2-11- انواع دسته بندي هاي مواد كامپوزيتي

1-2-11- دسته بندي كامپوزيت ها از ديدگاه زيستي

الف) كامپوزيت هاي طبيعي مانند استخوان، ماهيچه، چوب و …

ب) كامپوزيت هاي مصنوعي (مهندسي)

2-2-11- دسته بندي كامپوزيت هاي مهندسي

از لحاظ فاز زمينه

الف) كامپوزيت هاي با زمينه سراميكي¹

به دليل مقاومت بالا در برابر اكسايش در دماي بالا، با وجود احتمال شكست ترد، بهترين گزينه براي استفاده در دماي بالا و تنش هاي شديد است. به ويژه در قطعات موتور خودرو و توربين هاي گازي هواپيما چقرمگي شكست اين كامپوزيت ها معمول است. چقرمگي شكست نسل جديد و توسعه يافته كامپوزيت هاي زمينه سراميكي كه بصورت ذره اي، رشته اي از مواد سراميكي است. اين بدان دليل است كه تركي كه در زمينه ايجاد ميشود توسط ذرات، رشته ها يا ويسكرها نه تنها اشاعه نمي یابد بلكه از اشاعه آن ممانعت به عمل مي آيد. كامپوزيت هاي زمينه سراميكي را با روش هاي پرسكاري گرم، پرسكاري ايزوستاتيك گرم و زينتر كردن فاز مذاب توليد مي كنند. آلومينيوم هاي تقويت شده با ويسكرهاي SiC به عنوان ابزار برش در ماشينكاري آلياژهاي فلزي سخت استفاده ميشوند. سراميك هاي پيشرفته داراي ويژگي هاي مطلوبي مانند سختي، استحكام بالا، تحمل دماهاي بالا، خنثی بودن شيميايي، مقاومت در برابر فرسايش و چگالي كم هستند. ولي در برابر بارهاي كششي و ضربه ضعيف هستند و برخلاف فلزات، از خود انعطافپ ذيري نشان نميدهند و مستعد شكست تحت بارهاي مكانيكي و شوك حرارتي هستند. اگر مقايسه اي بين سراميك ها و ديگر مواد داشته باشيم، بايد گفت كه سراميك ها تنها گروه از مواد هستند كه در دماهاي بالا قابل استفاده اند و داراي سختي، استحكام و مدول الاستيك بالاتري از فلزات و پليمرها مي باشند. همچنين چگالي، ضريب انبساط حرارتي و هدايت الكتريكي و حرارتي كمي دارند. به ويژه چگالي و انبساط حرارتي كم سراميك ها اهميت زيادي در اغلب كاربردها دارد. اگرچه نسبت مدول الاستيسيتة تقويت كننده و زمينه در كامپوزيت هاي زمينه فلزي و پليمري عموماً بين 10 و 100 است ولي براي كامپوزيت زمينه سراميكي، اين نسبت معمولاً برابر يك يا كمتر از آن است. نسبت مدول بالا در كامپوزيت هاي زمينه فلزي و پليمري، سبب انتقال مؤثر بار از زمينه به تقويت كننده ميشود. درحاليكه در يك كامپوزيت سراميكي، زمينه و تقويت كننده در توانايي تحمل بار اختلاف زيادي ندارند؛ به اين معنا كه هدف از ساخت كامپوزيت سراميكي، افزايش استحكام نيست. مگر آنهايي كه زمينه آنها مدول الاستيسيتة كمي دارند (مانند زمينه- هاي شيشه اي). از حوزه هاي مهم در تهيه كامپوزيت هاي زمينه سراميكي انواع گوناگون شيشه، سراميك ها و سراميك هايي همچون كربن، كاربيد سيليسيوم، نيتريد سيليسيوم، آلومينات ها و اكسيدها است. تقويت كننده هاي مورد استفاده عبارت اند از كاربيدها، بوريدها، نيتريدها و كربن. كامپوزيت هاي زمينه سراميكي تنها كامپوزيت هايي هستند كه بالاي 900 درجه سانتيگراد استحكام خود را حفظ ميكنند. عمده ترين كامپوزيت هاي زمينه سراميكي عبارت اند از:

– كامپوزيت هاي كربن/كربن

– كامپوزيت هاي آلومينا SiC

– كامپوزيت هايي با زمينه Si3N4 يا SiC تقويت شده با الياف پيوسته SiC و كربن.

معمولاً كاربرد كامپوزيت هاي سراميكي به دو دسته هوافضايي و غير هوافضايي تقسيم ميشوند. در كاربردهاي هوافضايي مساله اصلي، عملكرد كامپوزيت است. درحاليكه در كاربردهاي غير هوافضايي عامل قيمت بسيار مهم است. كامپوزيت هاي سراميكي با الياف پيوسته، عموماً داراي خواص مكانيكي ويژه بالايي هستند و ميتوانند در كاربردهاي هوافضايي دماي بالا به كار گرفته شوند. كامپوزيت هاي كربن/كربن با پوشش SiC بعنوان محافظ حرارتي در شاتل هاي فضايي استفاده شده است و كامپوزيت هاي كاربيد سيليسيم/كربن مواد مناسبي براي هواپيماها هستند.

ب) كامپوزيت هاي با زمينه پليمري1

كامپوزيت هاي زمينه پليمري از يك رزين پليمري (پلاستيك تقويت شده مولكول درشت) بعنوان زمينه با رشته هايي بعنوان عامل تقويت كننده تشكيل شده است. از ويژگي هاي اين دسته از كامپوزيت ها، كاربرد متنوع و گسترده، خواص خوب در دماي محيط، سهولت گساخت و هزينه كم است. اين نوع كامپوزيت ها بر اساس نوع تقويت شدن به شيشه اي، كربني و آراميد تقسيم ميشوند. كامپوزيت هاي پليمري رشته شيشه اي شامل رشته هاي شيشه اي پيوسته يا ناپيوسته در زمينه پليمري است. در آينده بجاي شيشه بيشتر از كربن بعنوان رشته تقويت كننده در كامپوزيت هاي پليمري استفاده خواهد شد، چون رشته هاي كربني بيشترين استحكام ويژه و مدول ويژه را در ميان مواد رشته هاي تقويت كننده دارا هستند. رشته هاي آراميد موادي با استحكام و مدول بالا هستند كه در اوايل دهه 1970 عرضه شدند. در كامپوزيت هاي زمينه پليمري، غير از سه نوع رشته تقويت كننده شيشه اي، كربني و آراميد گاه از بور، كاربيد سيليسيم و اكسيد آلومينيم در حد محدودي استفاده ميشود. رشته هاي بور در اجزاي هواپيماهاي نظامي، تيغه هاي پره بالگرد و برخي وسايل ورزشي بكار ميرود. از رشته كاربيد سيليسيم و آلومينا در راكت هاي تنيس، مدار چاپي و دماغه مخروطي موشك استفاده ميشود.

ج) كامپوزيت هاي با زمينه فلزي²

در كامپوزيت هاي زمينه فلزي زمينه عبارت است از يك فلز انعطاف پذير، مزاياي اين نوع كامپوزيت نسبت به كامپوزيت هاي زمينه پليمري شامل دماي عملكرد بالاتر، شعله پذير نبودن و مقاومت بيشتر در برابر تهاجم سيالات آلي است. البته هزينه آنها بيشتر و در نتيجه استفاده از آنها محدودتر است. از سوپر آلياژها، آلياژهاي آلومينيم و منيزيم، تيتانيم و مس بعنوان مواد زمينه استفاده ميشود. مواد تقويت كننده ممكن است به شكل ذرات، رشته هاي پيوسته و ناپيوسته و يا ويسكرها باشند كه 10 الي 60% حجمي كامپوزيت را تشكيل ميدهند. رشته هاي پيوسته شامل كربن، كاربيد سيليسيم، بور، آلومينا و فلزات ديرگداز است. رشته هاي ناپيوسته از ذرات همين مواد تشكيل ميشوند. خودروسازان اخيراً در محصولات خود شروع به استفاده از كامپوزيت هاي زمينه فلزي كرده اند. بعنوان نمونه برخي قطعات موتور از زمينه آلياژهاي آلومينيم تقويت شده با رشته هاي آلومينا و كربن توليد شده كه سبك وزن تر هستند و مقاومت آنها در برابر سايش و اعوجاج حرارتي بيشتر است استفاده از اين نوع كامپوزيت ها در محورهاي محرك كه سرعت چرخش بالاتر و ميزان كمتر سروصداي ناشي از ارتعاش را به همراه دارد، صورت گرفته است. صنايع هوافضا نيز از اين نوع كامپوزيت ها بهره ميبرد بعنوان نمونه در قطعات تلسكوپ فضائي هابل از رشته هاي گرافيتي پيوسته استفاده شده است.

3-2-11- دسته بندي كامپوزيت ها از لحاظ نوع تقويت كننده¹:

الف) كامپوزيت هاي تقويت شده با فيبر²

ازلحاظ فّناورانه، مهمترين كامپوزيت ها، آنهايي هستند كه فاز پراكنده شده به شكل رشته است. كامپوزيت هاي رشته اي تقويت شده استحكام و يا سفتي بالائي دارند. اين ويژگي بعنوان عواملي نظير استحكام ويژه و مدول ويژه بالا ميشود. دو زير گروه اين دسته از كامپوزيت ها بر اساس طول رشته تعيين ميشوند. خواص مكانيكي اين كامپوزيت ها به خواص رشته و ميزان نيروي منتقل شده به رشته از سوي فاز زمينه بستگي دارد. بنابراين طول بحراني رشته در استحكام دهي و سفت سازي مؤثر كامپوزيت نقش به سزايي دارد. خواص مكانيكي اين نوع كامپوزيت ها به رفتار تنش – كرنش رشته و فاز زمينه، درصد حجمي فاز و جهت اعمال نيرو بستگي دارد. هم راستا بودن رشته ها، رفتار غير هم راستايي را در خواص به دنبال دارد. در اين حالت بسته به جهت طولي اعمال نيرو، جهت عرضي و عمود برجهت رشته ها رفتار تنش – كرنش متفاوت خواهد بود. هر چه قطر رشته كوچكتر باشد، رشته مستحكم تر از ماده زمينه خواهد بود. موادي كه بعنوان رشته هاي تقويت كننده بكار ميرود، استحكام كششي بالايي دارند. بر اساس قطر و مشخصه رشته ها به 3 دسته تقسيم ميشوند: ويسكرها، رشته ها و سيم ها.

ويسكرها تك بلورهاي بسيار نازكي هستند كه نسبت طول به قطر آنها فوق العاده زياد است. آنها مستحكم ترين موادي هستند كه شناخته شده اند. مواد ويسكري شامل گرافيت، كاربيد سيليسيم، نيتريد سيليسيم و اكسيد آلومينيم است.

ب) كامپوزيت هاي تقويت شده توسط ذرات¹

فاز پراكنده شده در كامپوزيت هاي تقويت شده با ذرات هم محور و هم جهت است، يعني ذرات تقريباً در همه جهات هم راستا هستند. دو زير دسته اين نوع كامپوزيت ها عبارت اند از: كامپوزيت هاي درشت ذره و مستحكم شده بوسيله پراكندگي ذرات. تفاوت اين دو گروه به مكانيسم مستحكم شدن يا تقويت شدن بستگي دارد. واژه درشت بدين جهت استفاده ميشود كه نشان دهد فعل وانفعال بين ذره – زمينه نميتواند در مقياس اتمي يا مولكولي صورت گيرد و مكانيك محيط هاي پيوسته استفاده ميشود. در بيشتر اين نوع كامپوزيت ها، فاز پراكنده سخت تر و سفت تر از زمينه است. اين ذرات تقويت شده جابجايي و حركت فاز زمينه را در مجاور خود مهار و متوقف ميكنند. اساساً زمينه، مقداري از تنش اعمال شده را به ذرات منقل ميكنند. ميزان تقويت شدن يا بهبود رفتار مكانيكي به استحكام پيوند در فصل مشترك زمينه ذره بستگي دارد. در كامپوزيت هاي مستحكم شده با ذرات پراكنده، ذرات معمولاً بسيار كوچكتر هستند و اندازه آنها بين 10nm تا 100nm است. فعل و انفعال ذره – زمينه كه به مستحكم شدن منجر ميشود در مقياس اتمي يا مولكولي رخ ميدهد. بنابراين تغيير شكل مومسان مشكل شده و استحكام كششي، تسليم و سختي بهبود مييابد.

4-2-11- کامپوزیت های سبز¹ (كامپوزيت هاي زيست تجزيه پذير)

در اينگونه كامپوزيت ها، فاز زمينه و تقويت كننده، از موادي كه در طبيعت تجزيه ميشوند، ساخته ميشوند. در كامپوزيت هاي سبز، معمولاً فاز زمينه از پليمرهاي سنتزي قابل جذب بيولوژيكي و تقويت كننده ها از فيبرهاي گياهي ساخته ميشوند.

[۱]CMC

[۱]PMC

[2]MMC

[1]Reinforced

[2]FRC

[1]PRC

[1]Green composites