انواع نانوکامپوزیتها و کاربرد آنها در صنایع هوا و فضا

 

 

انواع نانوکامپوزیت­ها و کاربرد آنها در صنایع هوا و فضا

 

 

 

 

 

مقدمه 4

2-2- تاریخچه تولید کامپوزیت های زمینه فلزی 6

3-2- روش های تولید MMCs 8

1-3-2- روش ذوبی در تولید MMCs 8

1-1-3-2- روش گردابی یاVortex 8

2-1-3-2- مخلوط سازی فاز دوم با مذاب 9

3-1-3-2- ریخته گری کوبشی Squeeze Casting 9

4-1-3-2- کامپوزیت های درجا In-Situ Composites 10

2-3-2- روشهای حالت جامد در تولید MMCs 11

3-3-2- تخلخل در کامپوزیت 12

4-2- خوردگی کامپوزیت ها 12

1-5-2- انواع کامپوزیت های زمینه آلومینیومی 16

2-5-2- کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با ذرات(PAMC) 16

3-5-2- کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با الیاف کوتاه يا ويسكرز(SFAMC) 17

4-5-2- کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با الیاف پیوسته (CFAMC) 18

5-5-2- کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با بالك فيلامان MFAMC 18

6-2- نانو کامپوزيت هاي ماتريس / سراميکی 19

1-6-2- نانو کامپوزيت هاي سراميکي براي خواص مکانيکي مطلوب 22

2-6-2- نانو کامپوزيت هاي کربن – کربن 24

3-6-2- نانو کامپوزيت هاي ترکيب Sol – Gel 24

7-2- نانو کامپوزيت هاي ماتريس فلزي 25

1-7-2- روش انجماد سریع 27

1-1-7-2- خواص RPS 29

2-7-2- روش های اسپری حرارتی 29

3-7-2- روش آلیاژ مکانیکی 32

2-3-7-2- آنالیز پودری نانوکامپوزیتی 36

3-3-7-2- فشردن پودرهای نانوکامپوزیتی درون قوطی 38

4-3-7-2- تهیه نمونه آلومینیومی بدون ذرات تقویت کننده با ترکیب مشابه نمونه نانوکامپوزیتی 38

5-3-7-2- عملیات حرارتی نمونه اکسترود شده 39

8-2- کاربرد نانو کامپوزیت ها 41

1-8-2- نانو کامپوزيت ها براي پوشش دهي سخت 41

2-8-2- پوشش های نانوکامپوزيتی در سيستم های هوا فضا 45

3-8-2- نانوکامپوزیت ها درصنعت خودروسازی 46

4-8-2- نانو کامپوزیت های زمینه پلیمری درصنعت هوا – فضا 46

نتیجه گیری 47

 

 

مقدمه

رشته مواد نانو کامپوزيت توجه دانشمندان و مهندسان را در سالهاي اخير به خود جلب کرده است. نتايج بررسي استفاده از بلوکهاي ساختماني در ابعاد نانو, طراحي و ايجاد مواد جديد با انعطاف پذيري و پيشرفتهاي زياد در خواص فيزيکي آنها را ممکن مي سازد. قابليت ارتقاء کامپوزيت ها با استفاده از بلوکهاي ساختماني با گونه هاي شيميايي ناهمگن در رشته ها و بخش هاي مختلف علمي مطرح گرديده است. ساده ترين مثالها از چنين طراحي هايي, به صورت طبيعي در استخوان اتفاق
مي افتد که يک نانوکامپوزيت ساخته شده از قرص هاي سراميکي و چسبهاي آلي مي باشد. بدليل اين که اجزاء سازنده يک نانو کامپوزيت داراي ساختارها و ترکيبات مختلف و خواص مربوط به آنها
مي باشد، کاربردهاي زيادي را ارائه مي دهند. از اينرو موادي که از آنها توليد مي شوند, مي توانند چند کاره باشند. با الگو گرفتن از طبيعت و براساس نيازهاي تکنولوژي هاي پديد آمده در توليد مواد جديد با کاربردهاي مختلف در آن واحد براي مصارف گوناگون, دانشمندان استراتژي هاي ترکيبي زيادي را براي توليد نانو کامپوزيت ها بکار برده اند. اين استراتژي ها داراي مزاياي آشکاري در توليد مواد دانه درشت مشابه مي باشند. نيروي محرکه در توليد نانو کامپوزيت ها, اين واقعيت است که آنها خواص جديدي در مقايسه با مواد رايج ارائه مي دهند.

تصميم براي بهبود خواص و پيشرفت ويژگي هاي مواد از طريق ايجاد نانو کامپوزيت هاي چند فازي مسئله جديدي نيست. اين نظريه از زمان آغاز تمدن و بشريت و با توليد مواد برای کارآمدی بيشتر براي اهداف کاربردي مورد نظر بوده است. علاوه بر تنوع وسيع نانو کامپوزيت هاي يافت شده در طبيعت و موجودات (مثل استخوان) , يک مثال عالي براي کاربرد نانو کامپوزيت هاي ترکيبي در روزگار باستان, کشف جديد ساختمان نقاشي هاي مايان مي باشد که در دوران مسا مريكاس[1] بوجود آمدند. توصيف حالت هنر از اين نمونه هاي نقاشي آشکار مي سازد که ساختار رنگها, متشکل از ماتريسي از خاک رس آميخته شده با مولکولهاي رنگي آلي مي باشد. آنها همچنين محتوي ناخالصي هاي ذرات نانوي فلزي محفوظ در يک لايه سيليکاتي بي شکل همراه با ذرات نانوي اکسيدي روي لايه مي باشند . اين ذرات نانو تحت عمليات حرارتي و از ناخالص بوجود مي آيند (Cr , Mn , Fe) که در مواد خام مثل خاک رس موجود مي باشند ولي جمع و سايز آنها خصوصيات نوري رنگ نهائي را تحت تأثير قرار مي دهد. ترکيبي از خاک رس موجود که يک سوپر لاتيک مي سازد که در ارتباط با ذرات نانوي فلزات و اکسيدي پشتيباني شده روي لايه آمورف مي باشدو اين رنگ را يکي از اولين مواد مرکب مشابه نانو کامپوزيت هاي کاربردي مدرن مي سازد.

نانو کامپوزيت ها را مي توان ساختارهاي جامدي فرض کرد که داراي خواص مکرر بعدي با اندازه نانومتري بين فازهاي مختلف سازنده ساختار مي باشند. اين مواد متشکل از يک جامد غيرآلي (بستر يا ميزبان) محتوي يک جزء آلي و يا بالعکس مي باشند و يا مي توانند متشکل از دو يا چند فاز آلي / غيرآلي در چند فرم ترکيبي باشند با اين محدوديت که حداقل يکي از فازها يا ترکيبات, در ابعاد نانو باشد.

مثالهايي از نانو کامپوزيت عبارتند از پوششهاي متخلخل, ژل ها و ترکيبي از پليمرها, مثل ترکيبي از فازهاي با ابعاد نانو با تفاوتهاي فاحش در ساختار, ترکيب و خواص مي توان فازهاي با ساختار نانوي موجود در نانو کامپوزيت ها را صفر بعدي (مثل خوشه هاي اتمي تشکيل شده), تک بعدي (يک بعدي مثل نانوتيوپ ها) و دو بعدي (پوشش هاي با ضخامت نانو) و سه بعدي (شبکه هاي جاسازي شده) در کل مواد نانو کامپوزيت مي توانند داراي خواص مکانيکي, الکتريکي, الکتريکي, نوري, الکتروشيمي, کريستالي و ساختاري باشند, نسبت به مواردي که داراي اجزاء واحد و يگانه هستند. رفتار چند کاره براي هر ويژگي بخصوص ماده اغلب بيش از مجموع اجزاء تکي مي باشد.

هر دو روش پيچيده و ساده براي ساختن ساختارهاي نانو کامپوزيت وجود دارد يک سيستم عملي نانو کامپوزيت دو فازي, مثل کاتاليزرهاي پشتيبان مورد استفاده در کاتاليزر محرک (ذرات نانوي فلزي جاي گرفته روي پشتيبان هاي سراميکي), مي توانند بسادگي با بخار دادن فلز روي لايه و يا پراکنده کردن توسط حلال شيميايي آماده شوند. از طرف ديگر, ماده اي مثل استخوان که داراي ساختاري سلسله مراتبي با فازهاي پليمري و سراميکي مرکب مي باشد, با تکنيکهاي ترکيبي حاضر, به سختي مي تواند تکثير شود.

جدا از ويژگي هاي اجزاء تکي در يک نانو کامپوزيت, اشتراك اجزاءبا يكديگر در بهبود يا محدود کردن خواص کلي يک سيستم نقش مهمي بر عهده دارند.

با توجه به فصل مشترک زياد و وسيع ساختارهاي نانو, نانو کامپوزيت ها ارائه کننده فصل مشترک هاي زيادي بين فازهاي ادغام شده تشکيل دهنده مي باشند. خواص ويژه نانو کامپوزيت ها اغلب از اثر متقابل و تداخل فازهاي آن در فصل مشترک ها حاصل مي شوند. يک مثال عالي براي اين مطلب, رفتار مکانيکي کامپوزيت هاي پليمري پر شده با نانوتيوپ ها مي باشد. هر چند افزودن نانوتيوپ ها مي تواند امکان استحکام پذيري پليمرها را افزايش دهد, يک فصل مشترک بدون تداخل فازها فقط براي بوجود آوردن مناطق ضعيف در کامپوزيت کارائي دارد و هيچ بهبودي در خواص مکانيکي آن بوجود نخواهد آمد. برخلاف مواد نانو کامپوزيت, فصل مشترک ها در کامپوزيت هاي موسوم, تشکيل دهنده يک شکستگي بسيار کوچکتر در فلزات بالک مي باشد.

ذکر این نکته حائز اهمیت است که تحقیقات در مورد کاربرد و روشهای تولید نانو کامپوزیت ها در طول دهه اخیر در بسیاری از کشورهای دنیا و در کشور ایران گسترش یافت و در دنیای پیششرفته کنونی باعث تکامل صنایع مختلف نظیر صنعت هوا و فضا ،صنایع خودرو سازی و صنایع پزشکی و ... گریده است این پروژه در حال حاضر مروری بر سیستم های نانو کامپوزیت و نحوه فرایند تولید و خصوصیات و کاربردهای آنها دارد.

 

 

 

 

 

2-2- تاریخچه تولید کامپوزیت های زمینه فلزی

تولید MMCs [2]به سال1940 میلادی حین بهبود سرمت[3]باز می گردد .در گذشته اجزای غیر فلزی (سرامیکی) داخل فلزات یا آلیاژها را به عنوان عواملی که باعث تخریب خواص مکانیکی از جمله استحکام و انعطاف پذیری می شود ، می دانستند . در اواسط دهه ی 60 نيكل پوشش داده شده توسط پودر گرافیت را به وسیله جریان گاز آرگون در مذابی از آلیاژ آلومینیوم وارد کردند. این سرآغاز تولید و بررسی کامپوزیت های زمینه فلزی بود و تحت نام MMPC معرفی شد . در سال 1968 در انجمن تکنولوژی هندوستان در کنپور ، شخصی به وسیله ی روش به هم زدن موجبات اتصال ذرات آلومین به آلومینیوم را فراهم نمود و باعث بوجود آمدن کامپوزیت های آلومینیوم – آلومین گردید . این اختراع تحت نام روش ریخته گری به هم زدنی نامیده شد[1].

در اوایل دهه ی هفتاد انجمن تکنولوژی ماساچوست روشی را به ثبت رساند که در آن اجزای غیر فلزی را در آلیاژهای شبه جامد در درجه حرارتی بین شالیدوس ولیکوئیدوس برای همان آلیاژ در مخلوط قرار می داد و تولیدکامپوزیت می کرد . در این پروسه تاخیر در تر شدن و دیر تر شدن ذرات باعث افزایش ویسکوزیته آلیاژ شبه جامد می شد . در دانشگاه رودکی یک ترتیب و نظمی برای فرو بردن ناخالصیها (ذرات) معرفی شد . این ترتیب و نظم به این شکل بود که ابتدا به وسیله به هم زدن ، مذاب و پارتکیل ها را به صورت دوغاب در آمده و نیازی به هم زدن تا انتهای کار نباشد. در روشهای پراکنده سازی ذرات و روش آلیاژهای شبه جامد می توان متد های گوناگونی را بکار برد اما مقدار ذرات مصرفی محدود می باشد چرا که دوغاب مذاب حاوی ذرات برای ریخته گری یک حداقل سیالیت را لازم دارد. بقیه ی روشهای تولید کامپوزیت زمینه فلزی را در این بخش به طور مختصر، و در فصل روش های تلفیق به طور کامل توضیح داده می شود. مهمترین حسن این گروه حفظ خواص در دمای بالا می باشد. از دیگر مزایا می توان به استحكام كششي نهايي بالا، مقاومت به ضربه بالا، توانایی آزاد سازی تنش (بدلیل قابلیت تغییر شکل پلاستیک) و مقاومت به خوردگی بالا اشاره کرد [1].

در تولید MMCs باید پارامترهای زیادی مد نظر قرار گیرند که مهمترین آن ها عبارتند از :

a) در انتخاب مواد باید دقت شود . با توجه به اینکه اغلب ، فاز دوم دارای جنس سرامیک می باشند و بیشتر سرامیک ها با فلزات واکنش می دهند و تولید ترکیبات بین فلزی[4] این مواد بسیار ترد و شکننده هستند و خواص را کاهش می دهند (البته باید در نظر داشت که واکنش باید انجام گیرد ).

b) چون هدف بدست آوردن یک ماده سبک است پس بیشترین کاربرد راMg ،Al تا حدودی و در بعضی موارد خواهند داشت[1] .

خیس شوندگی ذرات باید در نظر گرفته شود . زمینه باید قابلیت تر شوندگی سرامیک را داشته باشد

3-2- روش های تولید MMCs

1-3-2- روش ذوبی در تولید MMCs

در روش های ذوبی فلز زمینه ذوب شده با فلز دوم ادغام می شود و کامپوزیت تولید می گردد . مانند روش های گردابی ، نیمه جامد – نیمه مایع ، ریخته گری کوبشی ، پاشش همزمان ، درجا و...[1] .

 

 

1-1-3-2- روش گردابی یاVortex

در این روش یک همزن در داخل مذاب وجود دارد که عمل هم زدن را انجام می دهد . در حین هم زدن فاز دوم (سرامیک ) از بالا وارد می شوند و مخلوطی از مذاب و سرامیک ایجاد می شود این مخلوط دوغاب کامپوزیتی نیز نامیده می شود . سپس از روش های مختلف ریخته گری می توان قطعات کامپوزیتی تولید کرد[1].

محاسن :

1- از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است چون به تجهیزات پیچیده ای نیاز نمی باشد .

2- محدودیت در شکل و اندازه قطعات وجود ندارد.

3- اگر تخلیل در حد قابل قبول باشد نیاز به فرآیند ثانویه نمی باشد.

4- قابلیت بازیابی مجدد وجود دارد .

مشخصات روش گردابی :

a) انتخاب مواد اولیه: همه موارد انتخاب باید مد نظر قرار گیرد . همچنین چون زمان تماس مذاب با سرامیک نسبتاً طولانی است (درحین هم زدن و ریخته گری ) امکان تخریب سرامیک بدلیل واکنش مخرب وجود دارد ، پس باید در انتخاب مواد دقت کرد.

b) اختلاف (ضریب انبساط حرارتی ) زمینه و فاز دوم : چون از دمای بالا تولید می شوند این اختلاف سبب تشکیل دانسیته نابجایی در اطراف ذرات می شوند. در نتیجه ذره تحت فشار و زمینه تحت کشش می باشد . به این مسئله تطابق فیزیکی گویند این مسئله از لحاظ پیر سختی مفید است .

c) خیس شوندگی : باید مد نظر قرار گیرد . عدم خیس شوندگی عدم اختلاط را به همراه دارد. گاهی اوقات برای تکامل خیس شوندگی ذرات پیش گرم شوند . مانند SiCکه در 900⁰cبه مدت 1تا 3 ساعت حرارت می دهند . بدلیل :

1- از بین رفتن رطوبت و ناخالصی های سطحی که باعث می شود کلوخه ای شدن اتفاق نیفتد.

2- شیمی سطح تعویض می شود. با حرارت SiC₂تشکیل شده که باعث بهبود تر شوندگی می گردد[1].

2-1-3-2- مخلوط سازی فاز دوم با مذاب

اولین مرحله جهت تولید کامپوزیت خوب توزیع ذرات فاز دوم در دوغاب است . در این مورد اکسیدهای سطحی را باید در نظر گرفت زیرا ایجاد مزاحمت می کنند . هم چنین برخورد بین ذرات نیز باید در نظر گرفته شود . مهمترین مسئله جهت توزیع ذوب هم زدن می باشد. جهت دستیابی به توزیع خوب در هم زدن ، همزن باید شرایط خاصی داشته باشد . همزن هم می تواند جریان شعاعی و هم می تواند جریان محوری ایجاد کند وجود هردو جریان با هم بهترین حالت خواهد بود[1] .

جهت انجام بهینه هم زدن به پارامترهای زیر باید توجه کرد .

1- شکل و تعداد همزن .

2- سرعت چرخش همزن

3- اندازه همزن .

4- فاصله همزن از کف بوته.

 

3-1-3-2- ریخته گری کوبشی Squeeze Casting

آهنگری در حال مذاب هم نامیده می شود . این روش دو تفاوت اساسی با ریخته گری تحت فشار دارد که عبارتند از :

1- فشار در ریخته گری کوبش در دامنهMPa55 تاMPa200 می باشد ولی در ریخته گری تحت فشار حداکثرMPa15 می باشد .

2- در روش کوبشی فشار با پایان انجماد ادامه دارد ولی در تحت فشار وقتی قالب پر می شود فشار قطع می شود .

به هر حال این روش در مقایسه با روش سنتی مزیت هایی دارد که عبارتند از :

1- به خاطر فشار زیاد می توان قطعات را نزدیک به شکل نهایی تولید کرد.

2- سرعت تولید بالاست .

3- قطعات تولیدی با این روش فاقد تخلخل گازی و انقباضی هستند زیرا :

a) به دلیل فشار زیاد نیازی به فوق گداز جهت سیالیست کافی نخواهیم داشت ، لذا جذب گاز کاهش می یابد.

b) چون تا پایان انجمادفشار ادامه دارد حفرات انقباضی کاهش می یابد.

4- بدلیل انتقال حرارت سریع فلز زود منجمد می شود و فرصتی برای جدایش ندارد .

معایب ریخته گری کوبشی در کامپوزیت ها

1- فشار زیاد سبب تغییر شکل اوليه كامپوزيت می شوند. (شکلی از فاز دوم که آماده می شود ، درون قالب قرار می گیرد وسپس مذاب به داخل آن نفوذ داده می شود ) .

2- با توجه به اینکه باید موادی با انجماد پوسته ای انتخاب کنیم در محدوده انتخاب آلیاژ محدودیت داریم .

3- نیاز به تجهیزات پیچیده جهت اعمال فشار زیاد می باشد[1] .

4-1-3-2- کامپوزیت های درجا In-Situ Composites

به طور کلی کامپوزیت درجا به کامپوزیت هایی اطلاق می شود که فاز دوم در اثر واکنش هایی درون مذاب تشکیل می شود .

1- فاز دوم در اثر واکنش بین زمینه و یک عامل خارجی مثل گاز ، مایع و جامد صورت می گیرد

2- فاز دوم در اثر واکنش یوتکتیک در مذاب صورت می گیرد.

به عنوان مثال برای نوع اول کامپوزیت های درجا ، با وارد کردن گاز اکسیژن باعث تشکیل اکسید در مذاب به عنوان فاز دوم می شود . محاسن نوع اول كامپوزيت هاي درجا عبارتند از :

1- نیاز به فاز دوم به صورت الیاف یا ذرات نمی باشد .

2- مشکلات عدم خیس شوندگی وجود ندارد .

3- مسئله هم زدن نداریم .

4- توزیع یکنواخت می باشد .

در مورد نوع دوم اگر شرایط انجماد توسط شیب حرارتی(G)سرعت(R) رشد کنترل شود آلیاژ به صورت یوتکتیک یا کامپوزیت لایه ای و یا میله ای خواهد شد . محاسن نوع دوم كامپوزيت هاي درجا عبارتند از :

 

1- افزایش استحکام .

2- چسبندگی بیشتر ذرات .

3- عدم واکنش مخرب بین فاز دوم و زمینه .

و همچنين معایب کامپوزیت های درجا به شرح ذيل مي باشد :

1- در اشکال پیچیده نمی توان انجماد جهت دار یا با جبهه مسطح داشت . پس مخصوص اشکال ساده می باشد .

2- باید آلیاژ کاملا خالص باشد . فاز خالص جلوی رشد مزدوج را می گیرد[1].

2-3-2- روشهای حالت جامد در تولید MMCs

در این روشها نیازی به ذوب کردن آلیاژ زمینه نمی باشد و در حالت جامد کامپوزیت سازی انجام
می شود.

1- روش اتصال دیفوزیونی : در این روش الیاف بین دو ورق زمینه تمیز کاری شده قرار می گیرد
( مانند ساندویچ ) سپس تحت فشار ، دما و زمان قرار می گیرد در نتیجه اتصال نفوذی بین لایه ها و فاز دوم بوجود می آید .

2- روش نورد

3- روش اکستروژن

4- روش متالورژی پودر : شبیه به متالوژی پودر سنتی می باشد با این تفاوت که به پودر فلز ، ذرات یا الیاف کوتاه سرامیکی اضافه می شود و محاسن متالورژي پودر به شرح ذيل است :

a) پیوند ذرات و زمینه خوب است .

b) توزیع خوب می باشد .

 

1- Mesoamericas

1- Metal matrix composites

2-Cermet

1-Intermetalic

 

 

شامل ورد 48صفحه ای