مواد مرکب یا کامپوزیت‌های غیرفلزی | هوافضای جوان

مواد مرکب یا کامپوزیت‌های غیرفلزی

مواد مرکب غیرفلزی یا پایه پلیمری از جمله مواد پیشرفته در تمام محصولات مهندسی هستند اما در صنعت هوافضا متولد شدند، صنعتی که همیشه مهندس‌ها سعی می‌کنند از موادی استفاده کنند که وزن پایین ولی استحکام بسیار زیادی داشته باشند. از این رو مواد کامپوزیت تونستند عرض اندام کنند و کم کم بخش عمده‌ای از سازه هواپیما رو به خودشون اختصاص بدهند. شاید  براتون جالب باشه که در هواپیمای جدید بوئینگ ۷۸۷، تا ۵۰% از مواد مرکب پیشرفته استفاده شده که این درصد در نمونه‌های اولیه هواپیمای بوئینگ ۷۴۷ تنها به ۱% درصد می‌رسه.

composites-in-boeing-787-dreamliner

درصد مواد مرکب بکار رفته در هواپیمای بوئینگ ۷۸۷

اما این مواد چی هستند و چطور ساخته می‌شوند؟ برای پاسخ به این سوال ابتدا لازمه بگیم که در مواد مرکب از هیچ فلزی استفاده نمی‌شه و در واقع ترکیبی از چند ماده با زمینه پلیمری و غیر فلزی است. به طور دقیق‌تر مواد مرکب از دو جزء تشکیل می‌شوند، جزء اول با نام ماتریس و جزء دوم هم با نام تقویت کننده شناخته می‌شه. وظیفه ماتریس، که معمولا یک مایع با غلطت نسبتا زیاده، احاطه کردن یا چسبوندن تقویت کننده، که ممکنه از پارچه‌هایی از جنس الیاف شیشه یا کربن باشه، رو بر عهده داره. اما این یعنی چی؟ بیایید یه مثال واقعی رو بررسی کنیم، فرض کنید یه مقدار چسب قطره‌ای روی یه بخش از لباستون ریخته، بعد  اینکه خشک شد، پارچه لباس شما سفت می‌شه و دیگه قابل انعطاف نیست و به همون شکلی که موقع ریختن چسب قرار گرفته بود، باقی می‌مونه، دقیقا همین اتفاق در ساخت مواد مرکب رخ می‌ده، لایه‌های مختلفی از پارچه با جنس‌هایی مثل شیشه، کربن، کِولار و … پس از اینکه در یک قالب با شکل خاص قرار گرفتند توسط مقدار مشخصی از ماتریس که معمولا رزین نامیده می‌شه، احاطه می‌شوند و بعد از اینکه مدت زمان مشخصی گذشت یا بعد از قرارگیری در کوره‌ها یا اتوکلاوها (کوره‌های تحت دما و فشار مثبت یا منفی) به شدت سفت و محکم خواهند شد.

نحوه آغشته سازی الیاف با رزین در برخی از کامپوزیت هایی که با دست ساخته میشه

نحوه آغشته‌سازی الیاف به رزین در برخی از کامپوزیت‌هایی که با دست ساخته می‌شه

پوسته بال کامپوزیتی که از قالب در حال خارج شدن هست

پوسته بال کامپوزیتی که در حال خارج شدن از قالب است

 رزین‌ها و الیاف‌ها انواع مختلفی دارند ولی برای آشنایی، این دوتا رو کمی بیشتر معرفی می‌کنیم:

رزین: رزین‌ها موادی با پایه پلیمری هستند و انواع مختلفی مثل اپوکسی، پلی استر و … دارند. اپوکسی‌ها کاربردشون در هوافضا بیشتره چون موقع خشک شدن ویژگی‌های سازه‌ای مطلوب‌تری دارند. رزین معمولا از دو بخش تشکیل می‌شه که با نام‌های رزین و هاردنر شناخته می‌شوند. هاردنر، همونطور که از اسمش پیداست، وظیفه سفت کردن رزین رو در تایم مشخصی برعهده داره. دقیقا عین چسب دو قلو و جالب‌تر اینکه برخی از چسب‌های دو قلو یک نوع از رزین‌های اپوکسی هستند که پس از اضافه شدن هاردنر با مقدار مشخص و در یک زمان مشخص کاملا سفت و محکم می‌شوند.

 

رزین و هاردنر اپوکسی

رزین و هاردنر اپوکسی

چسب دو قلو که از رزین و هاردنر (سخت کن) تشکیل میشه

چسب دو قلو که از رزین و هاردنر (سخت کن) تشکیل می‌شه

الیاف: الیاف‌ها هم برای خودشون دنیایی دارند و تعداد و انواعشون براساس نوع کاربردشون خیلی زیاده، اما نوع شیشه و کربن کاربرد خیلی زیادی در هوافضا و ساخت هواپیماهای جدید داره که اکثرشون به شکل پارچه هستند. اما گاهی بصورت نخ هم وجود دارند و برای سازه‌هایی بکار می‌روند که قوس‌های زیادی دارند و دقیقا عین تار عنکبوت به دور یک سازه پیچیده یا ریسندگی می‌شوند تا شکل اون سازه رو به خودشون بگیرند. مثلا مخازن پرفشار ماشین‌ها یا حتی موشک‌ها و بخشی از بدنه هواپیما ممکنه با نخ‌هایی از جنس شیشه یا کربن ساخته شده باشند.

ساخت مخزن کامپوزیتی به روش رشته پیچی

ساخت مخزن کامپوزیتی به روش رشته پیچی

 گاهی هم ممکنه الیاف خرد شده و مخلوط شده با رزین، به سمت قالب پاشیده بشوند. بنابراین روش‌های بسیار متنوعی هم برای ساخت مواد مرکب وجود داره. در تصاویر زیر می‌تونید پرکاربردترین الیاف یعنی الیاف شیشه یا همون فایبرگلاس و الیاف کربن رو ببینید. تصویر آخر هم مربوط به الیاف کِولاره که مقاومت بسیار بالایی دارند و در بعضی از قسمت‌های خاص هواپیما و وسایل پروازی استفاده می‌شه. جالبه بدونید الیاف کولار در ساخت بعضی از جلیقه‌های ضدگلوله هم کاربرد داره.

الیاف شیشه

الیاف شیشه

الیاف کربن

الیاف کربن

الیاف ترکیبی کربن-کولار

الیاف ترکیبی کربن-کولار

بنابراین مواد مرکب با ویژگی‌های زیر تونستند خودشون رو در سازه‌ها نشون بدهند:

  • مقاومت مکانیکی بالا نسبت به وزن
  • مقاومت بالا در برابر خوردگی
  • ویژگی خستگی عالی نسبت به فلزات (مقاومت در برابر نیروهای نوسانی)
  • خواص عایق حرارتی خوب
  • صلبیت بالا (سفت و بدون تغییر شکل)
  • استحکام بالا
  • نسبت حجم به وزن کم
  • سبک و تا چندین برابر مستحکم‌تر از فولاد با وزنی به مراتب کمتر
  • هزینه کمتر و صرفه‌جویی اقتصادی

 

بدنه کامپوزیتی یک هواپیما

بدنه کامپوزیتی یک هواپیما


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.