کامپوزیت های زمینه فلزی

مقدمه:

اگرچه کامپوزيت هاي زمينه فلزي (MMC) نسبتاً تازه وارد هستند و مدت زيادي نيست که در زمره ي مواد مهندسي قرار گرفته اند، ولي هر روز بهبود خواص و آگاهي بيشتر از اين مواد حاصل مي شود. بهبود مسائل اقتصادي اين مواد منجر به کارگيري اين مواد در ساختارهاي آينده مي شود.

سيستم هاي کامپوزيتي زمينه فلزي (MMC System)

تعريف:

يک سيستم کامپوزيتي زمينه فلزي عمدتاً به سادگي و با استفاده از يک زمينه ي ساخته شده از يک آلياژ فلزي ساخته مي شود که بوسيله ي يک تقويت کننده ي سراميکي محافظت مي شود براي مثال کامپوزيت 6061AL/30v/oSicp از يک آلياژ تقويت شده با 30 درصد حجمي تقويت کننده ي سيليسيم کاربيد، تشکيل شده است. البته تعريفي که کرديم، يک تعريف کامل سيستم کامپوزيتي نيست زيرا اين تعريف اطلاعاتي در زمينه ي فرايند تثبيت و استحکام بخشي نداده است. همچنين در مورد عمليات حرارتي دوباره يا جهت گيري خاص الياف نيز صحبت نکرده است.
پس با توجه به صحبت هاي گفته شده مي فهيمم که بايد نکاتي را بدانيم تا بتوانيم کامپوزيت هاي زمينه فلزي را از ديگر انواع مواد کامپوزيتي تميزدهيم. از اين لحاظ، چندين تفاوت اين کامپوزيت ها را در زير آورده ايم:
1-فاز زمينه ي يک کامپوزيت زمينه فلزي، يا يک فلز آلياژي است و يا يک فلزخالص است. (نه يک پليمر يا سراميک)
2-کامپوزيت هاي زمينه فلزي از سراميک ها يا کامپوزيت هاي زمينه سراميکي (CMC) داکتيل تر و داراي تافنس بيشتري هستند. اگرچه در مقايسه با آلياژهاي تقويت نشده مورد استفاده در زمينه، اين کامپوزيت ها داکتيليتي کمتري دارند و از لحاظ تافنس نيز ضعيف ترند.
3-نقش تقويت کننده در کامپوزيت هاي زمينه فلزي، افزايش استحکام و مدول است،درست شبيه به کامپوزيت هاي زمينه پليمري ولي در مورد کامپوزيت هاي زمينه سراميکي، تقويت کننده عمدتاً نقش کاهش خسارات ناشي از تاب برداشتن را بر عهده دارند.
4- کامپوزيت هاي زمينه فلزي عمدتاً ظرفيت گرمايي بزرگ تري نسبت به پليمرها و کامپوزيت هاي زمينه پليمري دارند ولي ظرفيت گرمايي آنها از سراميک ها و کامپوزيت هاي زمينه سراميکي کم تر است.

مواد زمينه ( Matrix Materials)

فلزات يکي از مواد بسيار مناسب براي مواد مهندسي هستند. يک ماده ي فلزي داراي گستره ي وسيعي از خواص قابل کنترل است. که اين خواص با انتخاب عناصر آلياژي و فرآيندهاي ترمومکانيکي کنترل مي گردد. استفاده ي گسترده از فلز نه تنها استحکام و تافنس بالاي اين ماده را نشان مي دهد بلکه سهولت نسبي و قيمت پايين توليد قطعات مهندسي با گستره ي وسيعي از روش هاي توليد را نيز نشان مي دهد.
براي رسيدن به خواص مطلوب مانند سختي، مقاومت در برابر خستگي و سايش و استحکام بالا در عين دارا بودن خواص مانند کاهش ضريب انبساط گرمايي و رسانش، بايد زمينه ي فلزي با يک استحکام دهنده ي مناسب ترکيب شود. البته هزينه ي رسيدن به چنين خواص بهبود يافته اي يکي از چالش هاي پيش رو در کاربردهايي است که پتانسيل استفاده کردن از کامپوزيت هاي زمينه فلزي در آن ها وجود دارد.
در مقايسه با انواع ديگر کامپوزيت (زمينه پليمري و زمينه سراميکي)، کامپوزيت هاي زمينه فلزي به طور واضح با ترکيبات خاص و فرآيندهاي توليد متفاوت درگير هستند. اين مسأله بطورعمده بخاطر تفاوت هاي ذاتي بين فلز با پليمر و سراميک است. (اين مواد در زمينه ي کامپوزيت استفاده مي شوند) . در حقيقت در مورد اين مسأله زمينه ي کامپوزيت در ايجاد خواص مربوطه نسبت به تقويت کننده ها بيشتر تأثير دارد. فلزات خالص مات و عناصر شيميايي درخشاني اند و به طورکلي رساناهاي خوبي براي گرما و الکتريسيته هستند. همچنين اگر سطحشان را پويش کنيم، تمايل دارند که نور را به خوبي منعکس کنند. اکثر فلزات داکتيل هستند اما آنها نسبتاً مواد پردانسيته اي هستند. اين خواص فلزات منعکس کننده ي طبيعت پيوند اتمي در فلزات است. در فلزات اتم ها تمايل دارند که الکترون از دست دهند، که نتيجه ي اين مسأله ايجاد يون هاي مثبت مي شود. در مقابل اين مسأله سراميک ها و پليمرها موادي هستند که از لحاظ شيميائي ترکيبي از عناصر هستند. پيوندها در مواد سراميکي و پيوندهاي بين مولکولي در پليمرها نتيجه ي اشتراک بين اتم ها و يا انتقال الکترون ها از اتمي به اتم ديگر است. به دليل عدم وجود الکترون هاي آزاد در سراميک ها و پليمرها (درپليمرها به علت وجود پيوندهاي و اندروالس، الکترون آزاد وجود ندارد.) رسانايي گرمايي و الکتريکي ضعيف است و قابليت تغيير شکل و تافنس در مقايسه با مواد فلزي کم تر است.

نقش مواد مورد استفاده در زمينه

اتخاب آلياژهاي زمينه براي کامپوزيت هاي زمينه فلزي بوسيله ي چندين ملاحظه انجام مي شود. و به عنوان يک مسأله ي بسيار خاص، به شکل تقويت کننده (از لحاظ مداوم بودن و يا نبودن) توجه بسيار مي شود. استفاده از الياف مداوم به عنوان تقويت کننده ممکن است باعث انتقال مقدار زيادي از بار اعمالي، به تقويت کننده شود. افزايش استحکام اين نوع کامپوزيت با افزايش ميزان استحکام الياف بکار برده در ساخت آنها، زياد مي شود. نقش هاي عمده ي آلياژ زمينه بوسيله ي انتقال بهتر بال به الياف و جلوگيري از رشد ترک در زماني که در الياف شکست اتفاق مي افتد، انجام مي شود، بنابراين آلياژ زمينه براي کامپوزيت هاي زمينه فلزي تقويت شده با الياف مداوم بيشتر از مواد چقرمه انتخاب مي شود تا با استحکام بالا. براين اساس، در کامپوزيت هاي تقويت شده با الياف مداوم از آلياژهاي زمينه اي استفاده مي شود که استحکام کمتر، داکتيليتي بيشتر و تافنس بيشتر داشته باشند. براي کامپوزيت هاي زمينه فلزي تقويت شده با الياف کوتاه (غير مداوم) زمينه ممکن است در استحکام کامپوزيت تأثير زيادي داشته باشد. پس در انتخاب زمينه ممکن است توجه به نياز استحکام کامپوزيت تأثير داشته باشد و از اين رو نياز به آلياژهاي زمينه اي مستحکم تر مي باشد. ملاحظات اضافي در انتخاب زمينه شامل تقويت کننده هاي بالقوه يا واکنش هاي ماتريکس در هنگام فرآيند توليد يا در هنگام کارکرد است. اين ملاحظات ممکن است باعث کارکرد بدتر کامپوزيت، تنش گرمايي بوجود آمده به علت عدم تناسب در انبساط گرمايي تقويت کننده و زمينه و تأثير رفتار خستگي زمينه بر روي واکنش سيکلي کامپوزيت، شود. درحقيقت رفتار کامپوزيت هاي زمينه فلزي در شرايط اعمال نيروهاي سيکلي، بخشي است که نيازمند ملاحظات خاصي است. در کامپوزيت هاي زمينه فلزيي که براي استفاده در دماهاي بالا استفاده مي شوند، يک ملاحظه اي اضافي توجه به تفاوت دماي ذوب بين تقويت کننده و زمينه است. تفاوت زياد در دماي ذوب ممکن است باعث ايجاد خزش در هنگامي که تقويت کننده هنوز الاستيک است و حتي در دماهايي که زمينه در حال رسيدن به نقطه ي ذوب است، اتفاق افتد. به هر حال در هنگامي که تفاوت کوچکي در نقطه ذوب کامپوزيت وجود دارد، خزش بايد در زمينه و تقويت کننده بررسي شود.

شکل هاي مواد زمينه

فلزات به صورت روتين در گستره ي وسيعي از شکل هاي توليدي، در دسترس هستند.
اين شکل هاي توليدي در عمليات هاي توليدي بعدي مورد استفاده قرار مي گيرند. اين شکل ها شامل مواد ذوب مجدد شده براي ريخته گري، مواد شکل داده شده مانند سيم، فويل، صفحه، ميله، پليت، گونه هاي مختلفي از اشکال اکسترود شده و پودر مي شود. بسياري از اين اشکال مختلف براي توليد کامپوزيت هاي زمينه فلزي استفاده مي شوند. روش هاي ذوبي مانند تصفيه فلز مايع مي شود که اين روش ها نيازمند ترکيبات با قابليت ذوب مجدد هستند. روش هاي فويل / الياف/ فويل نيازمند فويل هاي زمينه به ضخامت مناسب ( به طور نمونه 0.1 ميلي متر يا 0.004 اينچ) هستند. به طورعمومي، فويل به معناي يک محصول پيچيده ( به صورت توپ در آمده) با ضخامت کمتر از 0.012 اينچ (0.3 ميلي متر) است. چنين ضخامتي به سهولت در دسترس است و از عبور بسياري از آلياژهاي زمينه اي داکتيل از ميان دو غلطک بدست مي آيد، البته ممکن است که براي آلياژهاي با کار سختي بالا از روش هاي خاص استفاده شود. بسياري از فلزات را مي توان با روش هاي متنوعي به حالت پودر در آورد.

انواع مواد زمينه

بسياري از کاربردهاي کامپوزيت زمينه فلزي داراي ملاحظات بغير از استحکام هستند. براي مثال، در کنتاکت هاي الکتريکي و بنابراين احتياجات متناظري از لحاظ نوع مواد زمينه وجود دارد. فلزات خالص عموماً نرم و کم دوام هستند. در حالي که داراي رسانندگي الکتريکي و گرمايي خوبي هستند. اين مسأله به دليل عواملي بوجود مي آيد که موجب تغيير فرم پلاستيک آسان و استحکام پايين همراه با داکتيليتي بالا و همچنين اجازه ي حرکت آسان الکترون هاي آزاد مهيا مي گردد ( اين حرکت آسان موجب افزايش رسانش گرمايي و الکتريکي فلز خالص مي گردد) . بنابراين در کاربردهايي که نياز به رسانايي گرمايي يا الکتريکي بالا به همراه استحکام بالا و مقاومت در برابر سايش، داريم (براي مثال در نوک هاي کنتاکت ) از کامپوزيت هاي با زمينه فلزي با فلز خالص که با تقويت کننده هاي سراميکي ساخته شده اند، استفاده مي شود.
در سال هاي اخير، تأکيد رو به رشدي بر استفاده از ترکيبات آلياژي شبيه به ترکيبات اينترمتاليک کامل مانند تيتانيم آلومينيوم، انجام شده است. ترکيبات اينترمتاليک اين چنيني و آلياژهاي آنها اغلب ترکيبات جالب با دانسيته ي پايين، نقطه ذوب بالا و استحکام بالا در دماهاي بالا ايجاد مي کنند. به عبارت ديگر، داکتيليتي چنين ترکيباتي عمدتاً ضعيف است که علت آن اين است که پيوندهاي موجود در اين مواد اغلباً به جاي پيوندهاي فلزي، پيوندهاي کوالانسي ويوني هستند.
آلياژهاي زمينه همچنين براساس دماي ذوب نيز طبقه بندي مي شوند. به طورغيرطبيعي، به خاطر دماهاي ذوب بالا که در کامپوزيت هاي حاوي موليبدن، نيوبيوم و شگستن اتفاق مي افتد، اين کامپوزيت ها را اجسام نسوز مي نامند البته جسم نسوز به معناي جسمي است که به سختي ذوب مي شود، و در اصل به اشتباه به اين اجسام نسوز مي گويند. فلزاتي مانند آهن، نيکل و مس داراي رفتار ذوب شدن متوسطي هستند. در حالي که آلومينيوم و منيزيم مواد با دماي ذوب نسبتاً پايين تري هستند.
فلزات مختلفي در ساخت کامپوزيت هاي زمينه فلزي استفاده مي شوند با انتخاب مواد زمينه، بنياني براي طبقه بندي اين کامپوزيت ها ميسر مي سازد. سيستم هاي آلياژي شامل آلومينيوم، مس، آهن (فولادها)، منيزيم، نيکل، تيتانيم به عنوان زمينه مصرف مي شوند. که به عنوان نمونه، از بين اين مواد در مورد آلياژهاي آلومينيوم صحبت مي کنيم.

آلومينيوم

گستره ي وسيعي از آلياژهاي آلومينيوم در شکل هاي متنوع در کامپوزيت هاي زمينه فلزي استفاده مي شود. دانستيه ي اغلب آلياژهاي آلومينيوم به دانسيته ي آلومينيوم خالص نزديک است که اين مقدار تقريباً 0.1 پوند بر اينچ مربع (2698 کيلوگرم بر متر مربع) است. آلومينيوم خالص در دماي 1220 درجه فارنهايت (660 درجه سانتيگراد) ذوب مي شود. اين دماي ذوب نسبتاً پايين در مقايسه با اکثر فلزات مستعد براي زمينه، باعث تسهيل فرآيند توليد کامپوزيت هاي زمينه فلزي پايه آلومينيوم مانند متالورژي پودر و روش هاي قالب گيري مي گردد. آلياژهاي آلومينيوم به طور عمده بر اساس روش شکل دهي ( بدون استفاده از ريخته گري و يا مواد قالب گيري طبقه بندي مي شوند. علاوه بر اين کامپوزيت هاي توليدي به روش بدون ريخته گري همچنين به شکل پودر نيز وجود دارند. واژه ي بدون ريخته گري به معناي اين است که اين مواد ابتدائاً بوسيله ي روش هاي مکانيکي شکل دهي شده اند؛ اين روش هاي مکانيکي، توليداتي مانند صفحات غلطک کاري شده، ورق يا صفحات، انواع شکل هاي اکسترود شده، لوله، قطعات خرج شده، سيم، ميله و يا شمش را توليد مي کنند.

ادامه نوشته