امروزه، کامپوزیت­ های پلیمری تقویت شده با الیاف محبوبیت زیادی کسب کرده ­اند و به شکل روزافزون در صنایع مختلفی مانند مواد تحمل ­کننده­ بار، غلتک ­ها، چرخ ­دنده ­ها، حلقه­ های پیستون، آب ­بندهای مکانیکی، کلاچ و… از آن­ ها استفاده می‌شود. در این کاربردها از خواص خودروان‌کاری کامپوزیت­ ها در جهت حذف نیاز به استفاده از روان­ کننده ­ها بهره برده می‌شود. در دهه­ گذشته، محققان زیادی در راستای درک بهتر خواص فیزیکی و تریبولوژیکی (خواص مربوط به اصطکاک، سایش، و روان‌کاری) کامپوزیت­ های پلیمری تقویت­ شده با انواع مختلف مواد لیفی تلاش­ بسیاری انجام داده ­اند.

در سال­ های اخیر، کامپوزیت ­های تقویت شده با الیاف موضوع مورد توجه صنایع مختلفی از جمله هوافضا و صنعت خودروسازی بوده است. این کامپوزیت ­های پلیمری به طور کلی در مقایسه با فلزات/آلیاژهایی از قبیل استیل و آلومینیوم، دارای سطوح بالایی از سفتی، نسبت استحکام به وزن بالا، مدول بالا، مقاومت سایشی بی­نظیر و مقاومت به خوردگی و سایش چشمگیری هستند. پارامترهای مختلفی از جمله میزان تقویت­ کننده، شکل، اندازه، و جهت ­گیری تقویت­ کننده، نوع تقویت ­کننده و ماتریس پلیمری، روش ­های فرآیند و … می­ توانند بر خواص کامپوزیت ­های پلیمری تأثیر بگذارند.

در همین راستا نتایج پژوهش گروهی از محققین نشان داد که خواص مکانیکی کامپوزیت‌های نایلون به طور چشم‌گیری توسط درصد وزنی الیاف شیشه تحت تأثیر قرار می‌گیرند. نتایج آزمون استحکام نشان داد که نایلون حاوی ۲۰% وزنی الیاف شیشه بالاترین کششی بهبودیافته را دارند. نتایج آزمون ضربه حاکی از این است که نمونه حاوی ۱۵% وزنی الیاف شیشه دارای بالاترین میزان استحکام ضربه یا چقرمگی می‌باشد.

نمودار مربوط به آزمون کشش، استحکام کششی نهایی یا استحکام کششی کامپوزیت نایلون با ترکیب‌درصدهای مختلفی از الیاف شیشه را نشان می ­دهد. استحکام کششی خاصیت شدتی کامپوزیت است و نشان ­دهنده­ حداکثر تنشی است که کامپوزیت در حال کشش با نرخ ۳ میلی ­متر بر دقیقه تا قبل از پارگی تحمل می­ کند. نتیجه­ به دست آمده نشان می ­دهد که استحکام کششی نایلون خالص ۳۷/۳ مگاپاسکال است و این نقطه تنشی است که باریک شدگی (necking) قبل از شکست آغاز شد. برای ۹۵% پلی­آمید و ۵% الیاف شیشه، استحکام کششی ۴۴/۲ مگاپاسکال است که ۱۸/۵% بالاتر از میزان آن برای نایلون خالص است. برای کامپوزیت نایلون حاوی ۱۰% الیاف شیشه، استحکام کششی مقدار بالای ۵۳/۶% را نشان می ­دهد. در مقادیر بالاتر الیاف شیشه تا ۱۵%، کامپوزیت استحکام کششی بالاتری (۵۷/۸%) را نشان می­ دهد. در نهایت کامپوزیت حاوی ۸۰% پلی­ آمید ۶ و ۲۰% الیاف شیشه افزایش چشم ­گیری را در استحکام کششی تا ۷۹/۵ مگاپاسکال نشان می ­دهد که حدود ۱۱۳% بیشتر از نایلون خالص است. با افزایش میزان الیاف شیشه، پیوند بین سطحی خوب بین لیف و نایلون منجر به ایجاد استحکام بالاتر می ­شود.

نمودار مربوط به انرژی ضربه، استحکام ضربه­ کامپوزیت ­های نایلون با ترکیب درصدهای مختلف الیاف شیشه را نشان می ­دهد. انرژی ضربه معیاری از کار انجام شده یا انرژی جذب شده به وسیله­ کامپوزیت نایلون قبل از شکست است. در حین آزمون ضربه، زمانی که چکش به نمونه­ کامپوزیتی ضربه می­ زند، نمونه تا نقطه تسلیم انرژی را جذب می­ کند، سپس تغییر فرم پلاستیک به وسیله­ جذب انرژی در نمونه آغاز می­ شود و در ناحیه­ پلاستیک سخت­ شدگی با کار (work hardening) رخ می­ دهد و پس از آن کامپوزیت قادر به جذب مقدار بیش‌تری انرژی نخواهد بود، و نهایتاً شکست رخ خواهد داد. استحکام ضربه یک معیار نسبی از چقرمگی ضربه ­ای کامپوزیت ­های نایلون با ترکیب درصدهای مختلف الیاف شیشه است. بر اساس مشاهدات، کامپوزیت نایلون حاوی %۵ الیاف شیشه می ­تواند قبل از رخ‌داد شکست ۴/۵ ژول انرژی جذب کند. این عدد در مورد ۱۰% الیاف شیشه به ۵/۴ ژول می ­رسد که ۲۰% بیش تر از استحکام کامپوزیت حاوی ۵% الیاف شیشه است. اگر میزان الیاف شیشه به ۱۵% افزایش یابد، کامپوزیت استحکام ضربه­ ۶/۴ ژول را نشان می­ دهد که ۴۲% بیش تر از مقدار آن برای کامپوزیت حاوی ۵% الیاف شیشه است. در نهایت، نتایج نشان می ­دهد که زمانی که میزان الیاف شیشه به ۲۰% افزایش می ­یابد، استحکام ضربه­ کامپوزیت به ۴/۷ ژول کاهش می ­یابد که حدود ۲۷% کمتر از کامپوزیت حاوی ۱۵% الیاف شیشه است. بدیهی است که با افزودن میزان زیاد الیاف شیشه (۲۰%) انرژی ضربه به طور چشم­ گیری کاهش می­ یابد. این امر حاکی از آن است که در اثر افزایش مقادیر بالای الیاف شیشه، مانند ۲۰% الیاف، استحکام ضربه­ کامپوزیت کاهش می­ یابد، به این معنی که رفتار کامپوزیت از چقرمه به شکننده تغییر کرده و چقرمگی ضربه­ آن کاهش می یابد.

در نهایت انتخاب و بهینه سازی ویژگی‌ها فرصت کنترل پارامترهایی مانند استحکام، چگالی، خصوصیات الکتریکی و هزینه را فراهم می‌سازد. از میان اشکال احتمالی ذرات تقویت کننده، الیاف به خاطر نسبت منظر بالایشان و ماهیت ناهمسان‌شان مورد توجه قرار گرفته اند. در مورد نقش نسبی اجزا در کامپوزیت سه اصل مشاهده می‌شود:

• از مقاومت و سختی بالایی برخوردارند و می بایست ماتریس تنش را از یک لیف به لیف دیگر منتقل کند. این مواردی از کامپوزیت‌های با کارایی بالاست که در آن تقویت کننده با استحکام بالا در کسر حجمی بالا استفاده می‌شود. همچنین جهت‌گیری و میزان پراکندگی آن‌ها برای رسیدن به خواص مکانیکی مطلوب باید سنجیده شود.
• در برخی موارد دیگر ماتریس از نظر فیزیکی، شیمیایی و خواص فرآیندی دارای مشخصات ذاتی مطلوب است و افزودن الیاف برای مقاومت در برابر کشش، خزش یا مقاومت در برابر پارگی در نظر گرفته شده است. معمولاً به صورت پیوسته یا ناپیوسته به کار می‌روند.
• در حالت سوم ماتریس یک ماده با عمل‌کرد بالا است، اضافه کردن الیاف با هدف حفظ عمل‌کرد و اصلاح نقص‌های ماتریس و مقرون به صرفه بودن است.

همراهان عزیز می‌توانند جهت برقرای ارتباطات دوسویه، انتقال سوالات، نظرات و پیشنهادات سازنده خود از طریق پست الکترونیک زیر ما را یاری فرمایند.

info@fara-ps.com