کامپوزیت پایه پلیمری

کامپوزیت های پایه پلیمری Polymer Matrix Composite (PMC) نسبت به دو گروه دیگر کامپوزیت ها یعنی کامپوزیت های زمینه فلزی و سرامیکی توسعه بیشتری یافته اند. دو گروه اصلی پلیمرها (ترموست - ترموپلاست) به عنوان ماتریس کامپوزیت های با زمینه پلیمری مورد استفاده قرار می‌گیرند. 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 سوی دیگر ترموپلاستیک ها با اعمال گرما نرم شده و می‌توانند به طور مکرر شکل‌دهی شوند. ترموپلاستیک ها معمولاً به چند نوع تقسیم می شوند:

انواع ترموپلاستیک ها

آمورف، بلور و کریستال مایع

عموماً ترموست ها نسبت به ترموپلاستیک ها در برابر حلال ها و محیط های خورنده مقاوم تر هستند. لازم به ذکر است که انتخاب رزین بر اساس الزامات طراحی و همچنین ملاحظات ساخت و هزینه انجام می شود. استحکام و سختی کامپوزیت ها با زمینه پلیمری اساساً از فاز لیفی حاصل می شود. یکی از مسائل مهم در انتخاب ماتریکس حداکثر دمای کارکرد است. یکی از معیارهای برای تعیین مقاومت دمای نسبی پلیمرها، دمای انتقال شیشه ای (TG) است.

دمای TG چیست؟

تی جی TG دمایی است که در آن پلیمر از حالت سخت و شیشه ای به حالت نرم و لاستیکی تبدیل می شود. در دمای بالاتر از دمای انتقال شیشه ای، استحکام و سختی پلیمرها افت قابل توجهی پیدا می کند. سوال اساسی در اینجا این است که آیا رزین های ترموست پس از پخت، مجدداً ذوب می شوند؟ همانطور که در ابتدای این این مقاله آب صنعت تهران اشاره شد رزین های ترموست پس از فرآیند پخت، سخت شده و تغییر شکل آنها غیر ممکن است. پس در اثر حرارت ذوب نمی شوند و در دمای بالاتر از یک دمای معین خواص مکانیکی آنها به طور عمومی تغییر می کند. به این دما (TG) یا دمای انتقال شیشه ای گفته می شود. بالاتر از این دما که بسته به سیستم رزینی برای هر یک از مواد پلیمری ترموست متفاوت است، مولکول ها از حالت کریستالی به حالت منعطف تغییر حالت پیدا می کنند. اگر دما به زیر TG کاهش یابد، این تغییر قابل بازگشت خواهد بود.

دمای بالاتر TG

در دمای بالاتر TG موارد زیر رخ می دهد:
۱- سختی رزین شدیداً افت می کند.
۲- استحکام فشاری رزین شدیداً کاهش می یابد.

همانطور که اشاره شد در دمای بالاتر از دمای انتقال شیشه ای، استحکام و سختی 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.

انواع رزین

پس از آشنایی با تفاوت پلیمر و کامپوزیت و کامپوزیت های زمینه پلیمری توجه شما را به انواع رزین جلب می کنیم:

رزین ترموست

رزین هایی که در کامپوزیت های زمینه پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند، معمولاً اپوکسی، پلی استر ترموست، وینیل استر و فنولیک هستند.

رزین اپوکسی

رزین های اپوکسی بیشترین سهم استفاده را در کامپوزیت های زمینه پلیمری به خود اختصاص می دهند.
اپوکسی ها برای ساخت بدنه هواپیما و سایر کاربردهای هوافضا مورد استفاده قرار می گیرند. کامپوزیت های زمینه پلیمری تولید شده با اپوکسی ها دارای خواص ساختاری عالی هستند و دمای معمول بدنه هواپیما ۱۲۰ درجه سانتی گراد است.

رزین پلی استر

رزین پلی استر در کاربردهای تجاری کامپوزیت های زمینه پلیمری مورد استفاده قرار می گیرند. آنها نسبتا ارزان و مقاوم به خوردگی هستند و فرایند پذیری آسان دارند.

رزین وینیل استر

رزین وینیل استر نیز در کاربردهای تجاری کامپوزیت های زمینه پلیمری بسیار مورد استفاده قرار می گیرند. آنها مقاومت خوردگی بهتری نسبت به پلی استر ها دارند اما گران تر هستند.

رزین فنولیک

رزین فنولیک از مقاومت خوبی در دمای بالا برخوردار بوده و هنگام سوختن دود و محصولات سمی کمتری نسبت به اکثر رزین ها تولید می کند.

خواص کامپوزیت پایه پلیمری

یکی از مهم ترین کاربرد پلیمرها استفاده در ساخت کامپوزیت های زمینه پلیمری است کامپوزیت های زمینه پلیمری از خواص مکانیکی و حرارتی بسیار خوبی برخوردار هستند به طور کلی سختی و استحکام ماده تقویت کننده بسیار بالاتر از پلیمر است و در نتیجه عنصر اصلی تحمل بار در کامپوزیت زمینه پلیمری تقویت کننده می باشد. ماتریس نقش نگهداری تقویت کننده را دارد و باید بار اعمالی را به طور موثر انتقال بدهد. برای اینکه این انتقال به نحو احسن انجام شود و در حقیقت ماتریس و تقویت کننده باید 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 عموماً توسط خواص ماتریس پلیمری (رزین)، خواص تقویت کننده (الیاف)، نسبت تقویت کننده به ماتریس و هندسه و جهت گیری تقویت کننده در داخل کامپوزیت زمینه پلیمری تعیین می شود. خواص مکانیکی خوب کامپوزیت های زمینه پلیمری نتیجه بهره برداری از خواص ویژه رشته های شیشه ای، کربنی آرامیدی می باشد. البته آرایش ها و نحوه چیدمان مواد تقویت کننده (الیاف بریده شده تصادفی تک جهتی و غیره) گستره خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری را کاملاً تغییر می دهند.

عوامل موثر بر خواص کامپوزیت های پایه پلیمری

۱- شکل تقویت کننده ها
۲- کسر حجمی تقویت کننده ها
۳- هندسه تقویت کننده ها
تقویت کننده الیاف شیشه نوع E
تقویت کننده می تواند به اشکال الیاف ناپیوسته، الیاف بافته شده از (الیاف حصیری)، الیاف پیوسته (موازی) باشند. تقویت کننده های ناپیوسته به اندازه تقویت کننده پیوسته کارآمد نیستند. با این حال الیاف ناپیوسته اجازه می دهند تا ماده کامپوزیت طی فرآیند جریان پیدا کند و این مسئله ساخت قطعات پیچیده را تسهیل می نماید.

کامپوزیت پایه پلیمری با الیاف ناپیوسته

کامپوزیت های زمینه پلیمری که در آنها از الیاف ناپیوسته استفاده می شود به دو دسته تقسیم می شوند:

کامپوزیت با ترکیب قالبگیری توده ای 

در ترکیب قالبگیری توده ای Bulk Molding Compounds (BMC) که به آن ترکیب قالبگیری خمیری نیز گفته می‌شود طول الیاف نسبتاً کوتاه است (در حدود ۳ - ۱۲ میلیمتر) و الیاف به صورت تصادفی در ابعاد مختلف جهت گیری می کنند. در روش تولید قطعه به روش BMC مقادیر بسیار بالایی از ذرات معدنی مانند کلسیم کربنات استفاده می شود. دلیل استفاده از کربنات کلسیم از یک طرف کاهش تغییرات ابعادی ناشی از جمع شدن رزین و از طرف دیگر ایجاد سطح صاف در قطعه نهایی می باشد. ضمناً استفاده از ذرات معدنی مانند کربنات کلسیم سبب کاهش هزینه اضافی می گردد. از آنجا که در تولید قطعات به روش BMC از تقویت‌کننده‌های لیفی درکنار ذره‌ای استفاده می شود، می توان نوعی کامپوزیت ترکیبی (Hybrid Composite) در نظر گرفت.

کامپوزیت با ترکیب قالب گیری ورقه ای 

در ترکیب قالب گیری ورقه ای Sheet Molding Compound (SMC) ورق های الیاف خرد شده با طول ۵۰-۲۵ میلیمتر به طور تصادفی در دو بعد جهت گیری می کنند. مشابه SMC ،BCM نیز حاوی پرکننده های معدنی ذرات مانند کربنات کلسیم و خاک رس می باشد.
از آنجا که جهت گیری الیاف در روش‌های قالب‌گیری ورقه ای و قالبگیری توده ای قابل کنترل کردن نمی باشد مدول BMC و SMC پایین است، بنابراین مدول و استحکام کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با پارچه و الیاف پیوسته بسیار بالاتر از کامپوزیت های زمینه پلیمری که دارای الیاف ناپیوسته هستند می باشد. مخصوصاً (خصوصاً) زمانی که آزمون به موازات جهت الیاف انجام شود.
مدول طولی و استحکام کششی کامپوزیت های زمینه پلیمری که در آن ها از الیاف ناپیوسته (BMC-SMC) استفاده می شود نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری تقویت شده با پارچه کمتر است. به طور کلی استحکام کامپوزیت های زمینه پلیمری در جهاتی که الیاف وجود نداشته باشند، ضعیف است.

روش های ساخت کامپوزیت پایه پلیمری

فرآیند تولید کامپوزیت ها با زمینه پلیمری بسیار زیاد بوده و این روش ها به پارامترهای مختلفی از جمله نوع ماتریکس، نوع و شکل و هندسه تقویت‌کننده، دمای کاری و کاربرد بستگی دارد و در سازه های کامپوزیتی به کار می رود. فرایندهای اصلی ساخت و تولید کامپوزیت های پلیمری عبارتند از:
1- روش تولید قالب باز شامل:
1-1- لایه گذاری دستی
1-2- پاششی
این روش تولید با قالب باز می باشد.

2- روش تولید خاص شامل:
2-1- پالتروژن
2-2- رشته پیچی
جهت تولید قطعات خاص مانند لوله و پروفیل، ورق و غیره مورد استفاده قرار می گیرد.
3- روش تولید قطعات کامپوزیتی صنعتی
3-1- روش تولید BMC
3-2- روش تولید SMC
3-3- روش تولید GMT
3-4- روش تولید RTM

خواص مکانیکی کامپوزیت پایه پلیمری

پلیمرها موادی نسبتاً ضعیف با سختی 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 معمولاً استحکام افزایش قابل توجهی پیدا نمی‌کند. 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 اساساً به خواص فیزیکی آنها برمی‌گردد.