کامپوزیتها[۱۳]
واژه کامپوزیت، از کلمه لاتین ” to compose ” و به معنای ترکیب کردن گرفته شده است. کامپوزیت از ترکیب و اختلاط دو یا چند ماده مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد تشکیل می شود. در تهیه کامپوزیت، اغلب اختلاط فیزیکی میباشد نه شیمیایی؛ بدینصورت که اجزاء تشکیل دهنده ماهیت طبیعی شیمیایی خود را حفظ می کنند. البته در بعضی موارد، به منظور اصلاح و بهبود خواص، اصلاحات شیمیایی نیز صورت میگیرد [۱۷،۱۸].
مشخصات کامپوزیتها
تعاریف متفاوتی برای مواد کامپوزیتی ارائه شده است. از یک دیدگاه، کامپوزیت مادهای است که دارای ویژگیهای زیر باشد:
۱- جامد باشد؛ هدف از تهیه کامپوزیت، تولید مادهای ترکیبی با استحکام و خواص مکانیکی برتر میباشد. بدینصورت ترکیبات غیرجامد از لحاظ خواص مکانیکی نامطلوب میباشند.
۲- مصنوعی باشد؛ بدینصورت که از ترکیب مواد مختلف حاصل شود (کامپوزیتهای طبیعی مانند چوب، استخوان و عضله در این مقوله قرار نمیگیرد).
۳- حاصل آمیختن دو یا چند فاز متفاوت باشد؛ به طوری که خواص مکانیکی یکی از فازها نسبت به دیگر فازها برتر باشد. این فاز با خواص مکانیکی برتر تقویت کننده نامیده می شود.
۴- دارای خواصی برتر از خواص هر یک از اجزاء تشکیل دهنده به تنهایی باشد؛ بهعنوان مثال دو ماده فایبرگلاس و رزین پلیاستر غیراشباع، هر دو شکننده هستند اما از ترکیب این دو، یک ماده کامپوزیت با مقاومت ضربهای بسیار بالا نسبت به هر یک از اجزاء حاصل می شود که کاربرد فراوانی دارد. آلیاژهایی که دارای ساختار دو فازی هستند و توسط فرایند جامدسازی یا عملیات حرارتی ایجاد شده اند را نمی توان کامپوزیت نامید .
کامپوزیتها، از یک ماتریس و یک فاز تقویت کننده[۱۴] تشکیل شده اند که ماتریس، فاز پیوسته[۱۵] و فاز تقویت کننده فاز ناپیوسته[۱۶] نیز نامیده می شود. فاز ناپیوسته سختتر و قویتر از فاز پیوسته میباشد. استثنای این مطلب، حالت رابرهای تقویت شده با پلیمر است که به منظور افزایش خواص مکانیکی، رابر توسط ذرات پلیمری سخت که به صورت پراکنده در ماتریس آن قرار میگیرند، تقویت می شود.خواص مواد کامپوزیتی، وابسته به خواص اجزای تشکیلدهنده، توزیع آنها و میزان برهم کنش بین آنهاست. هندسه ماده تقویت کننده نیز تأثیر قابل توجهی برخواص نهایی کامپوزیت دارد که وابسته است به:
۱- اندازه ذرات
۲- شکل ذرات
۳- توزیع اندازه ذرات
شکل فاز ناپیوسته اغلب با شکلهای کروی و استوانهای تخمین زده می شود. براساس نسبت طول به عرض (یا قطر) جزء ناپیوسته به دستههای زیر تقسیم می شود:
-
- ذرهای: خنثی ۱ =
-
- کروی، پولکی: نیمه تقویتی۱ > ، مانند میکا که برای عایقبندی حرارتی و برقی استفاده می شود و پولکی است.
-
- لیفی: تقویتی۱ >> ، مانند الیاف کربن، الیاف شیشه
از یک دیدگاه دیگر، پرکنندهها به دو دسته آلی و معدنی تقسیم میشوند که هر یک نیز شامل دو گروه ذرهای و لیفی باشد.در مورد تقویتکننده های ذرهای، آرایشیافتگی یا جهتگیری مفهوم خاصی ندارد اما در نوع صفحهای یا لیفی، براساس جهت گیری، مواد به دو دسته ایزوتروپ[۱۷] و غیرایزوتروپ[۱۸] تقسیم میشوند [۱۹].
طبقه بندی کامپوزیتها
هدف از تهیه کامپوزیتها افزایش خواص مکانیکی مانند استحکام، سختی، چقرمگی و توانایی کاربرد مواد در دماهای بالا میباشد. مکانیزم استحکام وابستگی شدیدی به هندسه تقویت کننده دارد. از یک دیدگاه مناسب، میتوان مواد کامپوزیتی را براساس هندسه تقویتکننده تقسیم بندی نمود [۱۹].
کامپوزیتهای ذرهای
براساس این طبقه بندی، کامپوزیتهای ذرهای، انواع کامپوزیتهای غیرلیفی را شامل می شود. بدینترتیب که ذرهها ممکن است کروی، مکعبی، چهاروجهی، قرصی شکل و یا هر شکل هندسی منظم یا غیرمنظم باشد. کامپوزیتهای لیفی، درحالت کلی به دو دستهی تک لایه و چندلایه تقسیم میشوند. کامپوزیتهای تکلایه از تعداد لایه های زیادی تشکیل شده اند که همه لایه ها دارای جهتگیری و خواص یکسان میباشند و به همین دلیل کل لایه ها رامیتوان به صورت یک لایه کامپوزیتی در نظر گرفت. کامپوزیتهای چندلایه، ممکن است از تعداد کم یا زیادی از لایه ها تشکیل شده باشد. در این نوع کامپوزیتها، الیاف می تواند زاویه های گوناگونی داشته باشد.
تقویتکننده های ذرهای، اغلب در مواردی استفاده میشوند که مقاومت در برابر نیرو مطرح نباشد. از تقویتکننده های ذرهای جهت اصلاح هدایت حرارتی و الکتریکی، بهبود کاربرد در دمای بالا، کاهش اصطکاک، افزایش مقاومت سایشی، بهبود ماشینکاری، کاهش آبرفتگی، رنگ و به خصوص به منظور کاهش قیمت پرکنندگی استفاده می شود.
به منظور بررسی خواص فیزیکی پرکنندههای ذرهای، مهمترین پارامترها عبارتند از:
۱- شکل ذرات: پرکنندههای ذرهای دارای شکلهای هندسی منظم یا غیرمنظمی هستند که از خرد کردن یا آسیاب کردن و یا فرایند تولید آنها حاصل میشوند.
۲- اندازه و توزیع ذرات: ذرات ریز به طور معمول دارای قدرت تقویتکنندگی بالاتری هستند. اغلب میانگین مطلوب اندازه ذرات بین ۲ تا ۵ میکرون است. ذرات کوچکتر به علت افزایش بیشتر ویسکوزیته مذابهای پلیمری، سبب محدود شدن جریان یافتگی آنها میشوند.
۳- نسبت بستهبندی ذرات: این نسبت حاصل حجم خالی بین ذرات و درون ذرات به حجم کل این ذرات میباشد که تأثیر زیادی در جذب روغن دارد.
۴- مساحت سطح: مساحتی است که یک گرم از ذرات اشغال می کند.
۵- دانسیته پودری: نسبت جرم به حجمی است که پرکننده اشغال می کند.
۶- جذب روغن: مقدار روغنی است که توسط ۱۰۰ گرم پودر جذب می شود.
مکانیسم عمل پرکنندهها عبارت است از:
الف: تشکیل پیوند شیمیایی بین پرکننده و پلیمر: به عنوان مثال، با افزودن دوده به الاستومرها، با زنجیرها وارد واکنش رادیکالی می شود و با پیوند خوردن به آنها، سبب تقویت آنها می شود.
ب : اشغال فضا یا حجمی درون ماتریس و جلوگیری از تغییر شکل آن: بدینصورت با اشغال فضایی از ماتریس، حرکت زنجیرها کاهش مییابد و سبب کاهش تغییر شکل ماتریس می شود. در این حالت میان ذرات و پلیمر پیوند شیمیایی وجود ندارد، اما نیروهای ضعیف واندروالسی ایجاد می شود. توزیع یکنواخت ذرات در ماتریس پلیمری، سبب افزایش سطح تماس ذرات با زنجیرهای پلیمری می شود و درنتیجه استحکام ماتریس پلیمری افزایش مییابد.
پ : جذب انرژی توسط ذرات پرکننده: با اعمال تنش به ماتریس پلیمری، مولکولهای در معرض تنش قرارگرفته، انرژی وارده را جذب می کنند و به راحتی در سطح ذرات پرکننده میلغزند؛ در نتیجه خاصیت ضربهپذیری ماده افزایش مییابد.
کلیه پرکنندهها، اغلب مدول کشسانی را افزایش می دهند، درصورتی که افزایش استحکام کششی به مقدار قابل توجه، تنها با بهره گرفتن از پرکنندههای تقویتی (نوع لیفی) امکان پذیر است [۲۰].
کامپوزیتهای لیفی
مقدار استحکام اندازه گیری شده، اغلب بسیار کمتر از استحکام محاسبه شده میباشد؛ که این امر، به دلیل وجود نقص و حفرههای ذاتی در مواد میباشد. بدینصورت چنانچه بتوان این نقصها راحذف کرد و یا حتی کاهش داد، میزان استحکام افزایش مییابد. ترکهای قرار گرفته در جهت عمود بر نیروی اعمالی تأثیر بیشتری بر استحکام ماده دارند. بدینصورت الیاف به علت داشتن سطح مقطع کوچک استحکام کششی بالاتری نشان میدهد. همچنین جهتگیری زنجیری در الیاف یکی دیگر از دلایل بالا بودن استحکام کششی آنهاست.
نقش ماتریس در کامپوزیتهای لیفی عبارت است از:
۱- ماتریس الیاف را در جای خود نگه میدارد.
۲- ماتریس تنش اعمالی را به الیاف منتقل می کند.
۳- ماتریس از الیاف در برابر محیط پیرامون محافظت می کند.
کامپوزیتهای لیفی نیز مانند کامپوزیتهای ذرهای، به۳ دسته لیفی ترموست، لیفی ترموپلاست و لیفی الاستومری تقسیم میشوند [۱۹،۲۰].
تاریخچه جاذب صوتها
تاریخچه استفاده از دستگاههای اندازه گیری صوت و انواع جاذب صوتها برای اهداف گوناگون به طور مختصر در ذیل آمده است. استفاده از شیشه توسط رومیها در حدود ۱۰۰۰ سال قبل از میلاد مسیح رایج بوده است. در سال ۱۸۶۵ میلادی صاحب یک مغازه شیشه سازی در شهر نیویورک شیشههای دو جداره عایق را ساخت که کاربرد زیادی به عنوان عایق صدا در ساختمانسازی داشت. در اوایل دهه ۱۹۳۰ هاری السون[۱۹] مهندس شرکت رادیویی امریکا، اولین دستگاه شدتسنج صدا را ابداع کرد [۲۱].
در سال ۱۹۴۰ صنایع هوایی شروع به توسعه استفاده از الیاف در جاذب صوتها در هواپیما کرد. ساختار کامپوزیتهای جاذب صوت در صنایع هوایی به شکل ساندویچی میباشد که از دو پوسته نازک، چسب و هسته مرکزی سبک تشکیل شده است. هسته مرکزی متداول از نومکس، پشم شیشه، پلی اورتان، پلی استایرن، پلی وینیل کلراید و آلومینیوم میباشد [۲۲].
در سال ۱۹۶۴ آسو[۲۰] و کینوشیتا[۲۱]، جاذب صوتهایی از پارچههای تاری و پودی تولید و رابطه بین جذب صوت و مقاومت جریان را بررسی کردند [۲۳].
در سال ۱۹۸۰ موفقترین ابزار تجاری اندازه گیری شدت صوت توسط یک شرکت سازنده دانمارکی ساخته شد که یکی از ایرادهای آن وزن زیاد دستگاه بود [۲۱].
در سال ۲۰۰۲ موهانتی[۲۲] و همکاران، نشان دادند که جذب صوت کامپوزیتها با افزایش الیاف طبیعی به عنوان تقویتکننده افزایش مییابد [۲۴].
در سال ۲۰۰۳ جیجون[۲۳] و همکاران، فومهای فلزی متخلخل با ساختار باز قابل استفاده در سازههای سبک، فیلترها را به عنوان جاذب صوت ساختند [۲۵].
در سال ۲۰۰۵ پارک[۲۴] و همکاران، بتونهای متخلخل را که قادر به جذب %۶۵ صوت در فرکانس ۲۰۰۰ هرتز بود تولید کردند [۲۶].
در سال ۲۰۰۶ دیاس[۲۵] و همکاران، مدل ریاضی را در ارتباط بین جذب صوت پارچههای حلقوی تاری و پودی قابل استفاده در بدنه داخلی اتومبیلها، به منظور کاهش صوت و ضریب تخلخل پارچه مذکور ارائه نمودند [۲۷].
پلییورتان[۲۶] نخستین بار در اواخر دهه ۱۹۳۰ در آلمان شرقی ساخته شد. در سال ۱۹۸۵ فوم نرم پلییورتانی با سلول باز در بدنه خودرو به عنوان جاذب صوت استفاده شد هماکنون در صنایع خودروسازی، صنایع تولید نیرو، صنایع نظامی، صنایع دریایی، پوشش سقف و کف استفاده می شود. در سال ۲۰۰۷ از فوم پلییورتانی در صندلیهای وسایل نقلیه راه آهن به منظور کاهش سر و صدا و نگهداری و تعمیر راحتر استفاده کردند.در سال ۲۰۰۷ هانگ[۲۷] و همکاران، کامپوزیت جاذب صوتی را با ذرات لاستیک بازیافتی و فوم متخلخل پلیمری تولید کردند که کم هزینه و جذب صوت بالا داشت [۲۸].
در سال ۲۰۰۹ چن[۲۸] و همکاران، جذب صوت کامپوزیت ساخته شده از الیاف رامی به همراه پلیلاکتیک اسید[۲۹] به عنوان تقویت کننده آن را اندازه گیری کردند [۲۹] .
در سال ۲۰۰۹ اسماتلو[۳۰] و همکاران، جذب صوت نانوالیاف که به روش الکتروریسی تهیه شده بود را با کاربرد در هواپیما اندازه گیری کردند [۳۰].
در سال ۲۰۱۰ مادروالو سانز[۳۱] و همکاران، به منظور جذب صوت و رفع مشکلات زبالههای ناشی از لاستیکها، کامپوزیت جاذب صوتی متشکل از کرک و ذرات لاستیک تایر خودروهای سنگین تهیه کردند که ضریب جذب صوت ۸/۰ در فرکانس ۶۰۰۰ هرتز را داشت [۳۱].
در سال ۲۰۱۰ لو[۳۲] و همکاران، الیاف پلیاتیلنترفتالات بازیافتی، الیاف پلیاتیلنترفتالات توخالی موجدار و الیاف پلیپروپیلن را با نسبتهای مختلف مخلوط کردند و تحت عمل کاردینگ و سوزنزنی و عملیات حرارتی قرار دادند و میزان جذب صوت را برای ضخامتهای مختلف اندازه گیری کردند [۳۲].
در سال ۲۰۱۱ زیلینسکی[۳۳] کامپوزیتهای متخلخل را با بهره گرفتن از فوم تولید کرد؛ ضریب جذب صوت و میزان تخلخل آنها را اندازه گیری کرد که دارای ضریب جذب %۱۰۰ در فرکانس Hz2600 بود [۳۳].
|
[چهارشنبه 1400-08-05] [ 07:01:00 ق.ظ ]
|
