شکل هاي مواد زمينه
فلزات به صورت روتين در گستره ي وسيعي از شکل هاي توليدي، در دسترس هستند.
اين شکل هاي توليدي در عمليات هاي توليدي بعدي مورد استفاده قرار مي گيرند. اين شکل ها شامل مواد ذوب مجدد شده براي ريخته گري، مواد شکل داده شده مانند سيم، فويل، صفحه، ميله، پليت، گونه هاي مختلفي از اشکال اکسترود شده و پودر مي شود. بسياري از اين اشکال مختلف براي توليد کامپوزيت هاي زمينه فلزي استفاده مي شوند. روش هاي ذوبي مانند تصفيه فلز مايع مي شود که اين روش ها نيازمند ترکيبات با قابليت ذوب مجدد هستند. روش هاي فويل / الياف/ فويل نيازمند فويل هاي زمينه به ضخامت مناسب ( به طور نمونه 0.1 ميلي متر يا 0.004 اينچ) هستند. به طورعمومي، فويل به معناي يک محصول پيچيده ( به صورت توپ در آمده) با ضخامت کمتر از 0.012 اينچ (0.3 ميلي متر) است. چنين ضخامتي به سهولت در دسترس است و از عبور بسياري از آلياژهاي زمينه اي داکتيل از ميان دو غلطک بدست مي آيد، البته ممکن است که براي آلياژهاي با کار سختي بالا از روش هاي خاص استفاده شود. بسياري از فلزات را مي توان با روش هاي متنوعي به حالت پودر در آورد.
انواع مواد زمينه
بسياري از کاربردهاي کامپوزيت زمينه فلزي داراي ملاحظات بغير از استحکام هستند. براي مثال، در کنتاکت هاي الکتريکي و بنابراين احتياجات متناظري از لحاظ نوع مواد زمينه وجود دارد. فلزات خالص عموماً نرم و کم دوام هستند. در حالي که داراي رسانندگي الکتريکي و گرمايي خوبي هستند. اين مسأله به دليل عواملي بوجود مي آيد که موجب تغيير فرم پلاستيک آسان و استحکام پايين همراه با داکتيليتي بالا و همچنين اجازه ي حرکت آسان الکترون هاي آزاد مهيا مي گردد ( اين حرکت آسان موجب افزايش رسانش گرمايي و الکتريکي فلز خالص مي گردد) . بنابراين در کاربردهايي که نياز به رسانايي گرمايي يا الکتريکي بالا به همراه استحکام بالا و مقاومت در برابر سايش، داريم (براي مثال در نوک هاي کنتاکت ) از کامپوزيت هاي با زمينه فلزي با فلز خالص که با تقويت کننده هاي سراميکي ساخته شده اند، استفاده مي شود.
در سال هاي اخير، تأکيد رو به رشدي بر استفاده از ترکيبات آلياژي شبيه به ترکيبات اينترمتاليک کامل مانند تيتانيم آلومينيوم، انجام شده است. ترکيبات اينترمتاليک اين چنيني و آلياژهاي آنها اغلب ترکيبات جالب با دانسيته ي پايين، نقطه ذوب بالا و استحکام بالا در دماهاي بالا ايجاد مي کنند. به عبارت ديگر، داکتيليتي چنين ترکيباتي عمدتاً ضعيف است که علت آن اين است که پيوندهاي موجود در اين مواد اغلباً به جاي پيوندهاي فلزي، پيوندهاي کوالانسي ويوني هستند.
آلياژهاي زمينه همچنين براساس دماي ذوب نيز طبقه بندي مي شوند. به طورغيرطبيعي، به خاطر دماهاي ذوب بالا که در کامپوزيت هاي حاوي موليبدن، نيوبيوم و شگستن اتفاق مي افتد، اين کامپوزيت ها را اجسام نسوز مي نامند البته جسم نسوز به معناي جسمي است که به سختي ذوب مي شود، و در اصل به اشتباه به اين اجسام نسوز مي گويند. فلزاتي مانند آهن، نيکل و مس داراي رفتار ذوب شدن متوسطي هستند. در حالي که آلومينيوم و منيزيم مواد با دماي ذوب نسبتاً پايين تري هستند.
فلزات مختلفي در ساخت کامپوزيت هاي زمينه فلزي استفاده مي شوند با انتخاب مواد زمينه، بنياني براي طبقه بندي اين کامپوزيت ها ميسر مي سازد. سيستم هاي آلياژي شامل آلومينيوم، مس، آهن (فولادها)، منيزيم، نيکل، تيتانيم به عنوان زمينه مصرف مي شوند. که به عنوان نمونه، از بين اين مواد در مورد آلياژهاي آلومينيوم صحبت مي کنيم.
آلومينيوم
گستره ي وسيعي از آلياژهاي آلومينيوم در شکل هاي متنوع در کامپوزيت هاي زمينه فلزي استفاده مي شود. دانستيه ي اغلب آلياژهاي آلومينيوم به دانسيته ي آلومينيوم خالص نزديک است که اين مقدار تقريباً 0.1 پوند بر اينچ مربع (2698 کيلوگرم بر متر مربع) است. آلومينيوم خالص در دماي 1220 درجه فارنهايت (660 درجه سانتيگراد) ذوب مي شود. اين دماي ذوب نسبتاً پايين در مقايسه با اکثر فلزات مستعد براي زمينه، باعث تسهيل فرآيند توليد کامپوزيت هاي زمينه فلزي پايه آلومينيوم مانند متالورژي پودر و روش هاي قالب گيري مي گردد. آلياژهاي آلومينيوم به طور عمده بر اساس روش شکل دهي ( بدون استفاده از ريخته گري و يا مواد قالب گيري طبقه بندي مي شوند. علاوه بر اين کامپوزيت هاي توليدي به روش بدون ريخته گري همچنين به شکل پودر نيز وجود دارند. واژه ي بدون ريخته گري به معناي اين است که اين مواد ابتدائاً بوسيله ي روش هاي مکانيکي شکل دهي شده اند؛ اين روش هاي مکانيکي، توليداتي مانند صفحات غلطک کاري شده، ورق يا صفحات، انواع شکل هاي اکسترود شده، لوله، قطعات خرج شده، سيم، ميله و يا شمش را توليد مي کنند.
استفاده از فويل هاي آلياژي آلومينيومي و فرآيندهاي توليدي در دماي پايين، باعث توليد موفق و استفاده ي کامپوزيت هاي زمينه آلومينيومي مي شود. اين کامپوزيت ها به روش فويل/ الياف/ فويل توليد مي شوند و بوسيله ي الياف بور يا الياف بور پوشش داده شده با سيليسيم کاربيد تقويت مي شوند. اين کامپوزيت ها در دهه ي 1970 براي کاربردهاي هوايي استفاده مي شده است. از آلياژ 6061Al-Mg-Si در شکل فويل نيز در برخي موارد استفاده مي شود. همچنين از آلياژهاي با چنين ترکيبي و به صورت ريخته گري براي توليد زمينه هاي مناسب براي کامپوزيت هاي تقويت شده با الياف مداوم گرافيت- آلومينيوم استفاده مي شوند.
بسياري از ترکيبات آلياژي آلومينيومي براي توليد به روش اکستروژن و کامپوزيت هاي زمينه فلزي تقويت شده با الياف کوتاه مناسب هستند. و خواه شکل دهي نهايي به روش متالورژي پودر باشد يا روش هاي قالب گيري، اين مواد با اين فرآيند توليد مي شوند. آلياژهاي آلومينيوم نامزد براي استفاده در توليدات قالب گيري عمدتاً به صورت شمش هايي با اندازه هاي متفاوت وجود دارند. همچنين اين آلياژها در شکل هاي مناسب براي ذوب مجدد نيز وجود دارند. کاربردهاي چنين مواد ريخته گري شامل توليد اجزاي قالب گيري است که در آلومينيوم تقويت شده با الياف کوتاه (DRA) استفاده مي شوند. همچنين به خاطر اينکه ذرات تقويت کننده در اين کامپوزيت ها به صورت يکنواخت پخش شوند، مذاب حاوي ذرات تقويت کننده پيش از ريخته گري و انجماد، به کمک هم زن، يکنواخت مي شود.
در هر دو نوع از کامپوزيت هاي آلياژي (چه آنها که ريخته گري شده اند و چه آنها که به روش هاي مختلف شکل دهي شده اند)، نقش عمده را افزودني هاي آلياژي بازي مي کنند. آلياژهاي شکل داده شده با 4 رقم معين مي شوند در حالي که ترکيبات ريخته گري با 3 رقم معين مي شوند. (جدول 1) هر دو نوع ترکيبات آلياژي و ريخته گري ممکن است بر طبق روش بدست آوردن خواص مکانيکي (عمليات گرمايي شده يا نشده) نيز طبقه بندي مي شوند.
آلياژهاي شکل داده شده سري 7xxx, 6xxx, 2xxx عمدتاً قابليت عمليات حرارتي دارند و آنهايي که شامل مقدار زيادي عنصر آلياژي ليتيم (مثل تعدادي از آلياژهاي 8xxx) هستند نيز قابليت عمليات حرارتي دارند.
عمليات حرارتي نمونه وار که ممکن است انجام شوند ممکن است شامل عمليات حرارتي انحلالي، آب دادن در محيط مايع و پرسازي پسين شود. يک عمليات تمپرکردن نيز براي کم کردن نتايج عمليات حرارتي اضافه مي گردد.
آلياژهاي بدون قابليت عمليات حرارتي، آنهايي هستند که با عمليات حرارتي به صورت قابل ملاحظه اي سخت نمي شوند. از اين رو ارزش عمليات حرارتي را ندارند. استحکام اين مواد با عناصر آلياژي موجود در محلول جامد و مقدار کار سرد انجام شده بر روي آنها تعيين مي گردد. آلياژهاي شکل داده شده ي سري 5xxx, 4xxx, 3xxx, 1xxx عمدتاً به طور کامل آنيل شده و نرم هستند.
مواد تقويت کننده
مواد تقويت کننده در کامپوزيت هاي زمينه فلزي جدا از هم يا فازي ثانويه است که به يک زمينه ي فلزي اضافه شده اند. نتيجه ي اين اضافه شدن ايجاد يک شبکه است که برخي از خواص آن بهبود يافته است، به طور نمونه وار، خواصي همچون استحکام و پاسختي افزايش مي يابد. اغلب مواد تقويت کننده ي مورد استفاده در کامپوزيت هاي زمينه فلزي، سراميک ها (اکسيدها، کاربيدها، نيتريدها و ...) هستند. سراميک ها موادي ويژه از لحاظ استحکام و سختي در محيط هاي با دماي معمولي و دما بالا هستند. مثال هاي عادي از تقويت کننده هاي کامپوزيت هاي زمينه فلزي شامل موارد زير مي شود:
1- SiC
2-Al2O3
3- TiB2
4- B4C
5- گرافيت
البته تقويت کننده هاي فلزي در اين کامپوزيت ها کمتر استفاده مي شود.
تقويت کننده ها به دو گروه عمده تقسيم مي شوند:
1-تقويت کننده هاي ذره اي يا ويسکرها
2-تقويت کننده هاي اليافي
تقويت کننده هاي اليافي را مي توان به صورت مجدد به دو گروه زير تقسيم کرد:
1-الياف يکپارچه (مداوم)
2-الياف کوتاه (غير مداوم)
الياف با توجه به جهت قرارگيري شان استحکام را بالا مي برند. در سمت عمود بر جهت قرارگيري الياف، استحکام کمتر از سمت موازي با الياف است. (اين مسأله از خصوصيات کامپوزيت هاي با تقويت کننده ي يکپارچه است). کامپوزيت هاي زمينه فلزي تقويت شده با الياف کوتاه (غير مداوم)، خواص ايزوتروپيک بهتري از خود به نمايش مي گذارند. به عبارت ديگر خواص اين مواد در جهات مختلف يکنواخت تر است.
نقش تقويت کننده
نقش تقويت کننده به نوع ساختار کامپوزيت زمينه فلزي وابسته است. در کامپوزيت هاي زمينه فلزي تقويت شده با ذرات ويسکر، زمينه جزء اصلي تحمل کننده ي بار اعمالي است. نقش تقويت کننده ايجاد استحکام و سختي کامپوزيت بواسطه ي جلوگيري از تغيير شکل زمينه است. که اين عمل با موانع فيزيکي ايجاد شده بوسيله ي تقويت کننده انجام مي شود. اين موانع عمدتاً تابعي از نسبت فاصله ي قرارگيري ذرات به قطر ذرات است. در کامپوزيت هاي زمينه فلزي تقويت شده با الياف يکپارچه، تقويت کننده جزء اصلي تحمل کننده ي بار اعمالي است. زمينه ي فلزي در اين کامپوزيت ها براي نگهداري الياف تقويت کننده در کنار هم و توزيع هرچه بهتر بار در کامپوزيت، به خدمت گرفته مي شوند.
کامپوزهاي تقويت شده با الياف کوتاه خواصي ميان کامپوزيت هاي تقويت شده با الياف يکپارچه و کامپوزيت هاي تقويت شده با ذرات دارد. بطور نمونه، اضافه کردن تقويت کننده، استحکام، سختي و ظرفيت گرمايي را افزايش مي دهد در حالي که ضريب انبساط گرمايي کامپوزيت زمينه فلزي را کاهش مي دهد. در هنگامي که تقويت کننده با فلز دانس تري ترکيب شود، تقويت کننده همچنين نقش کاهش دهنده ي دانسيته ي کامپوزيت را نيز ايفا مي کند. که اين کار موجب ايجاد خواصي مانند استحکام ويژه در کامپوزيت مي گردد.
پوشش هاي تقويت کننده
نقش پوشش ها
در بسياري از کامپوزيت هاي زمينه فلزي، اين لازم است که پيش از مخلوط کردن تقويت کننده با زمينه ي فلزي، تقويت کننده را با يک لايه ي نازک پوشش دهيم.
به طور عمومي،پوشش هاي ايجادي بر روي الياف مزايايي زير را دارا مي باشند:
1-جلوگيري از واکنش الياف با زمينه و يا نفوذ آن ها در هم بوسيله ي ايجاد يک ممانعت کننده ي نفوذ
2-جلوگيري از تماس مستقيم الياف به همديگر
3- افزايش خيس شوندگي و بهبود کيفيت پيوند ميان زمينه و الياف
4-محافظت از الياف در طي کار کردن با آنها
5- آزادسازي تنش هاي گرمايي يا از ميان بردن تمرکز تنش ها ميان الياف و زمينه در برخي موارد اجزاي تقويت کننده براي افزايش فرآيند ترکيب شدن پوشش داده مي شوند. که اين کار با ايجاد خاصيت تر شوندگي و کاهش واکنش هاي بين سطحي انجام مي شود.
انواع پوشش ها
چندين تکنيک براي ايجاد لايه ي نازک بر روي الياف بلند و کوتاه وجود دارد. البته روش هاي کمتري براي پوشش دهي الياف کوتاه و ذرات وجود دارد.
يکي از روش هاي لايه نشاني، روش رسوب گذاري شيميايي فاز بخار (CVD) است. در اين روش، الياف گرم از يک ناحيه واکنش عبور مي کنند که در اين ناحيه بخارات مواد مورد نظر ما بواسطه ي تجزيه ي گرمايي يک ماده ي ديگر يا واکنش شيميايي دو ماده با همديگر بوجود آمده و برروي سطح الياف نشانده مي شوند. در برخي اوقات، فرآيند لايه نشاني بوسيله ي يک پلاسماي بارالکتريکي (Plasma-assisted CVD) افزايش مي يابد. روش رسوب گذاري فيزيکي فاز بخار (PVD) ، يکي ديگر از روش هاي لايه نشاني بر روي الياف است. هنگامي که قابليت تر شوندگي يک جسم افزايش يابد و پوشش دهي براي ايجاد يک لايه ي محافظ انجام شود، يکپارچگي و ساختار لايه ي ايجاد شده کمتر به عنوان يک مسأله مورد توجه قرار مي گيرد. لايه هاي مانع براي محافظت الياف ازحملات شيميايي بوسيله ي زمينه بايد علاوه بر اين پايداري ترموديناميکي داشته باشند و همچنين انتقال عوامل واکنش دهنده از ميان آن غيرممکن باشد. عامل فلاکس با نمک هاي فعال مانند K2ZrF6 براي افزايش تر شوندگي اجزاي کربني و الياف سيليسيم کاربيدي در زمينه ي آلومينيوم استفاده مي شون
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)