مروری بر کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه
کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه با کمک تکنولوژی های مختلف تولید تهیه شده اند و کاربرد گسترده ای در حوزه های گوناگون دارند. ابتدا، مصریان باستان ظروف خود را از الیاف شیشه ای می ساختند که از شیشه حرارت دیده و نرم گرفته می شد. الیاف شیشه برای اولین بار در دهه 1930 در کاربردهای الکتریکی در دمای بالا استفاده شد. امروزه از آن در صنایع الکترونیک، هوانوردی، خودروسازی و غیره استفاده می شود. الیاف شیشه از خواص منحصر به فردی مانند استحکام بالا، انعطاف پذیری، سفتی و مقاومت در برابر آسیب های شیمیایی برخوردار هستند. حتی ممکن است به شکل رشته ای، رشته خرد شده، نخ، پارچه ای بافته شده و یا حصیر باشد. هر یک از انواع الیاف شیشه خواص خاص خود را دارند و در قالب گیری کامپوزیت های پلیمری کاربرد دارند. خواص مکانیکی، تریبولوژیکی، حرارتی، جذب آب و ارتعاش کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه در گزارشات مختلف بیان شده است.
مواد کامپوزیتی ارائه دهنده خواص ترکیبی دو یا چند ماده هستند که اگر به تنهایی عمل کنند، نمی توانند توسط الیاف یا ماتریس به دست آیند. کامپوزیت های تقویت شده با الیاف تا چندین دهه در تمام حوزه های مهندسی با موفقیت مورد استفاده قرار گرفتند. کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه (GFRP) بیشتر در ساخت مواد کامپوزیت استفاده شدند. ماتریس شامل رزین های آلی، پلی استر، ترمواستیبل، وینیل استر، فنولیک و اپوکسی بود. رزین های پلی استر به دو دسته بیسفنول و ارتو یا ایزوفتالیک طبقه بندی می شوند. رفتار مکانیکی کامپوزیت تقویت شده با الیاف اساسا به استحکام و مدول الیاف، پایداری شیمیایی، استحکام ماتریس و پیوند رابط بین الیاف/ماتریس به منظور فعال کردن انتقال تنش بستگی دارد. ترکیبات مناسب و جهت گیری الیاف باعث ایجاد خواص بهینه و خواص عملکردی کامپوزیت های GFRP برابر با فولاد، سفتی بالاتر از آلومینیوم و وزن مخصوص یک چهارم فولاد شد. تقویت کننده های مختلف GF مانند حصیر بافته شده، الیاف خرد شده و حصیر خرد شده در کامپوزیت ها برای افزایش خواص مکانیکی و تربیولوژیکی کامپوزیت ها تولید شده اند. خواص کامپوزیت ها به الیافی بستگی دارد که در حین آماده سازی کامپوزیت در ماتریس قرار داده شده یا لایه بندی شده اند. هزینه بالای پلیمرها یک عامل محدود کننده در استفاده از آنها در کاربردهای تجاری بود. به همین دلیل، استفاده از فیلرها باعث بهبود خواص کامپوزیت ها و در نهایت، کاهش هزینه آماده سازی محصول شد. مواد کامپوزیت کاربردهای صنعتی گسترده ای دارند و مواد کامپوزیت تقویت شده GF به دلیل مقاومت محیطی خوب، ضربه پذیری بالا، استحکام بالا و سختی زیاد در صنایع دریایی و پایپینگ استفاده می شوند. کامپوزیت های پلیمری به دلیل سبک بودن عمدتا در ساخت سکان، آسانسور، بدنه هواپیما و ارابه فرود هواپیما استفاده می شوند. کامپوزیت ها با پایه ماتریس لی استر در صنایع دریایی به کار می روند. در حوزه دریایی، جذب آب یک فاکتور مهم در تجزیه کامپوزیت های پلیمری محسوب می شود. همچنین از مکانیسم های مختلف برای شناسایی تجزیه مواد همچون آغاز، انتشار، انشعاب و اتمام آن استفاده شد. رزین های اپوکسی که از مقاومت شیمیایی/ خوردگی بالا و انقباض کم در زمان پخت برخوردار هستند، در کاربردهای فوق نیز کاربرد دارند. قابلیت پردازش در شرایط مختلف و سطح بالای اتصال عرضی شبکه های رزین اپوکسی منجر به ایجاد مواد شکننده شده است.
اتلاف انرژی کامپوزیت ها در زمان مواجهه با محیط ارتعاش، بسیار حائز اهمیت است. عوامل متعددی همچون حجم الیاف، جهت الیاف، مواد ماتریس، دما، رطوبت، ضخامت لایه و ضخامت کامپوزیت ها اتلاف انرژی را در کامپوزیت های FRP تحت تاثیر قرار می دهند. تمام کامپوزیت های پلیمری دارای خواص مکانیکی وابسته به دما هستند. پایداری دینامیکی این کامپوزیت ها مانند مدول ذخیره سازی و عوامل میرایی برای بررسی در دمای سرد و بالاتر ضروری بود. برای تعیین میرایی از چهار تکنیک مختلف مبتنی بر روش های زمانی و فرکانسی استفاده شد. روش حوزه زمانی در آنالیزهای کاهش لگاریتمی و تبدیل هیلبرت در نظر گرفته شد. آنالیز بلوک متحرک و پهنای نیم توان نیز در تکنیک حوزه فرکانس هستند. در کاربردهای تریبولوژیکی، کامپوزیت ها تحت شرایط مختلفی مانند لغزش، سایش و غلت در دیگر مواد یا در خودشان قرار می گرفتند. از فاکتورهایی همچون بار، فاصله لغزش، سرعت و شرایط لغزش برای محاسبه اثر عملکرد تریبولوژیکی استفاده شد. نرخ سایش و ضریب اصطکاک بهینه در ماتریس GFRP با افزودن فیلرها تعیین شد. مواد کامپوزیت در بسیاری از کاربردهای تریبولوژیک مانند بلبرینگ، چرخ دنده، چرخ و بوش استفاده می شوند. در شکل زیر متدولوژی آماده سازی کامپوزیت های ماتریس GFRP، خواص و کاربرد آنها ارائه شده است.
شکل 1:
طبقه بندی GF
در شکل زیر طبقه بندی GF ها و خواص فیزیکی آنها بیان شده است.
شکل 2:
همچنین در جداول زیر به ترتیب ترکیبات شیمیایی GF ها در درصد وزنی و خواص فیزیکی و مکانیکی آنها ارائه شده است.
جدول 1:
جدول 2:
تهیه کامپوزیت های ماتریس GFRP
کامپوزیت های GFRP با استفاده از تکنیک های مختلف تولید، همانطور که در ادامه بحث می شود، تهیه شدند. آماده سازی GF های حصیری بافته شده و تصادفی به ترتیب در شکل های زیر نشان داده شده اند.
شکل 3:
شکل 4:
نتیجه گیری
خواص مکانیکی، دینامیکی، تریبولوژیکی، حرارتی و جذب آب کامپوزیت های GFRP در اینجا بررسی شده اند. کاربرد مهم این کامپوزیت ها عبارتند از:
- از فناوری های مختلف تولید کامپوزیت های GRP در شرایط محیطی مختلف استفاده شد.
- استحکام کششی نهایی و استحکام خمشی کامپوزیت پلی استر الیاف شیشه با افزایش Vf در کسرهای وزنی الیافِ الیاف شیشه افزایش یافت.
- کرنش الاستیک کامپوزیت با الیاف شیشه Vf تا 0.25 افزایش یافت و سپس با افزایش آن، کاهش یافت.
- الاستیسیته مدول یانگ کامپوزیت با الیاف شیشه Vf افزایش یافت.
- خواص میرایی GRP با افزایش محتوای GF در کامپوزیت بهبود یافت و فرکانس طبیعی در تمام شرایط اندازه گیری شد.
- جذب آب در شرایط محیطی مختلف با دوره زمانی متفاوت نیز ارزیابی و بررسی شد. جذب آب خواص مکانیکی کامپوزیت ها را به حداقل رساند.
- ضریب اصطکاک در فواصل لغزشی مختلف و شرایط بارگذاری با جهت گیری های الیاف مختلف مانند تصادفی، حصیری، طولی، P/PA در GF تجزیه و تحلیل شد. سایش کمتری برای الیاف بیشتر در پلیمرها مشاهده شد.
- برای بهبود خواص کامپوزیت ها، الیاف و ترکیب ماتریسی با مواد شیمیایی مناسب تیمار شدند. این کار ممکن است خواص مکانیکی، حرارتی و تریبولوژیکی کامپوزیت های GRP را بهبود بخشد.
