Download
1 / 98
1.21k likes | 1.63k Views
Introduction to Composite. منابع. Fiber Reinforced Composites, Materials, Manufacturing, and Design-P.K. Mallick-CRC press, 2008. Composite Materials_Design and Applications-D. Gay, S.V. Hoa, S.W. Tsai-CRC Press-2003.
E N D
منابع • Fiber Reinforced Composites, Materials, Manufacturing, and Design-P.K. Mallick-CRC press, 2008. • Composite Materials_Design and Applications-D. Gay, S.V. Hoa, S.W. Tsai-CRC Press-2003. • Mechanics of Laminated Composite Plates and Shells-Theory and Analysis-J.N. Reddy, CRC Press-2004. • Material Science and Engineering - W.D. Callister, D.G. Rethwisch- John Wiley-2011.
تقسیم بندی مواد • مواد به 4 دسته عمده تقسیم میشوند: • فلزات-سرامیکها-پلیمرها-کامپوزیتها • فلزات دارای مزیتهای صلبیت، استحکام و شکل پذیری بالا اما عیب چگالی بالا میباشند. • سرامیکها دارای صلبیت و استحکام بالا ولی عدم شکل پذیری مناسب میباشند. • پلیمرها دارای چگالی کم، شکل پذیری خوب ولی استحکام و صلبیت پایین میباشند. • کامپوزیتها دارای ویژگیهای صلبیت و استحکام و شکل پذیری خوب در حد فلزات و در عین چگالی پایین در حد پلیمرها میباشند.
مقدمه • ورود کامپوزیت به عنوان دسته جدیدی از مواد از اواسط قرن بیشتم با طراحی و ساخت کامپوزیتهای چندفازی مثل کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه (فایبر گلاس) آغاز گشت. • البته کاربرد مواد چند فازی نظیر چوب، کاه گل (الیاف کاه گل را تقویت می کنند)، و حتی برخی آلیاژها فولادی به عنوان نمونه هایی از کامپوزیت هستند که قبل از این ایام بکار میرفتند.
اما کامپوزیت به مفهوم امروزی آن که ”از ترکیب فیزیکی چند نوع مواد ناهمگون میتوان به ماده ای جدیدی رسید که با دسته بندی قبلی مواد (فلزات، سرامیکها، پلیمرها) متفاوت است و خواص آن نسبت به خواص اجزای سازنده بهبود یافته است“، از اوایل قرن بیستم آغاز گشت. • اکنون می دانیم بوسیله ترکیب فازهای مختلف مواد میتوان به تنوع بسیار زیادی از مواد با خواص مختلف دست یافت که توسط هیچ یک از مواد مونولیتیک نمی توان به آن دست یافت. • تعریف مونولیتیک monolithic: به موادی که دارای ریزساختار یکنواخت و پیوسته هستند و از یک نوع ماده تشکیل شده اند. • در مقابل، کامپوزیتها هستند که دارای ریزساختار غیریکنواخت، ناپیوسته و چندفازی هستند.
کابرد کامپوزیتها • تلفیق گوناگون مواد مختلف برای دستیابی به خواص جدید، تنوع بسیاری در اختیار طراحان قرار میدهد. لذا علاقه به استفاده از کامپوزیت روزافزون است. • این خواص توسط هیچ یک از سه دسته دیگر قابل دسترسی نیستند. • مواد کامپوزیتی دارای خواص ویژه و نامعمول هستند. لذا برای کاربردهای ویژه با تکنولوژی بالا کاربرد دارند. به عنوان مثال در صنایع هوایی به دنبال مواد با استحکام بالا، چگالی پایین، مستحکم، صلب، مقاوم در برابر ضربه و سائیدگی هستیم. • در هیچ ماده مونولیتیکی تمامی این خواص جمع نیست. مواد مستحکم معمولا چگالی بالایی دارند و افزایش استحکام و صلبیت با کاهش چقرمگی همراه است. • لذا برای دستیابی به تمامی این خواص در یک ماده باید از ترکیب مواد و خواص آنها برای بهبود خواص ترکیب بهره برد.
کاربرد در صنعت خودرو • بدنه خودروها و اتوبوسها- دیسک ترمز- شاسی-سیستم تعلیق- میل گاردان- مخزن بنزین و ...
کاربرد در صنایع هوافضا • بدنه هواپیماها، بدنه و نازل موتور موشک، سپر حرارتی شاتلهای فضایی
کابرد در ورزش و عمران • اسکیها و بدنه دوچرخه ها، موتورها و ماشینهای مسابقه ای • پلها و نماهای کامپوزیتی، ترمیم بتون بوسیله کامپوزیت
تعریف کامپوزیت • منظور از کامپوزیت هر ماده چند فازی است که تعمدا بصورت مصنوعی از موادی که بصورت شیمیایی با هم همخوانی ندارند و توسط مرزهای مجزا از هم جدا شده اند، طراحی و ساخته شده است. • کامپوزیت یک ترکیب فیزیکی است نه یک ترکیب شیمیایی. در ترکیب فیزیکی مواد در کنار یکدیگر در کنار یکدیگر قرار می گیرند. • برخی از کامپوزیتها بصورت طبیعی وجود دارند. مثل چوب و استخوان • در طراحی کامپوزیتها عمدتا فلزات، سرامیکها و پلیمرها با یکدیگر ترکیب میشوند تا خواص مکانیکی مثل صلبیت، چقرمگی و استحکام حتی در دماهای بالا بهبود یابد. • فلذا کامپوزیتها دسته وسیعی از مواد را شامل میشوند.
دسته بندی کامپوزیت • بسیاری از کامپوزیتها متشکل از دو فاز هستند: • فاز ماتریس (Matrix) یا تقویت شونده که فاز پیوسته بوده و فاز دیگر را احاطه کرده است. • فاز پراکنده (dispersed phase) یا ناپیوسته یا تقویت کننده (reinforcement) • خواص کامپوزیت تابعی از خواص فازهای آن، درصد مشارکت هر یک و هندسه فاز پراکنده میباشد. • منظور از هندسه فاز پراکنده شکل ذرات، سایز ذرات، توزیع و جهت آنها میباشد.
دسته بندی کامپوزیت • بر مبنای فاز پراکنده یا تقویت کننده کامپوزیتها مطابق شکل زیر دسته بندی میشوند: سه دسته اصلی کامپوزیتها، تقویت کننده ذرات-تقویت کننده الیاف و کامپوزیتهای سازه ای میباشند. • در کامپوزیت با تقویت کننده ذرات، فاز پراکنده یا تقویت کننده، ذرات با ابعاد تقریبا مساوی در هر جهت می باشند. • در کامپوزیت تقویت کننده الیاف، فاز پراکنده بصورت الیاف است (نسبت طول به قطر زیاد) • کامپوزیتهای سازه ای تلفیقی از کامپوزیتها و مواد همگن می باشد.
کامپوزیتهای تقویت کننده ذرات (ذره ای)-PRC کامپوزیتهای ذرات به دو دسته تقسیم می شوند: 1- ذرات بزرگ (large particle) 2- تقویت پراکندگی (dispersion strengthened) • تفاوت این دو دسته در اندازه ذرات تقویت کننده و در نتیجه مکانیزم تقویت کنندگی کامپوزیت می باشد. • در کامپوزیت ذرات بزرگ، واژه بزرگ به این دلیل انتخاب شده تا نشان دهد که ترکیب ذرات و ماتریس در اندازه اتمها و مولکولها نیست. • در کامپوزیت ذرات بزرگ، ذرات تقویت کننده معمولا سخت تر و صلب تر از ماتریس هستند و از حرکت فاز ماتریس در نزدیکی ذرات جلوگیری به عمل می آورند. • ماتریس نیز مقداری از تنشهای اعمالی را به ذرات منتقل می کند و در نتیجه کسری از بار به عهده ذرات است.
کامپوزیتهای تقویت کننده ذرات (ذره ای)-PRC • درجه تقویت شوندگی کامپوزیت وابسته به میزان استحکام چسبندگی ذرات به ماتریس است (وجه مشترک ذرات و ماتریس). • در کامپوزیت تقویت پراکندگی، ذرات دارای قطر بسیار کم در حد 0.01-0.1 µm (10-100 nm) هستند. • در این کامپوزیتها، عمل و عکس العمل ذرات و ماتریس در محدوده قطر اتمها و مولکولها میباشد. • مکانیزم تقویت شوندگی در این کامپوزیت شبیه رسوب سختی در آلیاژها است. عمده بار توسط ماتریس تحمل میشود و ذرات پراکنده ریز از حرکت نابجاییها جلوگیری میکنند. لذا از تغییر شکل پلاستیک جلوگیری به عمل آمده و استحکام تسلیم، نهایی و سختی بهبود می یابد.
کامپوزیتهای ذرات بزرگ • یک از مثالهای معروف کامپوزیت ذرات بزرگ، بتون و آسفالت میباشد. در بتن ماتریس سیمان و ذرات، شن و ماسه هستند. در آسفالت، ماتریس قیر و ذرات، شن و ماسه هستند. • ذرات دارای هندسه های مختلفی هستند. ولی باید ابعادشان در جهتهای مختلف تقریبا یسکان باشد. برای تقویت موثر ذرات باید ریز و بطور یکنواخت داخل ماتریس توزیع شده باشند. • کسر حجمی دو فاز تاصیر بسزایی در خواص مکانیکی کامپوزیت دارد. برای تعیین مدول الاستیک کامپوزیت دو رابطه اساسی وجود دارد که توسط آنها میتوان محدود بالا و پایینی برای مدول الاستیک ترکیب را بدست آورد. • به این قوانین، قاعده ترکیب rule of mixture گویند.
قاعده یا قانون ترکیب • محدوه بالا برای برای مدول الاستیک کامپوزیت به قرار است: • محدوده پایینی برای مدول الاستیک از رابطه زیر بدست می آید: که در آن Em, Ep مدول الاستیک ماتریس و ذرات، Vm, Vp کسر حجمی ماتریس و ذرات است. • توجه شود که
کامپوزیت تنگستن – مس که در آن تنگستن فاز ذره و مس فاز ماتریس است. • کامپوزیت ذرات بزرگ در هر سه نوع ماده فلزی، سرامیکی و پلیمری بکار گرفته میشود. • سرمتها cermets کامپوزیتهای سرامیکی-فلزی هستند که در آنها ذرات بسیار سخت سرامیکی مثل کربید تیتانیوم (TiC) یا کربید تنگستن (WC) در ماتریس فلزاتی مثل کبالت و نیکل قرار می گیرند.
سرمتها- Cermets • این کامپوزیتها برای برش فولادهای سخت بکار میروند. • ذرات کربید سخت سطح برنده را تشکیل می دهند، ولی عیب آنها ترد بودن بسیار بالای آنها و شکستن در برابر تنشهای برشی میباشد. • لذا چقرمگی آنها را با افزودن به ماتریس شکل پذیر فلزی افزایش می دهند. این ماتریس ذرات کربید را از یکدیگر جدا کرده و مانع انتشار ترک از ذره ای به ذره دیگر میشود. • هیچ ماده ای به تنهایی خواص سرمتها ندارد. • در سرمتها کسر حجمی بالایی از ذرات (در حدود بالای 40%) بکار میرود. مثل سنگ برشها
لاستیکها-Rubber • مواد پلیمری نظیر الاستومترها و پلاستیکها به وقور به عنوان ماتریس در کامپوزیت به کار می روند. • بسیاری از لاستیکها rubber توسط ذرات کربن سیاه carbon black تقویت شده اند. کربن سیاه شامل ذرات بسیار ریز کروی (قطری در حدود 20-50 nm) است که توسط احتراق گاز طبیعی یا نفت در هوا تولید میشود. • وقتی این ماده ارزان به لاستیک اضافه شود، باعث افزایش استحکام نهایی، چقرمگی، مقاومت در برابر خوردگی و پارگی میشود. • تایر ماشینها دارای 15-30% کسر حجمی کربن سیاه است.
بتون - Concrete • بتون از انواع کامپوزیت ذرات بزرگ است که هر دو فاز ماتریس و تقویت کننده از جنس سرامیکها هستند. • گاها اشتباها به آن سیمان Cement گویند. • بتون شامل تجمعی از ذرات شن و ماسه است که توسط یک محیط چسبنده جامد (سیمان) به یکدیگر متصل شده اند. • برای آنکه میزان سیمان مصرفی (دارای هزینه بالا) کاهش یابد، از ذرات درشت ماسه در بتون استفاده میشود. • برای آنکه فضای خالی بین ذرات ماسه پر شود و تماس بین ذرات بخوبی صورت پذیرد، از ذرات شن نیز استفاده میشود. • معمولا بین 60-80% کسر حجمی بتون را ذرات ریز و درشت شن وماسه و مابقی را سیمان تشکیل میدهد.
اضافه کردن درست مقدار آب و تلفیق خوب سیمان و آب و ماسه و شن در کیفیت بتون و استحکام مرز مشترک چسبنده بین سیمان و ذرات شن و ماسه موثر است. • وجود خاک در شظن ماسه باعث میشود که سیمان بخوبی به ذرات شن و ماسه نچسبد و استحکام بتون کاهش یابد. • مزایای بتون: در محل مورد نیاز براحتی ریخته شده و در دمای اتاق سخت میشود. حتی در زیر آب نیز سخت میشود. • معایب: بسیار ترد است. استحکام کششی آن 1/15-1/10 استحکام فشاری آن است. سازه های بزرگ بتونی دچار انبساط و انقباض حرارتی قابل توجه میشوند. آب در سطح آن ایجاد حفره کرده و باعث نفوذ آب و یخ زدن آن در هوای سرد میشود.
بتون تقویت شده-Reinforced Concrete • استحکام بتون را بوسیله تقویت کننده هایی از جنس میله یا شبکه های فولادی میتوان افزایش داد. بدین ترتیب سازه تحمل بارهای کششی، فشاری و برشی بیشتری خواهد داشت. • تقویت کننده از گسترش ترک داخل بتون جلوگیری میکنند. • فولاد تقویت کننده خوبی برای بتون است. زیرا ضریب انبساط حرارتی آن با بتون تقریبا یکی است. همچنین داخل بتون سریعا زنگ نمیزند. • چسبندگی بین فولاد و سیمان نسبتا خوب است. این چسبندگی بوسیله ایجاد زائده روی میله افزایش میدهند. • افزودن الیاف شیشه، نایلون، پولی اتیلن نیز باعث افزایش استحکام بتون است.
بتون دارای پیش بار- Prestressed Concrete • روش دیگر افزایش استحکام بتون، ایجاد تنشهای پسماند فشاری در آن است. • روش اول: سیمهای با استحکام بالا داخل قالب خالی قرار داده شده و تحت کشش قرار میگیرند. بعد از ریختن بتون و سخت شدن آن، نیروی کششی روی سیمها برداشته شده و بتون تحت فشار قرار میگیرد. • روش دوم: سوراخهایی را بوسیله تعبیه لوله توخالی در سراسر بتون ایجاد کرده، بعد از سخت شده بتون از این سوراخها سیمهای فولادی رد کرده و تحت کشش قرار میدهند. لذا بتون تحت فشار قرار میگیرد.
کامپوزیتهای تقویت پراکندگی (ذرات ریز)- Dispersion Strengthened • آلیاژهای فلزی و فلزات میتنوانند توسط پخش ذرات بسیار ریز بسیار سخت (مثل ذرات سرامیکی مثل اکسید آلومینیوم) مستحکم و تقویت شوند. • مکانیزک تقویت کنندگی شامل جلوگیری از حرکت نابجاییها توسط ذرات تقویت کننده است. این روش در دمای بالا قابل بکارگیری است. • ذرات باید بگونه ای انتخاب شوند که با ماتریس واکنشی صورت ندهند. • مقدار کسر حجمی ذرات تقویت کنندهدر این حالت کم و در حد چند درصد است. • از جمله این کامپوزیتها میتوان به آلومینیوم-اکسید آلومینیوم اشاره داشت. ذرات پودر اکسید آلومینوم بسیار سخت بوده و به ماتریس نرم آلومینیوم اضافه میشوند.
کامپوزیتهای تقویت کننده الیاف- FRC • مهمترین نوع کامپوزیت، کامپوزیتهای با فاز تقویت کننده الیاف میباشند. • در این نوع کامپوزیتها، بار توسط ماتریس بین الیاف توزیع شده و توسط آنها تحمل میشود. • هدف از ساخت کامپوزیتهای تقویت شده الیافی، رسیدن به استحکام و صلبیت بالا در عین سبکی است. • برای بیان این خواص از استحکام ویژه و مدول ویژه استفاده میشود: استحکام ویژه (specific strength): نسبت استحکام کششی به وزن مدول ویژه (specific modulus): نسبت مدول الاستیک به وزن • کامپوزیتهای الیافی بر مبنای طول الیاف دسته بندی میشوند: الیاف پیوسته و خرد • در الیاف کوتاه، طول الیاف بسیار کوتاهتر از آن است که بتوانند تاثیر بسزایی در افزایش استحکام کامپوزیت داشته باشند.
تاثیر طول الیاف • خواص مکانیکی کامپوزیتهای الیافی، نه تنها به ویژگیهای الیاف بکار رفته، بلکه به درجه انتقال بار به الیاف توسط ماتریس بستگی دارد. • درجه انتقال بار به الیاف توسط ماتریس وابسته به استحکام و میزان چسبندگی الیاف به ماتریس در وجه مشترک بین آن دو میباشد. • اتصال الیاف و ماتریس در انتهای الیاف پایان می یابد و الگوی تغییر شکل ماتریس در حالت بارگذاری، مطابق شکل است. یعنی انتقال ابر در انتهای الیاف کاهش یافته و پایان میپذیرد.
طول بحرانی الیاف- Critical Fiber Length • طول بحرانی: حداقل طول مورد نیاز برای آنکه استحکام بخشی الیاف بصورت موثر باشد. • طول بحرانی Lc تابعی از قطر الیاف d، استحکام نهایی الیاف و استحکام وجه مشترک الیاف-ماتریس (یا استحکام برشی تسلیم ماتریس، هرکدام کوچکتر است) است: • در اغلب کامپوزیتهای الیاف شیشه و کربن، طول بحرانی در حدود 1 mm است که تقریبا 20-150 برابر قطر الیاف است.
طول بحرانی الیاف • توزیع تنش در الیاف با طول برابر طول بحرانی، کوچکتر و بزرگتر از آن در حالیکه تنش اعمالی به کامپوزیت برابر استحکام نهایی الیاف است، مطابق شکل است. • در طول بحرانی، تنها در وسط الیاف به حداکثر تحمل بار میتوان دست یافت. • اگر طول الیاف کمتر از طول بحرانی باشد، از حداکثر ظرفیت باربرداری الیاف استفاده نشده است. به کامپوزیتهایی که در آن طول الیاف L>>Lc باشد (معمولا L>15Lc)، کامپوزیت با الیاف پیوسته (Continuous) گویند. در غیر اینصورت به آن کامپوزیت با الیاف خرد یا کوتاه (short) گویند.
تاثیر زاویه الیاف و غلظت الیاف • زوایه الیاف و غلظت الیاف تاثیر بسزایی در خواص و استحکام کامپوزیت دارد. • با توجه به زاویه الیاف دو حالت امکان وقوع دارد: • چیدمان موازی و همراستای تمامی الیاف در یک جهت • جهتگیری نامنظم و تصادفی الیاف نسبت به یکدیگر • الیاف پیوسته معمولا همراستا هستند. در حالیکه الیاف خرد ممکن است همراستا و یا با جهت تصادفی باشند. توزیع الیاف معمولا یکنواخت است.
کامپوزیتهای الیاف پیوسته همراستا رفتار تنش-کرنش در بارگذاری کشش طولی پاسخ مکانیکی این نوع کامپوزیتها به سه عامل اساسی بستگی دارد: • رفتار تنش-کرنش فاز ماتریس و فاز الیاف • کسر حجمی الیاف و ماتریس • جهت اعمال بار • کامپوزیتهای با الیاف همراستا، خواص ناهمسانگرد (anisotropic) دارند. • نمودار تنش-کرنش برای فاز الیاف، فاز ماتریس و کامپوزیت در حالت بارگذاری طولی در شکل نشان داده شده است. • فرض شده که الیاف کاملا ترد و ماتریس شکل پذیر است.
رفتار تنش-کرنش در بارگذاری کشش طولی • دو مرحله در رفتار کامپوزیت مشاهده میشود: مرحله اول: هردوی الیاف و ماتریس بصورت الاستیک تغییر شکل میدهند. در این مرحله معمولا نمودار کامپوزیت بصورت خطی است. مرحله دوم: بعد از مرحله اول و در کرنشها بزرگتر از که ماتریس بصورت پلاستیک تغییر شکل میدهد. در حالیکه الیاف هنوز در منطقه رفتار الاستیک خطی هستند. در مرحله دوم رفتار شبیه خطی است، ولی با این تفاوت که شیب آن کاهش یافته است. • با عبور از مرحله اول و ورود به مرحله دوم، مقدار باری که به دوش الیاف می افتد، افزایش می یابد. • شروع تخریب کامپوزیت زمانی است که الیاف شروع به شکست میکنند یعنی در کرنش تقریبی
تخریب کامپوزیت از جنس شکستهای ناگهانی نیست. به دو علت: • همه الیاف در یک زمان دچار شکست نمیشوند. زیرا استحکام آنها دقیقا یکی نیست. • بعد از شکست الیاف، ماتریس هنوز دچار تخریب نشده است. لذا الیاف شکسته شده هنوز داخل ماتریسی قرار دارند که تغییر شکل پلاستیم میدهد. فلذا میتوانند قسمتی از بار را هنوز تحمل کنند. • البته تخریب کامپوزیت از نوع شکستهای ناگهانی (catastrophic) نیست. این امر به دو علت است: • همه الیاف در یک زمان دچار شکست نمیشوند. زیرا استحکام نهایی آنها دقیقا یک عدد نیست. • بعد از شکست الیاف، ماتریس هنوز دچار تخریب نشده است( ). بنابراین الیاف شکسته شده در داخل ماتریس با تغییر شکل پلاستیک هستند و هنوز میتوانند بارتحمل کنند.
رفتار الاستیک-بارگذاری طولی • حال توجه خود را به رفتار الاستیک (منطقه اول) کامپوزیتهای الیاف با بارگذاری در راستای طولی معطوف میکنیم. • فرض میشود که اتصال ماتریس و الیاف کاملا چسبنده است. لذا جابجایی آنها در راستای طولی در وجه مشترک یکسان است (فرض هم کرنشی). • کل باری که توسط کامپوزیت تحمل میشود Fc برابر است با مجموع بارهای تحمل شده توسط الیاف Ff و توسط ماتریس Fm. لذا با توجه به مفهوم تنش داریم:
با تقسیم طرفین رابطه بر سطح مقطع کل Ac داریم: • بنابراین تنشی که در الیاف و یا ماتریس توزیع میشود وابسته به کسر حجمی آنهاست. • از طرفی در هم کرنشی (isostrain) کرنش طولی الیاف، ماتریس و کامپوزیت یکسان است. لذا با تقسیم طرفین بر کرنش کامپوزیت داریم: • در واقع کامپوزیت بصورت یک ماده همگن با مدول الاستیک طولی Ecl بصورت زیر فرض شده است: • چگالی متوسط کامپوزیت نیز از رابطه مشابه بدست می آید:
نسبت بار الیاف به بار ماتریس • با استفاده از روابط قبلی نسبت باری بر دوش الیاف افتاده نسبت به ماتریس بصورت زیر بدست می آید:
مثال • یک کامپوزیت الیاف پیوسته حاوی 40% کسر حجمی الیاف شیشه و 60% کسر حجمی رزین پولی استر میباشد. مدول الاستیسیته الیاف شیشه69 Gpa و پولی استر بعد از آنکه سخت شد، 3.4 Gpa است. موارد زیر را حساب کنید: الف) مدول الاستیسیته کامپوزیت در جهت طولی ب) اگر سطح مقطع کامپوزیت 250 mm2 باشد و تنش در راستای طولی50 Mpa به کامپوزیت اعمال شود، مقدار باری که توسط هر یک از فازها تحمل میشود. ج) کرنش هر فاز را محاسبه نمایید. حل:
مثال محاسبه کرنش هر فاز
رفتار الاستیک-بارگذاری عرضی • در حالتی که کامپوزیت با الیاف پیوسته همراستا در جهت عرضی بارگذاری شود، تنش در کامپوزیت با تنش در هر یک از فازهای ماتریس و الیاف برابر است (هم تنشی): • تغییر شکل یا کرنش عرضی کل کامپوزیت از رابطه زیر تبعیت میکند:
اثبات: • در منطقه یک، رفتار کامپوزیت الاستیک خطی است. لذا داریم: • لذا مدول الاستیک عرضی کامپوزیت از رابطه بدست می آید. • روابط بدست آمده برای مدول الاستیک جانبی و طولی را برای کامپوزیتهای ذره ای (ذرات درشت) نیز میتوان بکار برد که در آن Ec=Ecl=Ect که در قبل به عنوان روابط حد بالا و حد پایین بیان شدند.
مثال • مثال قبلی را برای برای حالت بارگذاری جانبی حل کنید. • مدول الاستیک عرضی مقدار کمی بزرگتر از مدول الاستیک ماتریس است و در حدود 1/5 مدول الاستیک طولی کامپوزیت است.
استحکام نهایی طولی • استحکام نهایی برابر حداکثر تنشی است که کامپوزیت میتواند تحمل کند (حداکثر تنش در نمودار تنش-کرنش) و مترادف است با نقطه شکست الیاف. • مد تخریب در کامپوزیتها مقداری پیچیده و وابسته به خواص ماتریس، الیاف، و وجه مشترک الیاف با ماتریس است. • معمولا لذا الیاف زودتر از ماتریس دچار شکست شده و باری آنها به دوش ماتریس می افتد. • استجکام نهایی از رابطه زیر: • تنش ماتریس در کرنش است.
استحکام نهایی عرضی • استحکام نهایی کامپوزیتهای با الیاف پیوسته و تک جهته (unidirectional) ناهمسانگرد است. این نوع کامپوزیتها معمولا برای تحمل بار در راستای طولی طراحی میشوند. • انا به هر حال باگذاریهای عرضی هرچند کم، همواره موجودند. در این بارگذاریها، احتمال تخریب زودرس کامپوزیت وجود دارد. زیرا استحکام عرضی این نوع کامپوزیتها بسیار پایین است. • استحکام طولی بیشتر تحت تاثیر استحکام الیاف است. اما در استحکام عرضی خواص تابعی از سه عامل است: • خواص الیاف و ماتریس • استحکام وجه مشترک الیاف و ماتریس • وجود حباب (void) • اغلب برای بهبود استحکام عرضی کامپوزیت، خواص ماتریس را بهبود میدهند.
مشاهده میشود استحکام عرضی بسیار کمتر از استحکام طولی کامپوزیت و بعضا حتی کمتر از استحکام ماتریس است. در اینحالت کامپوزیت بجای تقویت، تضعیف شده است.
سوال • مشخصات 4 کامپوزیت فرضی داده شده است. آنها را بر اساس استحکام رده بندی نمایید. • بر اساس معیار طول بحرانی ایلاف، کامپوزیت A جزء کامپوزیتهای الیاف خرد بوده و مابقی کامپوزیت با الیاف پیوسته هستند. • با توجه به کسر حجمی و استحکام بیشتر الیاف کربن نسبت به الیاف شیشه، رده بندی بصورت C, D,B, A است.
کامپوزیتهای الیاف ناپیوسته همراستا • اگرچه تقویت کنندگی الیاف ناپیوسته کمتر از الیاف پیوسته است، اما استفاده از در حال گسترش است. الیاف خرد شیشه (chopped-glass fiber) در صنعت کامپوزیت به وفور استفاده میشود. • الیاف خورد کربن و آرامید نیز در برخی موارد کاربرد دارد. • کامپوزیتهای الیاف کوتاه در صورت ساخت صحیح، میتوانند مدول الاستیسیته برابر 90% و استحکام برابر 50% کامپوزیتهای الیاف پیوسته همتای خود داشته باشند.
استحکام این نوع کامپوزیتها با توجه به طول الیاف در دو حالت محاسبه میشود: • طول الیاف ناپیوسته همراستا (lc<l<15lc). استحکام نهایی طولی: • طول الیاف ناپیوسته همراستا (l<lc). استحکام نهایی طولی: که در آن d قطر الیاف، c استحکام وجه مشترک الیاف با ماتریس (یا استحکام تسلیم برشی ماتریس هر کدام کوچکتر است) میباشند.
کامپوزیتهای الیاف ناپیوسته با جهتهای تصادفی • چنانچه جهت الیاف تصادفی باشد، ازالیاف خرد استفاده میشود. در این حالت قانون ترکیب (rule of mixture) برای مدول الاستیسیته بصورت زیر است: • K پارامتر موثری الیاف (fiber efficiency) است که به مقدار آن وابسته به کسر حجمی الیاف Vf و نسبت Ef/Em است. • مقدار K کوچکتر از یک و مابین 0.1<K<0.6 است.
در جدول زیر اثر تقویت کنندگی الیاف خرد بر پلی کربنات بررسی شده است. • ملاحظه میشود که با وجود آنکه چگالی ماده خیلی عوض نشده است، استحکام نهایی آن حدودا 3 برابر و مدول الاستیسیته حدودا 5 برابر شده است. همچنین پلیکرنبات شکل پذیر بسیار تردتر شده است. • با افزایش کسر حجمی الیاف خرد، تقویت کنندگی آن افزایش می یابد.
