدیدی به بازار خواهند آمد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مقایسه مهم ترین مواد زمینه (محمل) کامپوزیت های زمینه فلزی
فلزات زیادی وجود دارند که به عنوان ماده زمینه کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرند. آلومینیوم، تیتانیوم، منیزیم، آلیاژهای مس و ابرآلیاژها از مهم ترین فلزات زمینه کامپوزیت ها هستند.
کامپوزیت های زمینه آلومینیوم با الیاف ممتدی نظیر الیاف بور، سیلیکون کاربید، آلومینا و کربن تقویت می گردند. به علاوه می توان کامپوزیت های مذکور را با الیاف غیر ممتدی نظیر الیاف آلومینا، آلومینا-سیلیکا نیز تقویت نمود. ویسکرهایی نظیر سیلیکون کاربید و ذرات سیلیکون کاربید و کاربید بور نیز جزو تقویت کننده های کامپوزیت های زمینه فلزی می باشند.
کامپوزیت های زمینه منیزیم نیز از مهم ترین نوع کامپوزیت های زمینه فلزی هستند که با الیاف ممتدی نظیر الیاف کربن و آلومینا و با ویسکرهایی نظیر سیلیکون کاربید و با ذراتی نظیر کاربید تیتانیم تقویت می شوند. کامپوزیت های زمینه مس نیز نوعی دیگر از کامپوزیت های زمینه فلزی هستند که با الیاف ممتد کربن و سیلیکون کاربید و با سیم نیوبیم-تیتانیم و نیوبیم-قلع و با ذرات سیلیکون کاربید بور و کاربید تیتانیم تقویت می گرند.سیم تنگستن نیز از ابرآلیاژهایی است که به عنوان ماده زمینه کامپوزیت ها مورد استفاده قرار می گیرد.


خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه فلزی و نکاتی که هنگام طراحی آنها با ید مورد توجه قرار گیرد
کامپوزیت های زمینه فلزی از خواص مکانیکی برجسته ای برخوردار می باشند و از این رو کامپوزیت های مذکور بسیار مورد توجه قرار گرفته اند.
در کامپوزیت های زمینه فلزی نیز نظیر دیگر کامپوزیت ها، اگر ماده زمینه و تقویت کننده به درستی انتخاب گردند و اگر تقویت کننده در جهت مناسبی قرار گیرد، می توان خواص مکانیکی کامپوزیت را به گونه ای اصلاح نمود که قطعه ای طبق نیاز مشتری طراحی گردد. به عنوان مثال با وجود محدودیت های زیادی که در طراحی کامپوزیت های زمینه فلزی وجود دارد، می توان استحکام و سفتی آنها را در یک جهت افزایش داد و در جهت دیگر نیز ضریب انبساط حرارتی آنها را بالا برد.
در طراحی فلزات آلیاژ نشده به ندرت می توان چنین کاری انجام داد. فلزات آلیاژ نشده از خواص همسانگرد برخوردار می باشند. به عبارت دیگر خواص مکانیکی آنها در تمام جهات یکسان است. توسط برخی فرآیندهای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی نظیر نورد، می توان به کامپوزیت خواص ناهمسانگرد بخشید و خواص آن را در جهات مختلف تغییر داد.
هنگامی که مواد تحت بارگذاری قرار می گیرند، مفاهیم تنش و کرنش معنا پیدا می کند. تنش عبارتست از تقسیم نیرو بر واحد سطح و کرنش عبارتست از نسبت تغییر طول نمونه به طول اولیه آن. به علاوه مواد جامد در اثر نیروهای خارجی تغییر شکل می دهند. اگر به یک جسم جامد مقدار محدودی نیرو وارد شود، پس از اعمال بار، جسم به ابعاد اولیه خود بر می گردد که به آن رفتار کشسان می گویند. بیش از این نیرو، دیگر جسم از خود رفتار کشسان (الاستیک) نشان نمی دهد که به آن حد کشسان گفته می شود. در صورتی که نیروی وارده به جسم از حد کشسان تجاوز کند، تغییر شکل به وجود آمده در اثر بارگذاری از بین نمی رود که به این تغییر شکل دائم، تغییر شکل مومسان (پلاستیک) می گویند.
معمولاً در فلزات آلیاژ نشده تنش و کرنش به صورت رفتار کشسان و مومسان بیان می گردد. بیشتر کامپوزیت های زمینه فلزی، خاصیت چکش خواری و چقرمگی بالایی از خود نشان می دهند. خواص مکانیکی بسیاری از کامپوزیت های زمینه فلزی با یکدیگر تفاوت فاحشی دارند.


عواملی که روی خواص مکانیکی کامپوزیت های مذکور تاثیر می گذارند عباتند از:
-خواص، شکل و آرایش هندسی تقویت کننده​
-کسر حجمی تقویت کننده​
-خواص مکانیکی ماده زمینه، این خواص در اثر منافذ ایجاد شده در ماده زمینه افت می کنند​
-خواص پوششی که روی تقویت کننده قرار می گیرد و رابط بین تقویت کننده و ماده زمینه است​
-تنش های پسماند ناشی از عملیات حرارتی و مکانیکی روی کامپوزیت های زمینه فلزی​
-افت خواص مکانیکی تقویت کننده در دمای بالا و در اثر واکنش های شیمیایی ناخواسته ای که بین ماده زمینه و تقویت کننده صورت می گیرد و آسیب های مکانیکی که حین فرآیند تولید و در اثر ضربه در کامپوزیت های زمینه فلزی ایجاد می گردد​


کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ذرات نیز، نظیر فزات آلیاژ نشده از خواص همسانگردی برخوردار می باشند. وجود تقویت کننده های ترد و شکننده و وجود اکسیدهای فلزی باعث می گردند که خاصیت چکش خواری و چقرمگی کامپوزیت های مذکور کاهش یابد. با استفاده از الیاف تقویت کننده ممتد می توان برخی از این معایب را برطرف نمود.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه فلزی و نکاتی که هنگام طراحی آنها باید مورد توجه قرار گیرد
خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ویسکرها به، جهت قرار گرفتن تقویت کننده بستگی دارد. ویسکرهایی که به صورت اتفاقی در ماده زمینه توزیع شده باشند، سبب می گردد که کامپوزیت زمینه فلزی از خواص همسانگردی برخوردار گردد. با استفاده از فرآیندهایی نظیر اکستروژن می توان ویسکرها را در جهت خاصی توزیع نمود و به این ترتیب به کامپوزیت خواص ناهمسانگرد بخشید. استفاده از ویسکرها به عنوان تقویت کننده کامپوزیت زمینه فلزی باعث می گردد که خاصیت چکش خواری و چقرمگی کامپوزیت کاهش یابد.
کامپوزیت های زمینه فلزی که در آنها الیاف تقویت شده در جهت خاصی چیده شده اند، از خواص ناهمسانگرد برخوردار می باشند. استحکام و سفتی کامپوزیت های مذکور در جهت الیاف بیشتر از استحکام و سفتی آنها در جهت عمود بر الیاف می باشد. کامپوزیت های زمینه فلزی که با الیاف تک جهته تقویت شده اند (کامپوزیت هایی که الیاف تقویت کننده آنها به صورت موازی با یکی از محور ها قرار گرفته اند)، از استحکام و سفتی عرضی بالایی برخوردار می باشند، از این رو در قطعاتی نظیر دسته موتورها و کمک فنرها که به عنوان ارتعاش گیر خودرو مورد استفاده قرار می گیرند، از کامپوزیت های مذکور بهره برده می شود. یکی از مزایای کامپوزیت های زمینه فلزی مذکور نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری نیز بالا بودن استحکام عرضی آنها می باشد.
مدول و استحکام فلزات زمینه کامپوزیت ها از مدول و استحکام بیشتر الیاف تقویت کننده کامپوزیت ها بالاتر است. به همین علت خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه فلزی بسیار به خواص فلز زمینه وابسته است.
غالباً منحنی تنش-کرنش کامپوزیت های زمینه فلزی به صورت غیر خطی است و علت آن هم استحکام تسلیم ماده زمینه می باشد. استحکام تسلیم (تنش تسلیم)، تنشی است که در آن تغییر شکل کشسان ایجاد می گردد.
اختلاف زیاد بین ضریب انبساط حرارتی ماده زمینه و تقویت کننده، عامل دیگری است که روی خواص مکانیکی کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با الیاف تاثیر می گذارد. این اختلاف سبب می گردد که هرگاه کامپوزیت های زمینه فلزی در معرض تغییرات شدید دمایی قرار گیرند، در آنها تنش پسماند افزایش یابد. تنش پسماند تنشی است که در اثر انجام عملیات خاصی در جسم باقی می ماند و حتی اگر جسم تحت هیچ بارگذاری خارجی نیز نباشد این تنش از بین نمی رود. در واقع پس از عملیات شکل دهی که دما پایین می آید، تنش پسماند ناشی از حرارت در ماده زمینه به قدری بالاست که باعث تنش تسلیم (تغییر شکل کشسان) می گردد. بارهای مکانیکی نیز تنش های پسماند زیادی ایجاد می کنند.
منحنی تنش-کرنش کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با الیاف در برخی نواحی به صورت غیر خطی است، با این وجود کامپوزیت های مذکور نیز مانند کامپوزیت های زمینه پلیمری مواد ترد و شکننده ای می باشند. لازم به ذکر است که در ناحیه کشسان (الاستیک) منحنی تنش-کرنش، باید تنش با کرنش رابطه خطی داشته باشد. هرگاه مقدار تنش از استحکام تسلیم بیشتر شود، نمونه تغییر شکل مومسان (پلاستیک) را تحمل می کند. پس از آن نیروی لازم برای ادامه تغییر شکل افزایش می یابد ولی این افزایش به صورت خطی نیست. اگر بعد از تغییر شکل مومسان نیرو به صفر کاهش پیدا کند مقداری تغییر شکل دائمی در نمونه باقی خواهد ماند. نیرو یا تنش لازم برای ادامه تغییر شکل پلاستیک با افزایش کرنش مومسان زیاد می شود و به عبارت دیگر جسم سخت می شود. در منحنی تنش-کرنش کامپوزیت های زمینه فلزی، درصد ازدیاد طول و کاهش سطح مقطع، معرف چکش خواری (شکل پذیری) هستند. هنگام اتصال مواد ترد و شکننده ای نظیر کامپوزیت های زمینه فلزی، برای کاهش تمرکز تنش و جلوگیری از ترک باید از روش های مناسبی استفاده نمود. از میان این روش ها می توان به متالوژی پودر، استفاده از چسب های پلیمری و استفاده از اتصال دهنده های مکانیکی نظیر پیچ، مهره و پرچ اشاره کرد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
روش های تولید کامپوزیت های زمینه فلزی
در تولید مواد ساختاری نظیر کامپوزیت های زمینه فلزی، استفاده از روش های مناسب بسیار حائز اهمیت است. به همین منظور تا کنون تلاشهای زیادی صورت گرفته است تا فرآیندهای تولید نوینی ابداع گردد. احتمالاً در آینده نزدیک، یا فرآیندهای تولید رایج ارتقاء می یابد و یا روش های تولید کاملاً جدیدی روی کار خواهند آمد. روش های تولید رایج به دو دسته مهم فرآیند های اولیه و فرآیندهای ثانویه تقسیم می شوند.
در فرآیندهای اولیه برای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی از مواد تشکیل دهنده کامپوزیت های مذکور استفاده می گردد. کامپوزیت تولید شده به این روش، یا نزدیک به شکل نهایی است و یا اینکه برای شکل گیری به فرآیندهای تولید دیگری نظیر شکل دهی، نورد، متالوژی پودر و ماشینکاری نیاز دارند که فرآیندهای ثانویه نامیده می شوند. فرآینهای ثانویه بسته به نوع ماده زمینه و ماده تقویت کننده کامپوزیت انتخاب می گردند.
طی فرآیند های اولیه و ثانویه که در دماهای بالا اجرا می گردند و در آنها فلزات ذوب می شوند و به آنها شکل داده می شود، بین ماده زمینه و تقویت کننده، واکنش های شیمیایی صورت می گیرد که باید بسیار مورد توجه قرار گیرند. به همین علت برای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی باید از ماده زمینه و تقویت کننده مناسبی استفاده گردد تا حین فرآیند تولید بین آنها واکنش شیمیایی مضر رخ ندهد. از اینروست که انتخاب مواد اولیه کامپوزیت های زمینه فلزی با محدودیت هایی رو برو می باشد. گاهی اوقات ماده تقویت کننده را با یک روکش محافظ، پوشش می دهند و به این ترتیب بدون اینکه بین ماده زمینه و تقویت کننده واکنش شیمیایی ناخواسته ای صورت بگیرد، ماده تقویت کننده به ماده زمینه آغشته می گردد. به عنوان مثال الیاف بور را با روکشی از کاربید بور پوشش می دهند و کامپوزیت زمینه تیتانیم را با آن تقویت می کنند.
دمای عملکرد و مدت خدمت رسانی کامپوزیت های زمینه فلزی به واکنش های شیمیایی بستگی دارد که بین ماده زمینه و تقویت کننده صورت می گیرد و از وقوع آنها نیز نمی توان جلوگیری نمود. حتی اگر الیاف روکش شده باشند.
الیاف تک رشته ای بور و سیلیکون کاربید که نسبتاً ضخیم هستند، به فلز زمینه کامپوزیت اضافه می شوند و توسط پرس داغ به صورت لایه ای از الیاف موازی بین ورق فلزی قرار می گیرند و به این ترتیب یک نوار کامپوزیتی تک لایه تشکیل می شود. در این عملیات، فلز مذاب در اطراف الیاف جریان می یابد و اتصال نفوذی به وقوع می پیوندد. اگر قرار باشد کامپوزیت زمینه فلزی مذکور طبق سفارش مشتری طراحی گردد، از همین فرآیند استفاده می شود و الیافی که در جهت خاصی چیده شده اند به صورت نوارهایی در می آیند و توسط اتصال نفوذی به یکدیگر می چسبند و به این ترتیب کامپوزیت از ضخامت، استحکام و سفتی مورد نیاز مشتری برخوردار می گردد. در برخی نمونه ها فرآیند پرس داغ که برای تولید نوارهای تک لایه مورد استفاده قرار می گیرد، همان فرآیند ثانویه تولید کامپوزیت زمینه فلزی می باشد.
با فرآیند پاشش فلز بر روی الیاف موازی به روش پلاسما که با فرآیند پرس داغ همراهی می شود نیز می توان نوارهای تک لایه کامپوزیت زمینه فلزی را تولید نمود. می توان با فرآیند شکل دهی خزشی و شکل دهی ورق های ابر پلاستیک در قالب، شکل های ساختاری را تولید نمود و در نهایت الیااف و لایه هایی که به هم نچسبیده اند را داخل قالب قرار داد و با فرآیند پرس داغ آنها را به هم فشرده نمود.
لازم به ذکر است که شکل دهی خزشی یکی از روش های نوین شکل دهی فلزات است که در آن قطعه فلزی برای مدت زمان معین و در دمای بالا، داخل کوره قرار می گیرد تا در آن خزش ایجاد گردد و تنش های وارد بر قطعه آزاد گردد.
ارتعاش گیر هایی که در شاتل های فضایی مورد استفاده قرار می گیرند و از جنس کامپوزیت زمینه آلومینیوم تقویت شده با الیاف بور می باشند، از نوارهای تک لایه ای تشکیل شده اند که به دور سنبه ای پیچیده شده اند. نوارهای مذکور تحت فرآیند پرس ایزوستاتیک گرم قرار می گیرند و به این ترتیب لایه های این نوار آلومینیومی از طریق اتصال نفوذی به یکدیگر می چسبند. در این میان فرآیند دیگری نیز به طور همزمان انجام می شود و آن هم این است که لایه های این نوار کامپوزیتی از طریق اتصال نفوذی به چسب تیتانیم (چسب مخصوص فلز که بین سنبه و نوار ارتعاش گیر اعمال شده است) می چسبند.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
روش های تولید کامپوزیت های زمینه فلزی (ادامه)
از طریق نفوذ فلز مذاب به داخل پارچه یا نفوذ فلز مذاب به داخل ساختاری از جنس الیاف که به شکل نهایی تولید شده است و به آن پیش شکل داده شده می گویند نیز می توان کامپوزیت های زمینه فلزی را تولید نمود.
برای نگاه داشتن الیاف پیش شکل داده شده در سر جای خود، از چسب مخصوص سرامیک یا از چسب های آلی استفاده می شود. چسب های آلی قبل از نفوذ فلز مذاب به داخل الیاف یا حین نفوذ به آن تبخیر می شوند. فرآیند نفوذ فلز مذاب به داخل الیاف، تحت خلاء یا فشار یا هردوی آنها صورت می گیرد. در فرآیند نفوذ تحت فشار که به آن فرآیند ریخته گری تحت فشار نیز می گویند، الیاف، بهتر با ماده زمینه آغشته می گردند و به این ترتیب در کامپوزیت خلل و فرج کمتری ایجاد می شود.
در مقایسه با انواع روش های سنتی تولید کامپوزیت های زمینه فلزی، استفاده از روش ریخته گری سبب می گردد که قطعاتی به شکل نهایی یا نزدیک به شکل نهایی و با سفتی واستحکام بالاتر تولید گردند. به علاوه هزینه تولید قطعات کامپوزیتی که با فرآیند ریخته گری تولید می شوند از هزینه تولید قطعاتی که با دیگر روش های تولید کامپوزیت تولید می گردند کمتر است. ضمن اینکه قطعات مذکور چه در اندازه بزرگ تولید شوند و چه در اندازه کوچک، از ثبات ابعادی برخوردار می باشند. به عنوان مثال شرکت دور الکان که تولید کننده دستگاه های بستنی ساز می باشد، در دستگاه های مذکور و در آزمایشگاه های کنترل کیفیت خود سالانه 12.5 میلیون کیلوگرم کامپوزیت زمینه آلومینیوم استفاده می نماید. شرکت سرکاست با استفاده از فناوری ریخته گری انحصاری خود، ورق های مخزن بستنی ساز مذکور را به شکل نهایی تولید می کند. شرکت آلومینیوم آمریکا (آلکوا) نیز با فرآیند ریخته گری تحت فشار، قطعات این دستگاه بستنی ساز که از خواص مکانیکی بالایی برخوردار می باشند را به شکل نهایی تولید می کند. شرکت لاتکساید هم با فرآیند ریخته گری بدون فشار برای دستگاه های بستنی ساز شرکت دورالکان قطعاتی در شکل نهایی تولید می کند. به این ترتیب هزینه تولید دستگاه مذکور کاهش یافته است.
امروزه برای تولید کامپوزیت های زمینه آلومینیوم تقویت شده با الیاف کربن و کامپوزیت های زمینه منیزیم تقویت شده با الیاف کربن از فرآیند اتصال نفوذی استفاده می شود. به این ترتیب که ابتدا الیاف کربن در کوره قرار میگیرند تا آهار آنها از بین برود. سپس الیاف کربن تحت فرآیند رسوب دهی شیمیایی فاز بخار قرار می گیرند و پوششی از تیتانیم و بور روی آنها ایجاد می شود و به این ترتیب الیاف کربن به خوبی با آلومینیوم یا منیزیم مذاب زمینه آغشته می گرند. آنگاه بلافاصله الیاف مذکور از حمام آلومینیوم یا منیزیم مذاب عبور می کنند و به این ترتیب دسته الیافی تولید می شود که ماده زمینه به درون آنها نفوذ کرده است و به آن سیم گفته می شود. برای تولید ورق ها و دیگر شکل های ساختاری باید فرآیند ثانویه ای به کار گرفته شود. به این ترتیب که سیم ها بین ورق های نازکی (فویل) قرار می گیرند و پرس می شوند. الیاف تک رشته نیز با همین فرآیند به شکل ورق در می آیند. اخیراً برای الیاف، پوششی تولید شده است که در هوا پایدار می باشد و برای تهیه آن از فرآیندهای اتصال نفوذی دیگری نظیر ریخته گری استفاده می گردد و به این ترتیب مرحله تولید سیم حذف می شود. فرآیندهای دیگری نیز در دست بررسی است که با کمک آن بتوان برای الیاف تقویت کننده کامپوزیت زمینه فلزی پوشش مناسبی تولید نمود.
برای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی تیتانیم از فرآیند تولید ثانویه ای استفاده می گردد که در آن با فرآیند اتصال نفوذی، برای الیاف تقویت کننده، یک پوشش ابر پلاستیک تولید می گردد. برای پایین آوردن هزینه تولید کامپوزیت زمینه تیتانیم، از فرآیندهای پیوسته ای نظیر پالتروژن و نورد گرم استفاده می گردد.
برای تولید کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ویسکرها و ذرات، از سه فرآیند اولیه استفاده می گرددکه جزئیات آنها در اختیار خود تولید کننده می باشد. اما طبق اطلاعات به دست آمده، در دو فرآیند از فرآیندهای مذکور از پودر فلز و در دیگری از فلز مذاب استفاده می شود. دو فرآیندی که در آنها از پودر فلز استفاده شده است، از لحاظ مخلوط کردن مواد اولیه کامپوزیت با یکدیگر تفاوت دارند. در یکی از این فرآیندها برای مخلوط کردن مواد اولیه از آسیاب گلوله ای (که با استفاده از چندین ساچمه فلزی یا سرامیکی، ذرات درشت را خرد می کند) استفاده می شود و در فرآیند دیگر جهت بهتر مخلوط شدن مواد اولیه از یک مایع استفاده می گردد که پس از اتمام فرآیند اختلاط، این مایع از مخلوط خارج می شود. مخلوط هایی که به این ترتیب به دست آمدند تحت فرآیند پرس داغ قرار می گیرند و به ورق تبدیل می گرند. سپس برای شکل دادن به کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ویسکر ها و ذرات از فرآیندهای ثانویه ای استفاده می گردد. فرآیندهای مذکور همان فرآیندهای نورد، اکستروژن، ریسندگی مذاب، آهنگری، شکل دهی خزشی و ماشینکاری هستند که در تولید فلزات آلیاژ نشده نیز مورد استفاده قرار می گیرند. از آنجا که کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ویسکرها و ذرات از استحکام بالایی برخوردار هستند، ماشینکاری آنها دشوار می باشد.


منبع: موسسه کامپوزیت ایران- نشریه الکترونیکی کامپوزیت
 

Similar threads

بالا