آشنایی با سازه های کامپوزیتی فلز-الیاف

مواد کامپوزیت در دهههای اخیر به منظور ساخت سازههایی با قابلیت ویژه، بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. صنایع نظامی اولین مکانهایی بودند که پس از جنگ جهانی دوم، کامپوزیت‌ها را در ساخت هواپیما و سایر سازههای هوافضایی مورد استفاده قرار دادند. نوآوریهایی که در زمینه کامپوزیت‌ها رخ داده به طراحان این امکان را داده است که سازههایی با وزن بسیار کمتر و مقاومت بیشتر طراحی کنند. کامپوزیت‌ها در مقایسه با فلزات خواص بسیار خوبی نشان می‌دهند، به ویژه زمانی که نسبت مقاومت به وزن زیاد، مقاومت در برابر خستگی و ضربه و حتی خوردگی اهمیت پیدا کند. 

پیشرفت‌هایی که در زمینه تقویت سازه‌های کامپوزیتی روی داده است باعث ساخت الیاف مختلف با خواص مکانیکی متفاوت شده، این نوآوری زمینه را برای ساخت نسل جدیدی از کامپوزیتها با نام کامپوزیت های لایهای فلز-الیاف یا FML (Fiber Metal Laminate) مهیا کرده است. این کامپوزیت‌ها متشکل از لایه‌های نازک فلز هستند که در میان آن‌ها الیاف با جنس مختلف، قرار می‌گیرند و به وسیله رزین به هم متصل میشوند. در شکل زیر نمونهای از قرارگیری لایههای فلز و الیاف را مشاهده میکنید.

نکته حائز اهمیت در بحث کامپوزیتهای فلز-الیاف این است که تغییر پارامترهایی چون نوع الیاف، زاویه چیدمان الیاف، نوع رزین ترتیب چیدمان، نوع فلز و عملیاتهای اصلاحی و حرارتی بر روی فلز همگی بر خواص مکانیکی قطعه تاثیر گذارند. به طور مثال برای ساخت یک جلیقه ضد گلوله نیاز است که سازه دارای مقاومت بالا در برابر ضربه داشته باشد یا به عبارت دیگر دارای خاصیت جذب انرژی باشد بنابراین آن دسته از فلز و الیافی انتخاب میشود که خاصیت جذب انرژی بالایی دارد و بر اساس طراحی مهندسان به نحوه خاصی چیدمان میشود تا خاصیت مکانیکی مطلوب حاصل شود.

به طور کلی علم متالوژی پیشینه بیشتری نسبت به کامپوزیتها دارد و به تبع آن ترکیب این دو مواد در کنار هم سابقه کمتری دارد. در سال 1982 اولین محصول از کامپوزیت فلز-الیاف با نام تجاری (Aramid Reinforced Aluminum Laminates)ARALL به بازار عرضه شد. این کامپوزیت متشکل از لایههای آلمینیوم بود که در بین آن‌ها الیاف آرامید قرار داشت. این تکنولوژی تا به امروز در حال گسترش است و با ترکیبهای متفاوت فلز-الیاف شاهد مواد مرکب با خاصیت‌های متفاوتی هستیم. در نمودار بالا کاربرد فلز و کامپوزیت را در صنعت هوانوردی و نظامی مشاهده میکنید.

سازه فلز-الیاف به دلیل اینکه از لایه‌های مختلفی تشکیل شده اند که معمولا با اتصال چسبی به یکدیگر چسبیده‌اند، در صورت ایجاد ترک در حین بارگذاری، رشد ترک با رسیدن به لایه بعدی متوقف می‌شود و لذا سرعت رشد ترک کمتر شده و در نتیجه شکست ناشی از خستگی در محصولات فلز-الیاف دیرتر روی می‌دهد. همچنین حضور لایه فلز نسبتا ضربه‌پذیر در مجاورت لایه‌های کامپوزیتی مستحکم و نسبتا ترد و همچنین اثرات متقابل بین این لایه‌ها موجب افزایش ضربه‌پذیری و جذب انرژی توسط این محصولات در مقایسه با محصولات کامپوزیتی می‌شود. با توجه به مزایای مطرح شده، کاربرد این محصولات در صنایع مختلفی نظیر هوافضا که مقاومت به رشد ترک، استحکام خستگی و مقاومت به ضربه اهمیت دارد، مورد توجه قرار گرفته است.

برای مثال هواپیمای مسافربری A380 شرکت ایرباس جزو پیشروهای استفاده از فلز الیاف (متشکل از الیاف تک جهته شیشه و لایه‌های آلومینیوم (با نام تجاری GLARE)) به شکل صنعتی می‌باشد، به طوری که دو قسمت بزرگ بدنه این هواپیما که در شکل زیر مشاهده می کنید، از GLARE ساخته شده است. همچنین در ساختار این هواپیمای خاص مواد پلاستیک تقویت شده با کربن، کوارتز و شیشه مشاهده می‌شود.

روش‌های مختلفی برای ساخت این سازه‌ها وجود دارد که از جمله می‌توان روش تغییر شکل پلاستیک شدید، پرس و نورد تجمعی اشاره کرد. در این روش‌ها با ریزکردن دانه‌ها از طریق اعمال کرنش شدید، استحکام فوق العاده زیاد می‌شود و در بعضی موارد اندازه دانه‌ها در حد نانو می‌رسد. اتصال پرس یا نورد تجمعی عبارت است از تغییر شکل ورقهایی که روی هم قرار ‌می‌گیرند و دچار کاهش ضخامتی به میزان 50% ضخامت اولیه از طریق پرس یا نورد صفحات بر روی هم می‌شوند.‌ ‌این میزان کاهش معمولا باعث ‌می‌شود که ورقه‌ها به هم اتصال پیدا کنند. ورقه پرس شده به دو نیم بریده ‌می‌شود و دوباره روی هم قرار ‌می‌گیرند و پرس می‌شوند تا به ضخامت اولیه برسند و کرنش بیشتری را تحمل نمایند.

به طور کلی میتوان گفت این دسته از مواد یک ویژگی بزرگ دارند که آن هم قابلیت طراحی خاصیت مکانیکی مواد بر اساس نیاز است. با تغییر پارامترهایی از جمله نوع فلز و الیاف، تعداد لایهها و نوع چیدمان لایه‌ها و ... میتوان خاصیت مکانیکی مورد نظر را به آن اضافه کرد. علاوه بر این دیگر مزیت آن‌ها نسبت استحکام به وزن بالاست که آن‌ها را انتخاب مناسبی برای صنعت هوانوردی کرده است. این نسل از سازهها به سرعت در حال رشد هستند و در آینده نزدیک درصد حضور آن‌ها در صنعت هوانوردی بیشتر خواهد شد.