الیاف تقویت کننده چیست؟

حضور گسترده مواد به شکل الیاف تقویت کننده پارچه ای یا یکطرفه به منظور تقویت کردن ، سخت کردن و سفت کردن و با دوام کردن پلاستیکها ، فلزات و سرامیکها بکار می رود. بعلاوه ضمن تقویت کردن ، بعضی  از این الیاف خواصی  را کسب می کنند که دارای ارزش زیادی است این خواص شامل کمی دانسیته، هدایت الکتریکی و مقاومت در برابر حرارت می باشد . 

اولین الیافی  که برای تقویت کردن پلاستیک ها در سازه های هوایی بکار رفت الیاف فلاکس (Flax) بود که وقتی با رزین فنولیک ترکیب می شد تشکیل ماده کامپوزیت  بنام گردون آیرولیت (Gordon – Aerolite) را می داد که این ماده مرکب در سال  در سازه هوایی  بکار برده شد. 

این ماده از بوکسیت (Bauxite) که آلومینیوم از آن ساخته می شود استخراج گردید و هرگز ضررورتی  برای تولید حاصل نگردید و بعداز جنگ جهانی دوم کنار گذاشته شد.

چهار ماده مرکب در حال حاضر بطور گسترده در صنایع  هوایی و در ساختمان هواپیما کاربرد دارند که عبارتند از:الیاف های آرامید (Aromatic – Poly Amid)، بور، کربن و الیاف شیشه.

الیاف دیگری که توسعه یافتند و معرفی شدند عبارت بودنداز کاربید سیلیکون ، پلی اتیلن و کوارتز.

الیاف کربن ترکیب شده با الیاف آرامید یا الیاف شیشه بیشترین کاربرد را در صنایع هوایی  دارند، به الیاف حاصل،الیاف هیبرید یا مختلط می گویند. 

الیاف بور بوسیله الیاف کربن یا الیاف کاربید سیلیکون در حال جانشین شدن هستند این الیاف از الیاف بور ارزانتر می باشند . 

در آمریکا به الیاف کربن، الیاف گرافیت گفته می شود. 

مقایسه خواص مکانیک  چهار الیاف تقویت کننده کننده در جدول ۱ زیر آمده است .

جدول ۱ مقایسه الیاف بور، کربن (گرافیت)، آرامید و شیشه

شکل های الیاف

الیاف تکی را معمولا رشته (Filament) و مجموعه ای از الیاف که شامل سه الی چهار هزار رشته باشند را ریسمان (Strand or ends) می نامند.

تعداد ۵۰ تا ۶۰ ریسمان بدون پیچش را دسته (tow or roving) می نامند . اگر رشته ها دور یکدیگر پیچیده

شوند ریسمان تابیده (Yam) بوجود میآید. دسته ها و ریسمانهای تابیده را بافته و از آنها پارچه (Cloth) یا دسته بافته شده بوجود می آید. 

دسته بافته شده دارای مقاومت بالایی می باشد. دسته تنها به علت جذب چسب زیاد مقاومت کمتری خواهد داشت. نوعی پارچه بنام پیل پلی (Peel Play) باعث خارج شدن رطوبت توسط اعمال مکش و فشار اتمسفر از رزین می گردد و یک لایه با مقاومت بالا ایجاد می شود. در پارچه ها، نسبت پود بکار رفته (Weft) به تارهای طولی (Warp) متغیر بوده و نسبت به کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرد. در پارچه های هیبرید از تار و پودهای مختلف استفاده میشود. مثلا پارچه هیبرید گرافیت شیشه که درآن تارهااز گرافیت و پود آن از شیشه ساخته شده است.

الیاف به شکل کوتاه و بریده شده که در جهات مختلف  نسبت به هم بطور تصادفی قرار می گیرند که به آنها الیاف خرد شده (CSM: Chopped Strand Mat) می گویند. 

ریسمان خرد شده از ریختن خرده های الیاف شیشه با طول ۲۵ تا ۵۰ میلیمتر و به صورت تصادفی روی یک سطح بدست می آید. الیاف کربن و آرامید به شکل دسته ساخته می شوند که شامل صدها یا هزارها رشته می باشند و بدون پیچش می باشند. الیاف شیشه از ریسمانهای ۱۰۲ تا ۲۰۴ که به یکدیگر متصل شده اند چه به صورت دسته(بدون پیچش)و یا ریسمان تابیده (Yam) می باشند. 

نوارها یا تسمه ها (Tapes) نوع دیگر الیاف بوده که به صورت بافته شده نبوده. از نازل های به شکل قیف  که در کنار یکدیگر بدون اینکه فضای مابین آنها باشد یکطرفه قرار می گیرند، خارج می شوند. برای نگه داشتن رشته ها کنار یکدیگر بوسیله رزین آنها را آغشته و اشباع می نمایند که این عمل باعث ضخیم شدن و غلیظ شدن می شود. این رشته ها همچنین بوسیله پلیمرهای ترموپلاستیک در کنار یکدیگر قرار گرفته و تشکیل نوارها یا تسمه ها را می دهند.

برای اینکه رزین به سایر نوارها (Tapes) نچسبد نوارها را با یک ماده کاغذی نازک حد واسط و جدا کننده بنام سیلکون پوشش می دهند. نوارها دارای عرض حداکثر ۲۰۰ میلیمتر می باشد.

بسیاری از ماشین های صنعت از این نوارها در ساخت مواد مرکب مخصوصا موادی که در صنایع  هوا فضا کاربرد دارند؛ استفاده می کنند. الیاف بور (Boron) را به علت داشتن سختی زیاد، نمی  توان به راحتی بافت از این رو آنها را به شکل نوار (Tape) می سازند.

در حالت کلی استفاده از الیاف یکطرفه (UD) هزینه بالایی دارد ولی سازه های که از این مواد ساخته شوند، از مقاومت بالا و وزن کم برخوردار خواهند بود از سوی  دیگر اگر لایه ها از بافتن دسته ها بدست می آیند ساده تر بوده و ارزانتر از UD نیز می باشد. ولی سازه ساخته شده دارای وزن بیشتری نسبت به حال UD می باشد.

پارچه ها به اشکال متعددی توسط صنعت بافندگی برای الیاف مرسوم توسعه یافته است اما سه نوع پارچه به طور اصولی بعنوان الیاف پیشرفته تقویت کننده بکار می رود که عبارتند از:

• ساده مربعی (Plain)
• پارچه ها با خط های اوریب بنام شله (Twill)
• پارچه اطلسی (Satin)

پس بطور کلی در طراحی سازه های هوایی دو نوع عمده الیاف بکار می روند:

• الیاف به شکل پارچه
• الیاف به شکل نوار (Tape)

شکل های ۱، ۲، ۳ و ۴ انواع پارچه های مورد استفاده در صنایع هوا فضا را نشان میدهد.

در نوع الیاف به شکل نوار، رشته ها فقط در یک جهت بطور موازی امتداد یافته اند در حالیکه در نوع الیاف به شکل پارچه رشته ها در دو جهت عمود بر هم امتداد یافته اند.

در پارچه ساده مربع  هر تار از روی پود عبور کرده و از زیر پود دیگر می گذرد و به همین ترتیب بطور یک در میان از میان یکدیگر عبور نموده و بافته می شود.

در پارچه شله (اوریب) هر تار از روی دو عدد از پودها عبور داده شده و سپس از زیر دو پود دیگر می گذرد و به همین ترتیب هر پود ابتدا از روی دو تار عبور داده شده و سپس از زیر دو تار دیگر گذرانده می شود.

در پارچه اطلسی، هر پود از روی یک تار گذرانده شده و سپس از زیر هفت تار دیگر عبور می نماید و ترتیب عبور تار هم از روی و زیر پودها مثل ترتیب عبور پودهاست.

هر کدام از تار و پودها بصورت ۹۰ درجه عبور داده شده اند ولی  می  توان به صورت  هم عبور داد.

اگر بافته، بوسیله بافندگی (ماشین بافندگی) ایجاد شده باشد در آنصورت امکان تولید پارچه ای که در آن تار و پودهای ریسمان ها به طور مستقیم و موازی عبور کرده باشند بدون آنکه انحرافی  یا کجی روی همانگونه در بافندگی  مصطلح و مرسوم اعمال می شودایجاد شده باشد، وجود دارد.

چنین پارچه یا بافته بدون چین خوردگی،  کامپوزیتهای محکم و سفت را ایجاد می نماید چون الیاف تقویت کننده مستقیم هستند.

بافته های سه محوری دارای سه انتها بوده و هر محور از میان محور دیگر با زاویه ۶۰ درجه عبور می نماید.

این پارچه بسیار انعطاف پذیر بوده و وقتی در یک انحنای دو طرفه پهن شوند ریسمانها از یکدیگر جدا می شوند چنین پارچه هایی در زانویی ها و خم های چند جهته مناسب هستند.

به منظور تشریح پارچه های ساده مربعی (Plain) اوریب شله (Twill) اطلس (Satin) باید گفت که این پارچه ها به راحتی  برروی سطوح منحنی بشکل گرد پهن می شوند زیرا رشته ها در آنها کمتر منحرف شده و بعلاوه تقویت کنندگی آنها زیاد است.

در یک ماده کامپوزیت FRP مهم است درک کنیم که تقویت کننده الیاف کمتر از ۶۰ درصد از نظر حجمی ماده مرکب را تشکیل می دهد و در یک الیاف بافته شده این مقدار در دو جهت پارچه یعنی  در جهت پودها و تارها تقسیم می شود. یعنی  ۳۰% در جهت x و ۳۰% در جهت y خواص الیاف بطور پیوسته در حال بهبودی است بویژه اینکه خاصیت تنش یا مقاومت این مواد بسوی تکامل پیش خواهد رفت.