کامپوزیت پلیمری الیاف هیبریدی

دسته: مقالات منتشر شده در 30 آذر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 382

بررسی خواص مکانیکی کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف هیبریدی

در این مقاله، خواص مکانیکی کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف هیبریدی بررسی شده است. کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف از خواصی همچون استحکام بالا، چگالی کم و سهولت در پردازش برخوردار است. کامپوزیت پلیمر تقویت شده با الیاف در زمینه های مختلفی مانند هوافضا، خودروسازی و صنعت ساختمان کاربرد دارد. ادغام دو یا چند الیاف در یک ماتریس پلیمری منجر به توسعه کامپوزیت هیبریدی می شود. هیبریداسیون می تواند خواص مکانیکی این کامپوزیت را بهبود بخشد. در اینجا، بیان می کنیم که خواص مکانیکی کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف طبیعی به دلیل ترکیب الیاف همزمان با افزایش قابل ملاحظه طول بهبود می یابد.

 

کامپوزیت ها مواد ناهمگن حاوی دو یا چند فاز جامد هستند که در مقیاس میکروسکوپی، در تماس نزدیک با یکدیگر قرار دارند. در شکل زیر، یک طبقه بندی معمول از کامپوزیت ارائه شده است.

 

شکل 1:

 Classification of composite material

 

در کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP)، تقویت ممکن است شامل الیاف پلیمری طبیعی یا مصنوعی باشد. الیاف طبیعی به دلیل مزایایی که نسبت به الیاف مصنوعی دارند، جایگزین بهتری برای الیتف مصنوعی محسوب می شوند. الیاف طبیعی از مزیت هایی همچون هزینه کم، چگالی پایین، دسترسی فراوان، زیست سازگاری، غیر سمی بودن، انعطاف پذیری بالا، تجدید پذیری، زیست تخریب پذیری، عدم سایش نسبی، استحکام و مدول بالا، سهولت در پردازش برخوردار هستند. علیرغم این مزایا، دارای محدودیت هایی مانند مقاومت ضربه ای کم و جذب رطوبت بالا هستند. این محدودیت ها را می توان با استفاده از تکنیک هیبریداسیون به حداقل رساند. ادغام الیاف در ماتریس پلیمری منجر به بهبود کامپوزیت هیبریدی شده است. هیبریداسیون می تواند خواص مکانیکی را به دو دلیل افزایش دهد:

 

1- در هیبریداسیون، دو الیاف با طول یکسان اما با قطرهای متفاوت در یک ماتریس پلیمری در مقایسه با استفاده از یک الیاف در کامپوزیت ها، دارای مزیت هایی هستند. قطرهای مختلف الیاف باعث افزایش چسبندگی سطحی ماتریس و الیاف می شود؛ به طوری که انتقال یکنواخت تنش می تواند رخ دهد.

2- الیاف با کشیدگی کم ممکن است ابتدا شکسته شده و سپس بار توسط الیاف دارای ازدیاد طول، بدون شکست حمل شود. ماتریس باعث انتقال بهتر تنش از ماتریس به الیاف و در نتیجه، افزایش خواص مکانیکی می شود. ساختار الیاف نقش بسیار مهمی در خواص مکانیکی کامپوزیت ها دارد. الیاف طبیعی گیاهی الیاف سلولزی هستند که از تعدادی میکروفیبریل های سلولزی مارپیچ تشکیل شده اند و این الیاف توسط یک ماتریس لیگنین آمورف به هم متصل شده اند. لیگنین به حفظ آب در الیاف کمک کرده و بعنوان محافظ در برابر حملات بیولوژیکی عمل می کند. علاوه براین، مقاومت در برابر نیروهای گرانش و باد را افزایش می دهد. همی سلولز که در الیاف طبیعی یافت می شود، بعنوان یک سازگار کننده بین سلولز و لیگنین عمل می کند. در شکل زیر دیواره سلولی در یک فیبر نشان داده شده است.

 

شکل 2:

 Structure of natural fiber

 

هر فیبر از یک ساختار پیچیده و لایه ای تشکیل شده است که دارای یک دیواره اولیه نازک است که اولین لایه ای است که در حین رشد سلولی که دیواره ثانویه را احاطه می کند، رسوب می کند. دیواره ثانویه از سه لایه تشکیل شده و لایه میانی ضخیم تعیین کننده خواص مکانیکی آن فیبر است. لایه میانی حاوی مجموعه ای از میکروفیبریل های سلولی مارپیچ است که از مولکول های سلولز با زنجیره بلند تشکیل شده اند. زاویه تشکیل شده بین محور فیبر و میکروفیبریل ها را زاویه میکروفیبریل می نامند و مقدار این زاویه از یک فیر به فیبر دیگر متفاوت است. اخیرا از کامپوزیت های طبیعی FRP در ساخت قطعات خودرو، مصالح ساختمانی و صنایع الکتریکی استفاده می شود. کاربرد عمده این کامپوزیت ها به دلیل استحکام بالا و دوام طولانی در صنعت بسته بندی است. با توجه به مطالعات و یافته های به دست آمده 42 درصد از الیاف طبیعی در صنعت بسته بندی، 20 درصد در صنعت ساختمان و 8 درصد هم در دیگر کاربردها (خانگی، الکتریکی و غیره) استفاده می شود. کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف مصنوعی (SRP) به طور گسترده در بخش های مختلف هوافضا به کار رفته است. صنایع هوانوردی و خودروسازی به جای کامپوزیت های فلزی یا سرامیکی از SRP به دلیل سبک وزن بودن استفاده می کنند. کامپوزیت SRP در مقایسه با کامپوزیت فلزی، وزن و هزینه تولید محصول نهایی را به ترتیب تا 50-10 و 20-10 درصد کاهش می دهد. علاوه براین، کامپوزیت SRP در بخش های مختلف هواپیما استفاده می شود من جمله ساختمان اصلی بال (جعبه بال، دم هواپیما و بدنه)، اجزای کنترل (آیلرون، لیفت، اسپویلر)، اجزای بیرونی (فیرینگ ها، کارمن ها، درب خروجی اضطراری، ارابه فرود) و اجزای داخلی (کف، پارتیشن، دیوارها و درها). جدول زیر آخرین کاربرد کامپوزیت طبیعی FRP را در مدل ها و قطعات مختلف خودرو را نشان می دهد.

 

جدول 1:

 Recent application of natural fiber-reinforced polymer composites in different models and parts of cars

 

همچنین در جدول زیر فهرستی از کاربردهای کامپوزیت طبیعی FRP در انواع وسایل نقلیه ارائه شده است.

 

جدول 2:

 Use of natural fiber composite in interior and exterior part of automobile

 

هدف از این مقاله ارائه مروری بر تحقیقات اخیر در مورد خواص مکانیکی همچون استحکام کششی، مدول کششی، استحکام خمشی، مدول خمشی و مقاومت ضربه ای کامپوزیت هیبریدی FRP است.

 

یافته های حاصل از این بررسی عبارتند از:

- الیاف مصنوعی و طبیعی در ماتریس پلیمری به شکل های مختلف و به صورت تصادفی جهت دار و حصیری بافته شده تقویت می شوند. این کامپوزیت ها با تکنیک های مختلف و براساس وزن یا کسر حجمی الیاف تهیه می شوند. روش های قالب گیری دستی و فشرده محبوب ترین روش در ساخت این کامپوزیت ها هستند.

- فرایند هیبریداسیون می تواند خواص مکانیکی کامپوزیت های FRP را افزایش داده و محدودیت های آنها را کاهش دهد. این خواص به دلیل ادغام الیاف مصنوعی یا طبیعی با ازدیاد طول قابل ملاحظه افزایش می یابد.

- الیاف طبیعی از مزایایی مانند هزینه تولید پایین، چگالی کم، زیست سازگاری، قابلیت بازیافت و دسترسی فراوان برخوردار هستند. علاوه براین، الیاف طبیعی به دلیل خواص مکانیکی منحصر به فردی که دارند، جایگزین مناسبی برای الیاف مصنوعی هستند.

- در مقایسه با بررسی های انجام شده از کامپوزیت هیبریدی تقویت شده با الیاف ترموست، مقالات کمتری به بررسی کامپوزیت هیبریدی تقویت شده با الیاف ترموپلاست پرداخته اند. بررسی خواص این کامپوزیت ها می تواند موضوع خوبی برای محققان باشد.