تحقیق مقاله فرایند ساخت کامپوزیت ها

به طور کلی کامپوزیت ها از نظر نحوه ساخت به دو دسته کلی زیر تقسیم می‌شوند.

1- قالبگیری باز (قالبگیری تماسی)

در قالبگیری باز ماده کامپوزیتی لایه ها و ژل کت در هنگام ساخت در معرض اتمسفر محیط می باشند و شامل حالتهای زیر است.

الف) لایه گذاری دستی: کاربرد دستی رزین – کاربرد مکانیکی رزین

ب) فرایند لایه گذاری با الیاف سوزنی: روش پاشش با اسپری به صورت اتمیزه- به کارگیری غیر اتمیزه

ج) روش فیلامن و ایندینگ

2- قالبگیری بسته

در این نوع قالبگیری کامپوزیت در یک قالب دو تکه یا درون کیسه خلاء ساخته می شود که شامل حالتهای زیر می باشد.

الف) قالبگیری فشاری:

ترکیب قالب گیری صفحه یا (SMC) Sheet Molding Compound

ترکیب قالبگیری حجیم (BMC) Bulk Molding Compound

ترکیب قالبگیری ضخیم (TMC) Thick Molding Compound

ب) قالبگیری کششی Pultrusion Processing

پ) قالبگیری تزریقی عکس العملی تقویت کننده Reinforced Reaction Injection Molding

ت) قالبگیری انتقال رزین Resin Transfer Molding

ث) قالبگیری تحت کیسه خلاء: لایه گذاری خیس- پری پرگ PrePerg

ج) فرایند تزریق در خلا

چ) ریخته گری گریز از مرکز

ح) لایه گذاری پیوسته

قالبگیری باز

در این فرایند تقویت کننده ها به صورت پارچه های سوزنی، بافته شده یا به هم کوک زده شده بوسیله دست در محل خود قرار داده می شوند و سپس با رزین آغشته می گردند که رزین می تواند بوسیله دست و یا قلم و یا بوسیله دیگر وسایل مکانیکی با الیاف آغشته شود.

روش لایه گذاری دستی

از این روش در ساخت محصولاتی از قبیل قایقها، مخازن، پوشش حمامها، بوشها، قطعات کامیونها و اتومبیلها سازه های معماری و… استفاده می شود.

در این روش ابتدا برای بدست آوردن سطحی با کیفیت بالا روی قالب ژل کت زده می شود و پس از اینکه به مقدار کافی ژل کت زده شد الیاف تقویت کننده فایبرگلاس را به صورت دستی روی قالب قرار می دهند و سپس رزین بوسیله پاشش، ریختن، قلمرو زدن غلتک زدن و یا به کمک لیسه و یا پاشش بوسیله اسپری زده می شود.

روش فیلامنت وایندینگ

در این روش الیاف به دور یک مدل دوار به عنوان قالب پیچیده می شوند که از این روش بیشتر برای ساخت قطعاتی توخالی که استحکامهای کششی بالایی را می‌طلبند نظیر مخازن نگهداری سوخت، مواد شیمیایی، لوله ها، دودکشها، مخازن تحت فشار و پوسته موتور راکت بکار می رود.

نحوه کار بدین صورت است که الیاف به صورت پیوسته از درون یک حمام رزین، تغذیه شده و بدور مدل دوار پیچیده می شوند که تغذیه الیاف بوسیله یک غلتک که به صورت عرضی در طول مدل حرکت می کند انجام می پذیرد.

قالبها در این روش اغلب از جنس آلومینیوم و فولاد می باشد و بنحوی ساخته می‌شوند که قابل مچاله شدن جهت راحت تر کردن بیرون آمدن قالب باشند. از مزیتهای این روش می توان نسبت استحکام به وزن بالا، کنترل زیاد روی یکنواختی و جهت الیاف را نام برد.

قالبگیری بسته

قالبگیری فشاری:

این روش دارای سه نوع BMC و TMC و SMC می باشد و مناسب برای حجم بالای تولید است در این روش از قالبهای فلزی با دمای بالا استفاده می شود که درون پرسهای بزرگ نصب شده اند. قالبها در دمایی بین 250 تا 400 درجه فارنهایت گرم شده و بین 250 تا 3000، Psi فشار را به ماده کامپوزیتی وارد کرده و پس از باز شدن دو کفه قالب، قطعه به صورت آماده برداشته می شود و در این روش کمترین پرداخت کاری و برشکاری نهایی لازم می باشد.

روش کششی

این روش یک فرایند پیوسته است که برای قطعاتی که دارای سطح مقطع یکنواخت و ثابت می باشند استفاده می شود. قطعات سازه ای، تیرها، کانالهای لوله، تیوب، چوبهای ماهیگیری و… از این نوع قطعات می باشند.

در این روش رشته های فایبرگلاسی به صورت پیوسته، پارچه های حصیری یا به صورت پرده ای در حمام رزین آغشته می شوند و  در نهایت از داخل یک قالب فولادی توسط یک مکانیزم کششی به بیرون کشیده می شوند که در این فرایند وظیفه شکل دادن به رزین و کنترل نسبت رزین به الیاف را دارا می باشد. در این روش قالب توسط نیروی الکتریکی و یا به وسیله روغن گرم می شود تا رزین عمل آوری شود (شکل بگیرد).

مواد مورد استفاده در کامپوزیتها

رزین ها:

رزینها وظیفه نگهداری و انتقال بار به الیاف را دارا می باشند و همینطور الیاف را از اثرات محیط دور نگه می دارند در حالت عمومی دو نوع رزین وجود دارند که شامل ترموپلاستیکها و ترموستها می باشند.

ارتوفتالیک (Ortho)، ایزوفتالیک (ISO)، دیسایکلوپنتادین (DCPD) کلورندیکس و بیس فنول.

هر یک از موارد ذکر شده می توانند پایه ای برای ساخت یک رزین باشند که بسته به نوع و محل استفاده می توان یکی از موارد بالا را به عنوان پایه قرار داد و رزین پلی‌استر مناسب را ساخت که در زیر چند مورد از پایه قرار گرفتن هر یک از موارد بالا ذکر شده است.

پایه ارتوفتالیک

رزینهایی کمه بر پایه ارتوفتالیک ساخته می شود را می توان رزینهای همه منظوره نامید زیرا جز پلی استرهای ارزان قیمت می باشد و اغلب در جاهائیکه نیاز به مقاومت مکانیکی بالا، مقاومت به خوردگی و دماهای بالا مورد نیاز باشد به کار برده می شود و عموماً با درصد استیرن بین 35 درصد تا 45 درصد فرموله می شوند.

پایه ایزوفتالیک

از این نوع رزین زمانی استفاده می شود که مقاومت به خوردگی بالاتر و دمای بالاتری نسبت به حالت قبل مورد نیاز باشد و در ضمن نیاز به مونواستیرن بیشتری برای رسیدن به ویسکوزیته مناسب می باشد تا هم کار کردن با رزین را راحت تر کند و هم خواص مقاومت به خوردگی در رزین ایجاد نماید و معمولاً درصد استیرن بین 42% تا 50% برای این مواد مناسب می باشد. البته با توجه به اینکه این مواد دارای خواص مکانیکی مناسب تری نسبت به نوع قبل می باشند. اما دارای قیمتی حدوداً 10 الی 20 درصد گران تر از نوع بالا می باشد.

پایه دیسایکلو پنتادین (DCPD)

معمولاً از این نوع رزین در مواردی استفاده می شود که بخواهیم صافی سطح مناسب و پرداخت سطح جهت کارهای تزئیناتی داشته باشیم. از ویژگیهای مناسب این رزین می توان از انقباض حجمی کم در زمان عمل آوری، نیاز به استیرن کم تر برای عمل آوری (حدود 35% تا 38%)، کمترین برجستگی های سطحی در کل سطح پرداخت شدهت نام برد و معایب آن را می توان خواص مکانیکی اندکی کم تر از رزینهای پایه ارتو، صلب بودن و چقرمگی زیاد نسبت به رزینهای دیگر، گران قیمت‌تر بودن و بوجود آمدن اتصال ثانویه در هنگام عمل آوری آن دانست.

معمولاً این رزین (dcpd) با رزینهای وینیل استر، ایزو و یا ارتو مخلوط می شود تا هم خواص (DCPD) ارتقا یابد و هم قیمت رزین کاهش پیدا کند.

پایه کلورندیکس و بیس فول

از این نوع رزین در جاهایی که مقاومت به خوردگی نیاز باشد استفاده می شود و در مواردی مانند مخازن شیمیایی، خراشنده ها، دودکشها و… مورد مصرف دارند.

افزودنیها به رزین

مونومر:

موادی می باشند که جهت پایین آوردن غلظت رزین و شرکت در پلیمریزاسیون با گروه اصلی پلیمر و رزین در رزینها استفاده می شود که از انواع آنها می توان استیرن و میتیل متاکریلیت را نام برد.

شروع کننده ها:

از مواد افزودنی به رزینها می توان شروع کننده ها را نام برد این مواد باعث بوجود آمدن فرایندی به نام پلیمریزاسیون رادیکال آزاد می شوند، شروع کننده ها ملکولهای رادیکال آزاد را متلاشی کرده و باعث فرایند اتصال متقاطع ملکولهای پلی استر با ملکولهای استیرن در رزین می شوند و از انواع آنها می توان از پراکسید کتن، پراکسیدهای استن، پراکسیدهای بنزوئیل و هیدروپراکسید کویمون نام برد.

پیش برنده ها:

بدلیل اینکه شروع کننده ها سرعت کافی در عمل آوری رزین ندارند. برای بهبود این زمان از مواد پیش برنده استفاده می کنند. جنس این مواد معمولاً از نمکهای فلزی یا از ترکیبات آمین می باشد که با شروع کننده واکنش داده و باعث تجزیه رادیکالهای آزاد می شوند و در نتیجه رادیکالهای آزاد شروع به پیشبرد فرایند پلیمریزاسیون می‌کنند. از متداول ترین پیش برنده هایی که با شروع کننده پراکسید کتن استفاده می‌شود می توان نفتانات کبالت یا اکتوایت کبالت را نام برد.

بازدارنده ها

در مواردی مانند استیرن خام و رزین پلی استر که بدون افزودن شروع کننده عمل پلیمریزاسیون به طور خودکار شروع می شود نمی توان پلیمریزاسیون را متوقف کرد بنابراین یک بازدارنده لازم است تا رادیکالهای آزاد را مصرف کند و باعث عمل آوری رزین شود از انواع بازدارنده ها می توان هیدروکوئنیون (HQ)، تریتاری بوتیل اکتول (TBE) و تولید هیدروکوئینون (THQ) را نام برد.

از دیگر افزودنیهای رزین می توان تیکسوتروفها (جهت جلوگیری از شره (چکیده) شدن مواد درون قالب) فیلرها (جهت بهبود خاصیت رزین و کاهش هزینه ها)، رنگدانه‌ها و عوامل رنگ زا (جهت کارهای تزئینی)، تاخیر اندازهای آتش (جهت کاهش خطرات آتش سوزی) فرونشاننده ها (جهت جلوگیری از انتشار استیرن)، بازدارنده های اشعه ماوراء بنفش (جهت جلوگیری از آسیبهای نورخورشید به سطح قطعه) و افزودنیهای رسانا (کاهش سارژ الکتریکی و مقدور ساختن رنگرزی الکترواستاتیک) را نام برد.

الیاف تقویت کننده (فیبرها)

الیاف فایبرگلاس

الیاف شیشه بیش از 90 درصد الیاف به کار رفته در پلاستیکهای تقویت شده می‌باشند. و علت این امر ارزان بودن تولید این الیاف، داشتن خواص مکانیکی مناسب مقاومت شیمیایی خوب و قابلیت انجام فرایند ساخت خوب می باشد.

این الیاف را می توان از طریق اکسترود نمودن شیشه مذاب با قطری بین 5 تا 25 میکرون بدست آورد سپس این الیاف را بوسیله یک آهار پوشش می دهند تا مقاومت به سایش بیشتری پیدا کنند و اتصال مناسب تری بین رزین و الیاف شیشه در حین آغشته سازی انجام می گیرد و سپس به صورت رشته های 102، 204 تاری با همه دیگر ترکیب می شوند.