دانلود مقاله انواع نانوکامپوزیت ها و کاربرد آنها در صنایع هوا و فضا

مقدمه رشته مواد نانو کامپوزیت توجه دانشمندان و مهندسان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است.

نتایج بررسی استفاده از بلوکهای ساختمانی در ابعاد نانو, طراحی و ایجاد مواد جدید با انعطاف پذیری و پیشرفتهای زیاد در خواص فیزیکی آنها را ممکن می سازد.

قابلیت ارتقاء کامپوزیت ها با استفاده از بلوکهای ساختمانی با گونه های شیمیایی ناهمگن در رشته ها و بخش های مختلف علمی مطرح گردیده است.

ساده ترین مثالها از چنین طراحی هایی, به صورت طبیعی در استخوان اتفاق می افتد که یک نانوکامپوزیت ساخته شده از قرص های سرامیکی و چسبهای آلی می باشد.

بدلیل این که اجزاء سازنده یک نانو کامپوزیت دارای ساختارها و ترکیبات مختلف و خواص مربوط به آنها می باشد، کاربردهای زیادی را ارائه می دهند.

از اینرو موادی که از آنها تولید می شوند, می توانند چند کاره باشند.

با الگو گرفتن از طبیعت و براساس نیازهای تکنولوژی های پدید آمده در تولید مواد جدید با کاربردهای مختلف در آن واحد برای مصارف گوناگون, دانشمندان استراتژی های ترکیبی زیادی را برای تولید نانو کامپوزیت ها بکار برده اند.

این استراتژی ها دارای مزایای آشکاری در تولید مواد دانه درشت مشابه می باشند.

نیروی محرکه در تولید نانو کامپوزیت ها, این واقعیت است که آنها خواص جدیدی در مقایسه با مواد رایج ارائه می دهند.

تصمیم برای بهبود خواص و پیشرفت ویژگی های مواد از طریق ایجاد نانو کامپوزیت های چند فازی مسئله جدیدی نیست.

این نظریه از زمان آغاز تمدن و بشریت و با تولید مواد برای کارآمدی بیشتر برای اهداف کاربردی مورد نظر بوده است.

علاوه بر تنوع وسیع نانو کامپوزیت های یافت شده در طبیعت و موجودات (مثل استخوان) , یک مثال عالی برای کاربرد نانو کامپوزیت های ترکیبی در روزگار باستان, کشف جدید ساختمان نقاشی های مایان می باشد که در دوران مسا مریکاس[1] بوجود آمدند.

توصیف حالت هنر از این نمونه های نقاشی آشکار می سازد که ساختار رنگها, متشکل از ماتریسی از خاک رس آمیخته شده با مولکولهای رنگی آلی می باشد.

آنها همچنین محتوی ناخالصی های ذرات نانوی فلزی محفوظ در یک لایه سیلیکاتی بی شکل همراه با ذرات نانوی اکسیدی روی لایه می باشند .

این ذرات نانو تحت عملیات حرارتی و از ناخالص بوجود می آیند (Cr , Mn , Fe) که در مواد خام مثل خاک رس موجود می باشند ولی جمع و سایز آنها خصوصیات نوری رنگ نهائی را تحت تأثیر قرار می دهد.

ترکیبی از خاک رس موجود که یک سوپر لاتیک می سازد که در ارتباط با ذرات نانوی فلزات و اکسیدی پشتیبانی شده روی لایه آمورف می باشدو این رنگ را یکی از اولین مواد مرکب مشابه نانو کامپوزیت های کاربردی مدرن می سازد.

نانو کامپوزیت ها را می توان ساختارهای جامدی فرض کرد که دارای خواص مکرر بعدی با اندازه نانومتری بین فازهای مختلف سازنده ساختار می باشند.

این مواد متشکل از یک جامد غیرآلی (بستر یا میزبان) محتوی یک جزء آلی و یا بالعکس می باشند و یا می توانند متشکل از دو یا چند فاز آلی / غیرآلی در چند فرم ترکیبی باشند با این محدودیت که حداقل یکی از فازها یا ترکیبات, در ابعاد نانو باشد.

مثالهایی از نانو کامپوزیت عبارتند از پوششهای متخلخل, ژل ها و ترکیبی از پلیمرها, مثل ترکیبی از فازهای با ابعاد نانو با تفاوتهای فاحش در ساختار, ترکیب و خواص می توان فازهای با ساختار نانوی موجود در نانو کامپوزیت ها را صفر بعدی (مثل خوشه های اتمی تشکیل شده), تک بعدی (یک بعدی مثل نانوتیوپ ها) و دو بعدی (پوشش های با ضخامت نانو) و سه بعدی (شبکه های جاسازی شده) در کل مواد نانو کامپوزیت می توانند دارای خواص مکانیکی, الکتریکی, الکتریکی, نوری, الکتروشیمی, کریستالی و ساختاری باشند, نسبت به مواردی که دارای اجزاء واحد و یگانه هستند.

رفتار چند کاره برای هر ویژگی بخصوص ماده اغلب بیش از مجموع اجزاء تکی می باشد.

هر دو روش پیچیده و ساده برای ساختن ساختارهای نانو کامپوزیت وجود دارد یک سیستم عملی نانو کامپوزیت دو فازی, مثل کاتالیزرهای پشتیبان مورد استفاده در کاتالیزر محرک (ذرات نانوی فلزی جای گرفته روی پشتیبان های سرامیکی), می توانند بسادگی با بخار دادن فلز روی لایه و یا پراکنده کردن توسط حلال شیمیایی آماده شوند.

از طرف دیگر, ماده ای مثل استخوان که دارای ساختاری سلسله مراتبی با فازهای پلیمری و سرامیکی مرکب می باشد, با تکنیکهای ترکیبی حاضر, به سختی می تواند تکثیر شود.

جدا از ویژگی های اجزاء تکی در یک نانو کامپوزیت, اشتراک اجزاءبا یکدیگر در بهبود یا محدود کردن خواص کلی یک سیستم نقش مهمی بر عهده دارند.

با توجه به فصل مشترک زیاد و وسیع ساختارهای نانو, نانو کامپوزیت ها ارائه کننده فصل مشترک های زیادی بین فازهای ادغام شده تشکیل دهنده می باشند.

خواص ویژه نانو کامپوزیت ها اغلب از اثر متقابل و تداخل فازهای آن در فصل مشترک ها حاصل می شوند.

یک مثال عالی برای این مطلب, رفتار مکانیکی کامپوزیت های پلیمری پر شده با نانوتیوپ ها می باشد.

هر چند افزودن نانوتیوپ ها می تواند امکان استحکام پذیری پلیمرها را افزایش دهد, یک فصل مشترک بدون تداخل فازها فقط برای بوجود آوردن مناطق ضعیف در کامپوزیت کارائی دارد و هیچ بهبودی در خواص مکانیکی آن بوجود نخواهد آمد.

برخلاف مواد نانو کامپوزیت, فصل مشترک ها در کامپوزیت های موسوم, تشکیل دهنده یک شکستگی بسیار کوچکتر در فلزات بالک می 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 نیکل 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 استحکام کششی نهایی 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 : 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 ).

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

محدودیت در شکل و اندازه قطعات وجود ندارد.

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

قابلیت بازیابی مجدد وجود دارد .

مشخصات روش گردابی : 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.

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 .

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

شیمی سطح تعویض می شود.

با حرارت SiC2 تشکیل 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 .

شکل و تعداد همزن .

سرعت چرخش همزن اندازه همزن .

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 : فشار در ریخته گری کوبش در دامنهMPa 55 تاMPa 200 می باشد ولی در ریخته گری تحت فشار حداکثرMPa 15 می باشد .

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

سرعت تولید بالاست .

قطعات تولیدی با این روش فاقد تخلخل گازی و انقباضی هستند زیرا : به دلیل فشار زیاد نیازی به فوق گداز جهت سیالیست کافی نخواهیم داشت ، لذا جذب گاز کاهش می یابد.

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

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

معایب ریخته گری کوبشی در کامپوزیت ها فشار زیاد سبب تغییر شکل اولیه کامپوزیت می شوند.

(شکلی از فاز دوم که آماده می شود ، درون قالب قرار می گیرد وسپس مذاب به داخل آن نفوذ داده می شود ) .

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

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 .

فاز دوم در اثر واکنش بین زمینه و یک عامل خارجی مثل گاز ، مایع و جامد صورت می گیرد 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 کامپوزیت های درجا عبارتند از : نیاز به فاز دوم به صورت الیاف یا ذرات نمی باشد .

مشکلات عدم خیس شوندگی وجود ندارد .

مسئله هم زدن نداریم .

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 کامپوزیت های درجا عبارتند از : افزایش استحکام .

چسبندگی بیشتر ذرات .

عدم واکنش مخرب بین فاز دوم و زمینه .

و همچنین معایب کامپوزیت های درجا به شرح ذیل می باشد : در اشکال پیچیده نمی توان انجماد جهت دار یا با جبهه مسطح داشت .

پس مخصوص اشکال ساده می باشد .

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 متالورژی پودر به شرح ذیل است : پیوند ذرات و زمینه خوب است .

توزیع خوب می باشد .

محدودیت در کسر حجمی ذرات نداریم[1] .

به طور کلی محاسن روش های حالت جامد عبارتند از : نیاز به تجهیزات ذوب نمی باشد .

جدایش اتفاق نمی افتد .

3-3-2- تخلخل در کامپوزیت تخلخل در کامپوزیت های زمینه فلزی بیشتری از آلیاژهای فلزی است .

با افزایش کسر حجمی ذرات مقدار تخلخل افزایش می یابد .

دلایل این امر عبارتند از : در موقع هم زدن هوا و گازها وارد مذاب می شوند که به تخلخل تبدیل می شوند .

ذرات به همراه خود لایه هوارا وارد مذاب می کنند.

ذرات به عنوان مراکز جوانه زنی برای حلال های گازی عمل می کنند.

هر چه زاویه تر شوندگی بین مذاب و ذره بیشتر باشد عمل جوانه زنی حباب هوا روی ذرات افزایش می یابد .

چون اغلب ویسکوزیته مذاب کامپوزیت بیشتر از ویسکوزیته آلیاژ می باشد عمل خروج گاز قبل از انجماد به کندی انجام می شود[1] .

4-2- خوردگی کامپوزیت ها نسبت به مواد مونولیتیک ضعیف هستند.

خوردگی را به دو دسته تقسیم می کنیم که عبارتند از : حفره ای[5] گالوانیک[6] عامل اصلی برای خوردگی کامپوزیت ها خوردگی گالوانیک می باشد .

به دلیل حضور دو فاز متجانس در کنار هم پیل تشکیل می شود .

جهت خوردگی ابتدا حفره ای شدن اتفاق می افتد که باعث می شود ماده خورنده به فصل مشترک برسد در نتیجه پیل تشکیل می شود.

حال اگر جلوی حفره ای شدن را بگیریم مانع از خوردگی کامپوزیت خواهیم شد .

در صورتیکه در MMCs در دمای بالا کاربردی داشته باشند خوردگی ممکن است از نوع خوردگی داغ هم باشد که شامل اکسیداسیون و هم شامل گازهای خورنده می باشد .

در خوردگی داغ ابتدا سطح قطعه خورده می شود و گازها خود را به فصل مشترک زمینه فاز دوم می رساند .

به طور کلی دو عامل ممکن است اتفاق بیفتد : ورود به فصل مشترک و خورده شدن .

ورود به فصل مشترک و تشکیل ترکیباتی که حجم بیشتری دارند که باعث ایجاد تنش می شود در نتیجه اتفاق می افتد [1] .

5-2- کامپوزیت های زمینه آلومینیومی : کامپوزیت های زمینه آلومینیومی جزو دسته مواد آلومینیومی با کارکرد بالا وسبک وزن به شمار می روند.

فازتقویت کننده درکامپوزیت های زمینه آلومینیومی می تواند الیاف پیوسته ، ویسکرها یا ذرات باشند که کسر حجمی به کاررفته این فاز می تواندبین چند درصد تا 70 درصد باشد.

خصوصیات کامپوزیت های آلومینیومی مناسب متناسب با کاربردهای مورد نیاز درصنایع مختلف به وسیله اختلاط مناسب زمینه و تقویت کننده و روش ساخت مناسب بدست می آید[1] .

درحال حاضر کامپوزیت های زمینه آلومینیومی مختلفی با درجات مختلف توسط روش های گوناگون تولید می شود .

3 دهه تحقیقات مستمر باعث بوجود آمدن دانش علمی سختی و پرباری درمورد اثرات ذاتی و غیر ذاتی تقویت کنده های سرامیکی روی خصوصیات فیزیکی – مکانیکی ، ترمودینامیکی و سایش شناسی کامپوزیت های زمینه آلومینیومی گشت[1] .

درسال های اخیر ، کامپوزیت های زمینه آلومینیومی درکاربردهای سازه ای و کاربردهای تکنولوژی پیشرفته[7] نظیر فضاپیماها ، صنایع دفاعی ، اتومبیل و کنترل دما ، وسایل ورزشی و تفریحی مورد استفاده قرارگرفته است[1] .

ذکر این نکته بسیارحائز اهمیت است که تحقیقات درمورد ریخته گری کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده توسط ذرات درطول دهه 70 درهند بسیارگسترش یافته و دردنیای پیشرفته کنونی توانسته باعث تکامل صنایع مختلف گردد و درحال حاضر درفرآیندی پیوستن مواد و اختلاط مواد با یکدیگر نقش عمده ای دارد.

این قسمت درحال حاضر مروری برسیستم های AMC2 درارتباط با نحوه فرآیند تولید ، ریز ساختار ، خصوصیات و کاربرد آنها دارد[1] .

درکامپوزیت های زمینه آلومینیومی یکی از اجزاء کامپوزیت ، آلومینیوم یا آلیاژ آلومینیوم است که به عنوان فاز زمینه مورد استفاده قرار می گیرد .

باقی اجزاء دراین بسترآلومینیومی واقع می شوند و فاز تقویت کننده نامیده می شود که عمدتاً غیرفلزی و سرامیک هایی نظیر SiC و Al2C3می باشند.

خصوصیات AMC ها می توانند با تغییر اجزاء کامپوزیت و کسرحجمی های آنها تغییر کند فواید اصلی کامپوزیت های زمینه آلومینیومی درمقایسه با مواد تقویت نشده به صورت زیر است : استحکام بیشتر سفتی[8] بیشتر کاهش دانسیته ( وزن ) کارکرد بهتر دردمای بالا کنترل ضریب انبساط حرارتی مدیریت حرارتی / گرمایی افزایش کارکرد الکتریکی افزایش خصوصیات مقاومت به سایش و سایندگی کنترل جرم 10- بهبود قابلیت های دمپینگ این فواید می تواند به صورت کمی باعث بهبود تعاریف بالا گردد.

برای مثال : مدول الاستیک آلومینیوم خالص می تواند از 70Gpa به 240 Gpa افزایش یابد یعنی با استفاده از فاز تقویت کننده الیاف پیوسته آلومینا به میزان 60% حجمی این تغییر حاصل شد .

از نقطه نظر دیگر ، استفاده از 60% حجمی الیاف آلومینا درزمینه خالص آلومینیوم باعث کاهش ضریب انبساط حرارتی از به می گردد[1].

مشابه آن می توان کامپوزیتی با SiCp , 20% - Si , Al-9% تهیه کرد که مقاومت به سایش آن برابر یا بهتر از آهن خاکستری ریخته گری شده باشد.

تمام این مثال ها ، این مطلب را بیان می کنند که می توان تمام خصوصیات آلومینیوم / آلیاژ آلومینیوم را تا 2 یا 3 حتی چندین برابر با انتخاب درست تقویت کننده با کسر حجمی مناسب بهبود داد و افزایش داد[1].

سیستم های کامپوزیت های زمینه آلومینیومی می تواند ترکیبی از خصوصیات را به نحوی داشته باشد که تاکنون در هیچ سیستم تک جزئی مشاهده نشده است .

درسال های اخیر ، کامپوزیت های زمینه آلومینیومی در کاربردهای ساختاری و غیرساختاری و دربخش های مختلف مهندسی استفاده گردد سیستم های کامپوزیت های زمینه آلومینیومی می تواند ترکیبی از خصوصیات را به نحوی داشته باشد که تاکنون در هیچ سیستم تک جزئی مشاهده نشده است .

درسال های اخیر ، کامپوزیت های زمینه آلومینیومی در کاربردهای ساختاری و غیرساختاری و دربخش های مختلف مهندسی استفاده گردد می توان به کارکرد خوب ، اقتصادی بودن و مزایای زیست محیطی آن اشاره کرد مزیت عمده استفاده از AMC ها در صنایع حمل و نقل می توان به کاهش مصرف سوخت ، کاهش صدا و کاهش آلاینده ها اشاره کرد، با افزایش سخت گیری ها درمورد آلوده نشدن محیط زیست و تأکید بهبود براقتصاد مصرف سوخت ، استفاده از کامپوزیت های زمینه آلومینیومی دربخش حمل و نقل درسال های آتی امری اجتناب ناپذیر است[1] .

AMC ها می توانند جایگزین بسیارمناسبی برای مواد یک جزئی ( مونولیتیک ) مانند ، آلیاژهای آلومینیوم ، آهن و تیتانیوم و کامپوزیت های پایه پلیمری برای کاربردهای گوناگون باشند.

درحال حاضر اینگونه به نظر می رسد که جایگزینی کامپوزیت ها به جای مواد تک جزئی زمانی می تواند به صورت گسترده مورد استفاده قرارگیرد که سیستم جدیدی دوباره طراحی گردد تا بتواند درصد حجمی و وزن بیشتری از مواد را درکامپوزیت کاهش دهد و ذخیره نماید.

درحقیقت با توجه به بیانیه کنسول علم و صنعت انگلستان ، کامپوزیت های زمینه آلومینیومی می تواند هم به عنوان جایگزینی برای مواد موجود ( البته به صورت بهینه شدن ) و هم به عنوان وسیله ای برای طراحی سیستم های تولید با تغییرات عمده درنظر گرفته شود[1].

همچنین ، با استفاده از روش های شکل دهی دقیق و تکنیک های تقویت کننده انتخابی ، کامپوزیت های AMCمی تواند به صورت اقتصادی برای کاربردهای تجاری به صورت گسترده یک راه حل قابل اطمینان باشند موفقیت های اخیر درکاربردهای نظامی و تجاری کامپوزیت های زمینه آلومینیومی نسبتاً توسط همین تغییرات جدید و نوآوری ها درطراحی قطعات و اجزاء بدست آمده است کمبود دانش و اطلاعات درباره مواد مصرف ، خصوصیات سرویس ، تولید کنندگان مواد مانع استفاده وسیع از AMC ها شده است .

با توجه به این مسائل و مشکلات ، انجمن کامپوزیت های زمینه آلومینیومی دراروپا و آمریکا درحال تشویق کنسرسیوم ها و شبکه های تولیدی است تا از AMC ها درکاربردهای بیشتری درزندگی روزمره استفاده شود.[9] دراین قسمت مروری برکامپوزیت های زمینه آلومینیومی با توجه به روش تولید ، ریز ساختار و خصوصیات و کاربرد آنها می شود[1].

1-5-2- انواع کامپوزیت های زمینه آلومینیومی کامپوزیت های زمینه آلومینیومی به 4 نوع با توجه به نوع فاز تقویت کننده تقسیم می شوند : تقویت شده با ذرات تقویت شده با الیاف کوتاه یا ویسکرها تقویت شده با الیاف پیوسته تقویت شده با بالک فیلامان ها برخی از نکات مهم این 4 نوع کامپوزیت ها به صورت تشریحی درذیل آورده شده است[1].

2-5-2- کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با ذرات(PAMC)1 این کامپوزیت ها به طور کلی شامل تقویت کننده هایی با اندازه تقریباً یکسان و کوچکتر از 5 میکرون باشند .

تقویت کننده های سرامیکی به طور کلی اکسیدها ، کاربیدها هستند و دارای کسر حجمی کمتر از 30% درکاربردهای ساختاری و ضد سایش و بیش از 70% درکاربردهای الکترونیکی می باشند.

به صورت کلی ، این دسته از کامپوزیت ها می توانند هم توسط روش حالت جامد ( فرآیند RM) و هم حالت مایع ( ریخته گری تلاطمی ، نفوذ دهی و درجا ) تهیه شوند[1].

خصوصیات مکانیکی PAMC ها نسبت به الیاف پیوسته/ کوتاه/ ویسکر ضعیفتر و نسبت به آلومینیوم هایی که اصلاً تقویت نشده اند دارای خصوصیات مکانیکی بسیاربهتری هستند.

این کامپوزیت ها به صورت ایزوتروپیک هستند و می توانند تحت فرآیند های شکل دهی ثانویه نظیر اکستروژن ، رولینگ و آهن گری قراربگیرند[1].

شکل1-2 ریز ساخار کامپوزیت های زمینه آلومینیومی ریخته گری شده را که حاوی بیش از 40% ذرات تقویت کننده SiC هستند[1] 3-5-2- کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با الیاف کوتاه یا ویسکرز(SFAMC)1 کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده توسط الیاف کوتاه یکی از اولین و مهم ترین کامپوزیت های زمینه فلزی می باشند که درپیستون ها استفاده می شوند که توسط روش نفوذ دهی تحت فشار تهیه می گردند[1] .

شکل2-2 ریزساختار کامپوزیت های AMC تقویت شده با الیاف کوتاه رانشان می دهد[1] خصوصیات مکانیکی کامپوزیت های تقویت شده با ویسکر بسیار مطلوب تر از تقویت شده با ذرات یا الیاف کوتاه است .

با این وجود درسال های اخیر استفاده از تقویت کننده های ویسکری به علت مضراتی که برروی سلامتی دارد منع شده است .

کامپوزیت های تقویت شده با ویسکردارای خصوصیات بینابینی از الیاف پیوسته و ذرات هستند[1] .

4-5-2- کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با الیاف پیوسته (CFAMC)2 دراین کامپوزیت ها الیاف به صورت پیوسته هستند ( آلومینا ، SiC و کربن ) با قطری کمتر از 20الیاف می توانند موازی یا پیش بافته شده باشند .

این نوع کامپوزیت ها دارای الیاف با کسرحجمی حداکثر 40% هستند وتوسط روش SI تولید می شوند.

اخیراً توانسته اند کامپوزیت هایی با 60% حجمی الیاف پیوسته آلومینا را درزمینه آلومینیومی تولید کند که دارای استحکام کششی و سفتی الاستیک به ترتیب 240Gpa , 1500Mpa می باشد .

این کامپوزیت ها توسط روش نفوذ دهی تحت فشار تولید می شوند[1] شکل 2-3 ریزساختاری از این کامپوزیت ها را نشان می دهد[1] 5-5-2- کامپوزیت های زمینه آلومینیومی تقویت شده با بالک فیلامان MFAMC (1) مونوفیلامان ها الیافی با قطر بزرگتر از) 150تا 100) هستند که معمولاً SiC و یا B ، توسط روش های CVD برروی هسته هایی از الیاف کربن یا سیم های W نشانده می شوند.

انعطاف پذیری خمشی مونوفیلامان ها درمقایسه با مالتی فیلامان ها کمتر است .

کامپوزیت ها توسط روش چسبندگی نفوذی تهیه می شوندو به شکل دهی فوق پلاستیک زمینه های آلومینیومی محدود می گردند[1].

در CFAMC ها و MFAMC ها ، تقویت کننده مهمترین جزء کامپوزیت است که بار را تحمل می کندو نقش ماتریس آلومینیومی این است که به تقویت کننده متصل گردد و بار را منتقل کرده و توزیع کند.

این کامپوزیت دارای جهت گیری می باشد.

درجهت عمود برالیاف استحکام کم است درکامپوزیت های با الیاف کوتاه و یا ویسکر عمده بار توسط زمینه تحمل می شود[1].

نقش تقویت کننده افزایش استحکام وسعتی کامپوزیت با استفاده ازجلوگیری از تغییر شکل زمینه می باشد.

درادامه توضیحات بالا ، نوع دیگری از کامپوزیت های زمینه آلومینیومی به نام هیربد برای مثال ، مخلوط ذرات و ویسکرها یا مخلوط فیبر و ذرات یا مخلوز تقویت کننده نرم و سخت با هم کامپوزیت های زمینه آلومینیومی حاوی مخلوط الیاف کربن و ذرات آلومینا مورد استفاده درسیلندرها مثالی از کامپوزیت های هیبدریدی است[1] .

شکل 4-2 ریز کامپوزیت تقویت شده با ذرات SiC سخت در گرافیت نرم[1] 6-2- نانو کامپوزیت های ماتریس / سرامیکی تلاشهای بسیاری برای توسعه دادن سرامیک های با کارائی بالا انجام می شود که برای کاربردهای مهندسی می باشند از قبیل : توربین های گازی, مواد هوا - فضا, اتومبیل ها و غیره.

حتی مواد سرامیک با بهترین فرآیند تولید مورد استفاده در کاربردهای مختلف، بوجود آورنده مشکلات و مسائل بسیاری هستند.

از میان آنها, مقاومت و استحکام به شکست نسبتاً پایین, کاهش خواص مکانیکی در دماهای بالا و مقاومت پائین در برابر خزش، خستگی و شوک حرارتی را می توان نام برد.

تلاشهای انجام شده برای حل این مشکلات، شامل شرکت دادن فازهای ثانویه از قبیل مرز دانه های ماتریسی می باشد[2].

اخیراً موضوع نانو کامپوزیت مورد بررسی قرار گرفته است که براساس کنترل انفعالی ساختارهای نانو با شرکت دادن توزیع فاز ثانویه با سایز نانو در ماتریس های سرامیکی می باشد.

توزیع و پراکندگی می تواند با عنوان های بین دانه ای و درون دانه ای توصیف شود[2].

این مواد می توانند با ورود مقدار اندکی کربن افزودنی به ماتریس سرامیکی تولید شوند.

ماده افزودنی, با یک شیب غلظت یا ته نشینی (رسوب) به عنوان ذرات با سایز مولکولی یا خوشه اتمی درون دانه ها و یا در مرز دانه ها پخش می شوند.

فرآیندهای بهینه می توانند به کنترل عالی ساختاری در سطح مولکولی در اکثر مواد کامپوزیتی ختم شوند.

پراکندگی های درون دانه ای درصدد تولید و اصلاح نابجائی ها در طی فرآیند, آنیلینگ, سرد کردن و / یا کنترل در جای خود اندازه و شکل دانه های مخلوط شده می باشند.

این نقش پراکندگی ها, مخصوصاً در ابعاد نانو, در سرامیک های اکسیدی مهم می باشد که برخی از آنها در دماهای بالا نرم و چکش خوار می شوند.

پراکندگی های نانوی درون دانه ای باید در کنترل ساختار مرزدانه ای سرامیک های اکسیدی (Al2O3 , MgO) و غیر اکسیدی (Si3N4 , SiC) نقش مهمی ایفا کند که خواص مکانیکی در دمای بالا آنها را افزایش و ارتقاء می دهد.

موضوع طراحی نانو کامپوزیت ها می تواند در سیستم های کامپوزیتی سرامیک / فلز, فلز / سرامیک و پلیمر / سرامیک بکار گرفته شود[2].

توزیع ذرات فاز ثانویه فلزی در سرامیک ها خواص مکانیکی آنها را افزایش می دهد.(از قبیل استحکام شکست).

یک تنوع و گوناگونی وسیعی از خواص, شامل خواص مغناطیسی, الکتریکی و نوری نیز می توانند به کامپوزیت ها نسبت داده شوند.

روشهای مرسوم متالوژی پودر و فرآیندهای انحلال شیمیایی مثل Sol – gel و روشهای رسوب دادن برای آماده سازی پودر کامپوزیت ها برای نانو کامپوزیت های سرامیک / فلز مورد استفاده قرار گرفته اند.

از قبیل : Al2O3/W, Mo, Ni, Cu, Co, Fe; ZrO2 / Ni, Mo; Mgo / Fe, Co, Ni پودرها در اتمسفر کاهنده زینتر می شوند تا توزیع های یکنواخت و یکسانی از ذرات فلزی در مواد سرامیکی حاصل شود.

استحکام شکست, و یا سختی با توجه به پالایش میکروساختاری با توزیع های نانو و پلاستیسیته آنها, بهبود پیدا می کنند.

برای کامپوزیت های سرامیکی اکسیدی با ذرات پراکنده شده فلزی استحاله ای, آهن مغناطیس یک افزودنی ارزشمند برای خواص مکانیکی عالی کامپوزیت ها می باشد.

به علاوه, واکنش و پاسخگوئی خوب مغناطیس به تنش اعمالی در نانو کامپوزیت های سرامیک / فلز مغناطیس مشاهده گردیده است[2] .

تکنولوژی نانو کامپوزیت همچنین برای سرامیک های کاربردی مثل مواد فروالکتریک پیزوالکتریک, واریستور و هادی یون قابل بکار بردن است.

افزودن مقدار اندکی ذرات نانو فلزی یا سرامیکی به ZnO , BaTiO3 یا ZnO2 مکعبی می تواند به صورت قابل توجهی خواص مکانیک, سختی و چقرمگی آنها را افزایش دهد که, در تولید وسایل الکتریکی بسیار خوب مورد استفاده قرار می گیرند .توزیع مواد نرم در سرامیک سخت در کل خواص مکانیکی آن را کاهش می دهد (از قبیل سختی).

هر چند در نانو کامپوزیت ها, مواد نرم افزوده شده به انواع مختلفی از سرامیک می تواند خواص مکانیکی آنها را بهبود بخشد.

برای مثال, افزودن نیترید بور هگزاگونال به سرامیک نیترید سیلیسیم می تواند استحکام شکست آن را نه تنها در دمای اطاق بلکه در دماهای بسیار بالا تا 150 افزایش دهد.

به علاوه, برخی از این مواد نانو کامپوزیت ارائه دهنده مقاومت به شوک حرارتی فوق الذکر و قابلیت ماشین کاری می باشند.

و این بدلیل خاصیت پلاستیسیته یکی از فازها و فصل مشترک مناطق بین آن فاز و قالب های سرامیکی سخت است[2].