تحقیق کامپوزیت زمینه سرامیکی

Word 1 MB 35599 43
مشخص نشده مشخص نشده مهندسی صنایع - مهندسی معدن
قیمت: ۴,۳۰۰ تومان
دانلود فایل
  • بخشی از محتوا
  • وضعیت فهرست و منابع
  • مواد سرامیکی یکپارچه شامل چندین خصوصیت مطلوب می­باشند که عبارتند از ضریب بالا، قدرت فشردگی بالا، قابلیت دمایی بالا، مقاومت سایشی، هدایت گرمایی پایین و بی­اثری شیمیایی.

    همانطور که در شکل 10-1 نشان داده شده است، قابلیت دمایی بالای سرامیک­ها، آنها را تبدیل به مواد مطلوبی برای محیط­هایی با دمای بسیار بالا کرده است.

    با این وجود به دلیل مقاومت شکستی پایین، سرامیک­ها در کاربردهای ساختاری، بسیار محدودند.در حالیکه فلزات به دلیل تحرک بالای جابجایی (مانند لیز خوردن)، به صورت پلاستیکی، تغییر شکل پیدا می­کنند، سرامیک­ها در دمای اتاق، تغییر شکل پلاستیکی از خود نشان نمی­دهند و در معرض بارگیری گرمایی یا مکانیکی، دچار شکست شدید می­شوند. آنها تلرانس (تحمل) بسیار پایینی به معایبی مانند ترک دارند که در طی ساخت یا در هنگام استفاده، بوجود می­آیند. حتی یک ترک بسیار کوچک به سرعت بزرگتر و در نتیجه به شکست ناگهانی منجر می­شوند.

    در حالیکه تقویت­هایی مانند فیبرها، الیاف ریز یا ذرات در پلیمر قوی شده و کامپوزیت­ زمینه فلزی استفاده می­شوند، تقویت­ها در کامپوزیت­ زمینه سرامیکی، در اصل برای افزایش سفتی مورد استفاده قرار می­گیرند. بعضی تفاوت­ها در کامپوزیت زمینه سرامیکی و زمینه پلیمری در شکل 2-10 نشان داده شده است. سفتی افزایش یافته در زمینه سرامیکی به دلیل مکانیزم­های پراکندگی مانند گسستگی پیوند زمینه به فیبر، انحراف ترک، پل­زنی فیبری و بیرون آمدگی فیبر بوجود می­آید. یک منحنی کششی- فشاری برای سرامیک یکپارچه و کامپوزیت زمینه سرامیکی در شکل 3-10 نشان داده شده است. از آنجاییکه ناحیه زیر منحنی کششی- فشاری اغلب به عنوان نشانه­ای از سفتی در نظر گرفته می­شوند، افزایش بالا در سفتی برای کامپوزیت زمینه سرامیکی، واضح و آشکار است.

      دمای نسبی در محدودیت­های مواد


    (تصاویر در فایل اصلی موجود است)
     

     مقایسه پلیمری و فلزی با کامپوزیت­های سرامیک

      فشار برای مواد مرکب ماتریکس یکپارچه و سرامیک

    مکانیزم گسستگی پیوند و بیرون آمدگی فیبر در شکل 10-4 نشان داده شده­اند برای مؤثر واقع شدن این مکانیزم­ها، بایستی در واسط فیبر به زمینه، پیوند نسبتاً ضعیفی وجود داشته باشد. اگر پیوند قوی باشد، ترک مستقیماً در طی فیبرها پراکنده شده و منجر به جذب انرژی کم یا عدم جذب انرژی می­شود. بنابراین کنترل صحیح واسط، بسیار ضروری است. پوشش­دهی اغلب برای محافظت از فیبرها در طی پردازش و برای ایجاد پیوند ضعیف فیبر به زمینه، به کار گرفته می­شود.

    کامپوزیتهای، کربن- کربن (C-C)، قدیمی­ترین و رشد یافته­ترین کامپوزیتهای زمینه سرامیکی هستند. آنها در سال 1950 توسط صنعت هوا فضا برای استفاده به عنوان پوسته موتور راکت، محفظه­های گرمایی،    لبه­های هدایتی و محافظت گرمایی، گسترش یافتند. لازم به ذکر است که ترکیبات C-C اغلب به عنوان طبقه مواد جداگانه­ای از سایر کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، در نظر گرفته می­شوند اما کاربرد و فرآیندهای ساخت آنها مشابه ترکیبات دیگر ماتریس سرامیکی است. یک مقایسه نسبتی از C-C با سایر کامپوزیتهای زمینه سرامیکی در جدول 10-1 آورده شده است. برای کاربردهای دمایی بالا، ترکیبات C-C پایداری گرمایی استثنایی ( ) را در یک عدد غیراکسید کننده به همراه چگالی­های پایین (0.054-0.0721 b/in) ارائه می­دهد. انبساط گرمایی پایین آنها و میزان هدایت گرمایی­شان، مقاومت شوک گرمایی بالایی را ارائه می­دهد. در اتمسفرهای گاز ساکن و خلأ، کربن یک ماده بسیار پایدار است که تا دماهایی بیشتر از  استفاده می­شود. با این وجود، در اتسمفرهای اکسیدکننده، در دماهایی پایین مانند شروع به اکسید کردن می­کند. بنابراین ترکیبات C-C برای کاربردهای دمایی بالارونده بایستی با سیستم­های پوششی مقاومت در برابر اکسیداسیون، مانند کربید سیلیکون حفاظت شود که با شیشه­هایی روپوشی می­شود.

    پوشش کربید سیلیکونی، حفاظت اساسی را ارائه می­دهد در حالیکه پوشش رومی شیشه­ای، ذوب شده و دمای بالارونده، به داخل ترک­های پوششی، جریان پیدا می­کند. به علاوه، موانع اکسیداسیون مانند بورون، معمولاً به زمینه اضافه می­شوند تا حفاظت بیشتری را ارائه دهند.

    مواد زمینه سرامیکی شامل کربن المانی، شیشه­ها، سرامیک- شیشه، اکسیدها (مثلاً آلومینا- )، غیر اکسیدها (مانند کربید سیلیکون-Sic) می­باشند. اکثر مواد سرامیکی با پیوند یونی به همراه بعضی پیوندهای کووالانسی، کریستالین می­شوند. این پیوندها، بخصوص پیوند کوولانسی مستقیم و قوی، مقاومت بالایی نسبت به حرکت جابه­جایی را بوجود آورند. از آنجاییکه کامپوزیتهای C-C و سرامیکی در مقایسه با کامپوزیتهای زمینه فلزی یا پلیمری، نیازمند دماهای پردازش بسیار بالایی هستند، ساخت کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، سخت و پرهزینه است.

    جدول 10-1 مقایسه کربن و سرامیک کامپوزیت

    تقویت­ها برای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی، معمولاً فیبر کربن، فیبرهای سرامیکی غیراکسیدی یا اکسیدی، الیاف ریز یا ذرات هستند. فیبر کربن در اصل در ترکیبات کربن- کربن استفاده می­شود در حالیکه فیبرهای اکسید (مانند آلومینا) یا فیبرهای غیراکسید (مانند کربیدسیلیکون) در زمینه­های سرامیکی که سرامیک   شیشه­ای، شیشه­ای مورد استفاده قرار می­گیرند. فیبرهای پیوسته غیراکسیدی و اکسیدی با عملکرد بالا، منجر به هزینه بالایی از کامپوزیت زمینه سرامیکی می­شوند. هزینه و دشواری فراوان کامپوزیتهای زمینه سرامیکی کیفیت بالا ساخته شده به طور پیوسته، کاربردهای آنها را محدود کرده است.

    10-1 تقویت­ها

    فیبرهای استفاده شده در کامپوزیتهای زمینه سرامیکی بر طبق قطر و نسبت­های تصویری­شان، به سه گروه اصلی تقسیم­بندی می­شوند:

    الیاف ریز، تک رشته­ای­ها و چند رشته­ای­ها

    تقثویت­ها در فرم ذرات و صفحات کوچک نیز استفاده می­شوند. خلاصه­ای از تعداد فیبرهای سرامیکی پیوسته اکسیدی و غیراکسیدی در جدول 10-2 آورده شده است.

    جدول 10-2 خواص الیاف سرامیک مداوم منتخب

    الیاف ریز، کریستال­های تکی با قدرت­های نزدیک شونده به قدرت تئوریکی مواد هستند. آنها معمولاً قطر یا کمتر و طول یا بیشتر دارند. به عنوان تقویت، سایز و نسبت­های تصویری آنهاست (قطر/طول) که تأثیر قوی­کننده­شان را تعیین می­کند.  و  پرکاربردترین الیاف ریز استفاده شده برای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی می­باشند.

    فیبرهای تک رشته­ای Sic از طریق ته­نشینی شیمیایی بخار کربید سیلیکون در زیر لایه کربنی نامنظم با قطر 1.3mil، تولید می­شوند که منجر به قطر فیبری 5.5mil می­شوند. زیرلایه کربن، نسبت به زیر لایه تنگستن ارجحیت دارد زیرا بالاتر از دمای ، کربید سیلیکون با تنگستن واکنش می­دهد و منجر به تحلیل قدرت فیبر می­گردد. در طول ساخت، یک لایه ضخیم  از گرایت پیرولیتیکی در زیر لایه کربن گرم شده مقاومتی ته­نشین می­شود تا سطح همواری را ایجاد کند و هدایت الکتریکی­اش را کنترل نماید. زیر لایه پوشش داده، به صورت شیمیایی با استفاده از مخلوط گازهای هیدروژن و سیلان، ته­نشینی بخار (CVD) می­شود. در زمان خروج راکتور، لایه نازکی از کربید سیلیکون و کربه به کار گرفته می­شود تا قابلیت جابجایی بهتری ایجاد کند، به عنوان مانع نفوذی برای کاهش واکنش بین فیبر و زمینه عمل کند و نقص­های سطح را بر قدرت فیبر بهبود یافته، بهتر کند. از آنجاییکه این تک رشته­ای­ها بزرگ هستند، می­توانند واکنش­های سطحی را با زمینه و بدون از دست دادن قدرت، تحمل کنند. با این وجود، قطر بزرگ آنها، استفاده­شان در ساختارهای پیچیده را مانع می­شوند. این به دلیل قطر بزرگ و سفتی بالای آنهاست که توانایی­شان برای شکل­گیری در اشعه محدود را محدود می­کند.

    فیبرهای چند رشته­ای سرامیکی در سایزهای دوتایی، از 500 تا 1000 فیبر موجودند که خصوصیات دمای بالا را با قطرهای کوچک (0.4-0.8mil) ترکیب می­کنند و به آنها امکان استفاده برای میزان گسترده­ای از موارد ساخت مانند چرخش رشته، بافتن و بهم تابیدن، فراهم می­کنند. محاسبه مفیدی از توانایی فیبر جهت شکل یافتن در فرم­های پیچیده، شعاع بحرانی خمیدگی  را می­توان از طریق ضرب کشش شکست فیبر در شعاع فیبر محاسبه کرد. قدرت بالا، ضریب پایین و قطرهای کوچک، همگی در فیبرهایی شرکت دارند که می­تواند با استفاده از تکنولوژی­های معمول، پردازش شود. به عنوان مثال، درحالیکه تک رشته­ای­های Sic دارای شعاع خمیدگی بحرانی 7mm هستند، بیشتر فیبرهای چند رشته­ای سرامیکی کمتر از  هستند.

    فیبرهای اکسیدی و غیراکسیدی، هر دو برای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی مورد استفاده قرار می­گیرند. فیبرهای مبتنی بر اکسید مانند آلومینا، مقاومت مناسبی در برابر اتمسفرهای اکسیدکننده از خود نشان      می­دهند اما به دلیل رشد ذره، نگهداری مقاومت و مقاومت خزش آنها در دماهای بالا، ضعیف است. فیبرهای اکسیدی مانند C وSic  دارای چگالی­های پایین­تر و نگهداری خزش و قدرت دمای بالا بهتری نسبت به فیبرهای اکسیدی دارند اما در دمای بالا، مشکلات اکسیداسیون دارند.

    فیبرهای اکسیدی سرامیکی، تشکیل یافته از کامپوزیتهای اکسیدی مانند آلومینا ( ) و مولیت ( ) می­باشند. اگر به طور خاص به عنوان فیبرهای کریستالی تکی شناسایی شوند، فیبرهای اکسیدی چند کریستالینی هستند. خانواده 3Ms Nextel از فیبرها، تا به امروز، رایج­ترین موارد هستند. Nextel از طریق پروسه ژل سلولی تولید می­شود که در آن یک محلول ژل سلولی، در فیبرها، خشک ریسی شده، خشک می­شود و سپس در دمای  آتش داده می­شود. Nextel 312,440,550 در اصل به عنوان فیبرهای عایق­بندی گرمایی طراحی شدند. 440 و 312 Nextel، فیبرهای آلومینوسیلیکانی حاوی به ترتیب 14 درصد بوریا ( ) و 2 درصد پوریا هستند به این معناست که هر دو این فیبرها، حاوی فازهای شیشه­ای و کریستالنی می­باشند.

    علی­رغم اینکه بوریا به نگه­داری قدرت زمان کوتاه دمای بالا کمک می­کند، فاز شیشه­ای نیز، قدرت خزش را در دماهای بالا، محدود می­کند. از آنجاییکه Nextel550، حاوی بوریا نمی­باشند، شامل فاز شیشه­ای نیست و مقاومت خزش دمای بالا بهتر اما قدرت دمای بالای زمان کوتاه پایین­تری از خود نشان می­دهد. برای کاربردهای کامپوزیتی،  Nextel 610,720 حاوی فلز شیشه­ای هستند و ساختارهای بیشتری دارند که به آنها امکان نگه­داری درصد بالاتری از قدرتشان را در دماهای بالارونده می­دهد. Nextel 610 دارای بالاترین قدرت دمای اتاق است. این به دلیل ترکیب تک فاز ذره­ای شده مناسب  است در حالیکه Nextel 720 دارای مقاومت خزش بهتری به دلیل افزودن  می­باشد که مولیت /  را می­سازد که باعث کاهش سرخوردن مرز ذره می­شود. به عنوان یک گروه، فیبرهای اکسیدی هدایت­کنندگان الکتریکی و گرمایی ضعیف­تر هستند که CTE بالاتری دارند و نسبت به فیبرهای غیراکسیدی، غلیظ­ترند. به دلیل وجود فازهای شیشه­ای بین مرزهای ذره، و در نتیجه رشد ذره، فیبرهای اکسیدی به سرعت در میزان دمای ، قدرتشان را از دست می­دهند.

    فیبرهای غیراکسیدی با کامپوزیتهای مبتنی بر کربید سیلیکون، حکمفرما هستند همه فیبرها در این دسته، حاوی اکسیژن هستند. سری Nipponʼs Nicabn از فیبرهای Sic، رایج­ترین موارد هستند. فیبرهای Nicalon از طریق پروسه تغیر شیمیایی در اثر حرارت پلیمری، تولید می­شوند که منجر به تشکیل ساختار ذرات آلترا B-Sic (2nm- 

    1)پخش ده در ماتریس آمورفوس  و کربن آزاد می­شوند.

    ساخت فیبر شامل ترکیب یک پلیمر قابل چرخش، چرخاندن پلیمر در فیبر پیش ماده، پروراندن فیبر تا در طی تجزیه در اثر حرارت، ذوب نشود. و سپس فیبر پیش آماده پرورده شده را در فیبر سرامیکی، تجزیه در اثر فرار کند. محتویات اکسیژن بالای Nicalon (12%) در دمای  باعث مشکلات عدم پایداری شده و منوکسیدکربن گازی تولید می­کند. بنابراین تنوع محتویات اکسیژن پایین (0.5%)، با عنوان Hi-Nicalon، گسترش یافت که دارای مقاومت خزش و پایداری گرمایی بهبود یافته­ای می­باشد. محتویات اکسیژن از طریق پرورش تاشی با استفاده از پرتو الکترون در اتمسفر هلیوم، کاهش پیدا می­کند. جدیدترین فیبر آنها با نام Hi-Nicalon-S دارای محتویات اکسیژن پایین­تری (0.2%) و اندازه دانه بزرگتر (20-200nm) برای مقاومت خزش دست یافته است.

    نوع دیگر فیبر Sic با Tic در ساختار آن، Tyranno می­باشد که توسط صنایع Ube تولید می­شود. شامل 2 درصد وزنی تیتانیوم برای کمک به رشد دانه­ها در دماهای بالارونده می­باشد. در فیبر Tyranoo ZM  زیر کونیوم به جای تیتانیوم استفاده می­شود تا قدرت خزش را تقویت کرده و مقاومت در برابر خوردگی نمک را بهبود دهد. یک فیبر کربیدسیلیکونی جدید با نام Sylramic-iBN حاوی بورن اضافی در فیبر است که به سطح نفوذ کرده و در آنجا با نیتروژن واکنش می­دهدتا بر روی سطح فیبر پوشش نیترید بورون را بوجود آورد. حذف بورون از توده فیبر، به فیبر امکان نگه­ داشتن قدرت کششی بالایش را می­دهد و مقاومت خزشی و هدایت الکتریکی آنرا نیز بهبود می­دهد.

    علی­رغم اینکه قدرت­های خزش فیبرهای استوکیومتریک مانند Hi-Nicalon-S، Tyanno SA و Sylramic بهتر از فیبرهای کربیدی قبلی غیر استوکیومتریکاست، ضریب آنها 50 درصد بالاتر و مقاومت در برابر شکست آنها، 3/1 پایین­تر است که به طور معکو، بر توانایی آنها برای سفت کردن زمینه­های سرامیکی، تأثیر می­­گذارد. با این وجود، از بین فیبرهای تجاری موجود، فیبرهای Tyranno و Nicalon پیشرفته، از لحاظ قدرت، قطر و هزینه کامپوزیت­های زمینه سرامیکی برای دماهای بالاتر از ، بهترین انواع هستند.

  • فهرست:

    ندارد.
     

    منبع:

    ندارد.

قبل از این گفتیم که گل به‌تنهایی و پس از خشک شدن ترک می‌خورد. کاه با خواص ارتجاعی خود این نقص گل را برطرف می‌کند، بنابراین، مقداری از آن را به گل می‌افزایند. اصلاً علت استفاده از کامپوزیت همین خواص است to compose یعنی ترکیب کردن و بنابراین کامپوزیت (composite) یعنی مرکب. مرکب هم که می‌دانیم، یعنی چیزی که از ترکیب چند چیز مختلف به دست آمده است. موادّ کامپوزیتی به موادی گفته ...

کامپوزیت چیست؟ کامپوزیت ماده ای است که از چند ماده متمایز ساخته شده است (البته از لحاظ ماکروسکوپیک نه میکروسکوپیک) یکی از کامپوزیت های آشنا بتون است که از سیمان و ماسه ساخته می شود.بسیاری از مواد می توانند در گروه کامپوزیت ها قرار گیرند اما در این جا کمی در مورد کامپوزیت هایی از نوع فیبر های استحکامی پلیمری می نویسیم. کامپوزیت های پلیمری پلاستیک هایی هستند که درون آن ها رشته ها ...

مقدمه: بسیاری از فن آوریهای نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولی از خواص را با آلیاژهای فلزی ، سرامیکی و پلیمرهای معمولی حاصل نمی آید بدست می دهد . به عنوان نمونه مواد مورد نیاز درسفینه های فضائی ، زیر دریائی ها و کاربردهای حمل و نقل از این قبیل است که باید در عین چگالی کم ، استحکام سفتی و مقاومت به سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد.معمولا مواد مستحکم نسبتا چگال هستند ...

تاریخچه: کامپوزیتها (مواد چند سازه ای یا کاهگل های عصر جدید )رده ای از مواد پیشرفته هستند که در آنها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است.اجزای تشکیل دهنده ویژگی خود را حفظ کرده در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی شوند.استفاده از این مواد در طول تاریخ نیز مرسوم بوده است .از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر ...

تاریخچه: کامپوزیتها (مواد چند سازه ای یا کاهگل های عصر جدید )رده ای از مواد پیشرفته هستند که در آنها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است.اجزای تشکیل دهنده ویژگی خود را حفظ کرده در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی شوند.استفاده از این مواد در طول تاریخ نیز مرسوم بوده است .از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر ...

چکیده : فناوری نانو و تولید مواد در ابعاد نانومتری موضوع جذابی برای تحقیقات می باشد که در دهه اخیر توجه بسیاری را به خود معطوف داشته است. نانو کامپوزیت ها نیز به عنوان یکی از شاخه های این فناوری جدید ، اهمیت بسیاری یافته اند به عنوان یک تعریف ، نانوکامپوزیت ها مواد مرکبی هستند که لااقل یکی از اجزاء تشکیل دهنده آنها دارای ابعاد در محدوده ی nm100-1 می باشد و خود شامل سه دسته ...

مقدمه: بسیاری از فن آوریهای نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولی از خواص را با آلیاژهای فلزی ، سرامیکی و پلیمرهای معمولی حاصل نمی آید بدست می دهد . به عنوان نمونه مواد مورد نیاز درسفینه های فضائی ، زیر دریائی ها و کاربردهای حمل و نقل از این قبیل است که باید در عین چگالی کم ، استحکام سفتی و مقاومت به سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد.معمولا مواد مستحکم نسبتا چگال هستند ...

کاربرد نانومواد درصنعت برق ‌‌‌‌زمانی که قرن بیستم آغاز شد،افراد معمولی بسیار سخت می توانستند درک کنند که خودروها وهواپیماها چگونه کار می کنند·بهره گیری از انرژی اتمی فقط درحد تئوری وجود داشت و شاید اکنون نیز برای عده ای در ابتدای قرن بیست و یکم بسیار سخت باشد که باور کنند بشر روبوتهای میکروسکوپی خواهد ساختو خط مونتاژ میکروسکوپی داشته باشد·تولید چنین محصولات خارق العاده ای حاصل ...

مقدمه: بسیاری از فن آوریهای نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولی از خواص را با آلیاژهای فلزی ، سرامیکی و پلیمرهای معمولی حاصل نمی آید بدست می دهد . به عنوان نمونه مواد مورد نیاز درسفینه های فضائی ، زیر دریائی ها و کاربردهای حمل و نقل از این قبیل است که باید در عین چگالی کم ، استحکام سفتی و مقاومت به سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد.معمولا مواد مستحکم نسبتا چگال هستند ...

آشنایی با کامپوزیت ها مقدمه: بسیاری از فن آوریهای نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولی از خواص را با آلیاژهای فلزی ، سرامیکی و پلیمرهای معمولی حاصل نمی آید بدست می دهد . به عنوان نمونه مواد مورد نیاز درسفینه های فضائی ، زیر دریائی ها و کاربردهای حمل و نقل از این قبیل است که باید در عین چگالی کم ، استحکام سفتی و مقاومت به سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد.معمولا مواد مستحکم ...

ثبت سفارش
تعداد
عنوان محصول