ayaran

علم (نانو)شیمی و (نانو)مواد در خدمت صنایع نظامی

امتیاز دادن به این موضوع:

4 ارسال ها در این موضوع

بخش دوم

کامپوزیت الیاف کربن

pihz_277011769-478.jpg

مقدمه

کامپوزیت ها ترکیباتی  هستند که حداقل از ترکیب دو ماده مختلف به وجود می آیند تا در کنار هم باعث ایجاد خواصی بشوند که متفاوت از خواص هر کدام از اجزای سازنده اش است. هر کامپوزیتی از دو بخش تشکیل میشود: ماتریکس و تقویت کننده. ماتریکس یا زمینه بخش بزرگ کامپوزیت را شامل می شود و تقویت کننده به مقدار کمی برای تغییر(بهبود) خواص ماتریکس با روش های متنوعی به آن اضافه می شود. تقویت کننده ها امروزه معمولا الیاف هستند. کامپوزیت ها بر اساس ماتریکسشان به سه دسته پایه فلزی، سرامیکی و پلیمری تقسیم می شوند. کامپوزیت ها با زمینه پلیمری معمولا رایجترند و رزین های پایه پلیمری به عنوان زمینه و انواع مختلفی از الیاف مثل الیاف کربن، آرامیدها و الیاف شیشه به عنوان تقویت کننده به کار برده می شوند. کامپوزیت ها با زمینه فلزی بیشتر در صنعت خودروسازی کاربرد دارند و آلومینیوم به عنوان زمینه و فیبرهایی از قبیل سیلکون کاربید به عنوان تقویت کننده استفاده می شوند. کامپوزیت ها زمینه سرامیکی بیشتر برای محیط ها با دمای بسیار بالا ( خروجی موتورها) کاربرد دارند و از سرامیک به عنوان زمینه و از الیاف کوتاه یا موادی مثل نیترید بور به عنوان تقویت کننده استفاده می شود[1].

کامپوزیت ها با زمینه پلیمری: سیستم های رزینی از قبیل اپوکسی ها و یا پلی استرها به دلیل خواص مکانیکی پایینتر مثلا نسبت به فلزات به تنهایی استفاده کمی در تولیدات مختلف دارند اما این توانایی را دارند که در فرم های پیچیده شکل بگیرند. موادی از قبیل شیشه، آرامید و بورون دارای مقاومت فشاری و کششی بالایی هستند اما در حالت جامد(solid form) این ویژگی ها نمایان نمی شوند این به این خاطر هست هنگام تنش، ترک های سطحی تصادفی سبب می شود هر ماده ای پایین تر از نقطه تئوری شکستش(breaking point) ترک بردارد و از بین برود. برای حل این مشکل مواد به شکل الیاف تولید می شوند بنابراین اگر چه ترک های سطحی یکسانی ایجاد می شود اما این ترکها در تعداد کمی از الیاف محصور میشوند و قدرت واقعی ماده به قدرت نظری اش نزدیک می شود. بنابراین یک دسته از الیاف ماده عملکرد بهتری از ماده (نسبت به صورتهای دیگر ماده) را نشان می دهند. با این حال الیاف فقط در جهت طول (و نه عرض) خود مقاومت کششی قوی نشان می دهند، مثل یک طناب معمولی. وقتی سیستم های رزینی با تقویت کننده هایی از قبیل فیبر کربن و شیشیه ترکیب می شوند خواص منحصر به فردی را به نمایش میگذارند. زمینه رزین بین تک تک الیاف لود شده و کامپوزیت الیاف مورد نظر را شکل داده و الیاف را از آسیب های ناشی از ضربه و سایش محافظت می کند. استحکام بالا، سختی، سهولت شکل دادن و ساخت اشکال پیچیده ، مقاومت بالا در برابر عوامل محیطی در کنار چگالی پایین، کامپوزیت ها را به مواد کاربردی بی بدیلی در صنایع مختلف تبدبل کرده است[1,2].

خصوصیات یک کامپوزیت حد واسط بین خصوصیات زمینه و تقویت کننده هست

hof9_1.png

خصوصیات کامپوزیت با چهار عامل زیر تعیین می شود

1-خصوصیات الیاف

2- خصوصیات رزین

3- نسبت الیاف به رزین در کامپوزیت

4-ژئومتری(هندسه) و جهت گیری الیاف در کامپوزیت

هر کامپوزیتی باید در برابر 4 عامل کشش، تراکم، خمیدگی و shearing مقاومت کند[1].

کشش(Tension): پاسخ کامپوزیت به کشش بیشتر وابسته به سختی کششی و مقاومت الیاف در برابر کشش هست.

rczn_2.png

تراکم(Compression): چسبندگی و سفتی رزین عامل کلیدی هست. نقش رزین نگه داشتن الیاف مثل ستون راست و مانع از خمشدگی آنهاست.

6z7d_3.png

Shear: باعث ایجاد لغزش در صفحات مجاور می شود. رزین نقش اصلی را دارد و باعث انتقال تنش در سراسر کامپوزیت می شود. برای مقابله با این تنش رزین باید چسبندگی خوبی با الیاف تقویت کننده داشته باشد. این تنش جهت بررسی کامپوزیت های چند لایه مورد بررسی قرار میگیرد.

o2wu_4.png

خمیدگی (flexure): ترکیبی از سه عامل بالا هست پس هم رزین و هم الیاف نقش کلیدی دارند.

tt0e_5.png

استحکام و مدول بالای فیبرهای کربن سبب شده تا از آن به عنوان تقویت کننده برای پلیمرها، فلزات، کربن ها، سرامیک ها استفاده شود. تقویت کننده کاربردی به پیوند قوی بین تقویت کننده و ماتریکس مخصوصا برای الیاف کوتاه نیاز دارد. برای کامپوزیت های یک جهته ( الیاف همگی در یک راستا) استحکام کششی طولی مستقل از پیوند بین فیبر و زمینه هست، اما استحکام کششی عرضی و قدرت خمشی(برای خم شدن در جهات طولی و عرضی) با افزایش پیوند بین فیبر و زمینه افزایش پیدا می کند. باید در نظر داشت که افزایش بیش از حد پیوند بین فیبر و زمینه باعث شکنندگی کامپوزیت می شود. مکانیسم پیوند بین فیبر و زمینه شامل پیوندهای شیمیایی( "احتمالا منظور پیوندهای کوولانسی هست"، مترجم)، پیوندهای واندروالس و در هم تنیدگی(interlocking) مکانیکی هست. پیونهای شیمیایی را می توان با اصلاح شیمیایی الیاف و یا با عملیات سایزینگ( پوشش دهی الیاف) افزایش داد[2].

استحکام کششی کامپوزیت الیاف کربن در مقایسه با سایر ترکیبات[1]:

cide_6.png

مدول کششی کامپوزیت الیاف کربن در مقایسه با سایر ترکیبات:

s4mj_7.png

کامپوزیت الیاف کربن در صنایع نظامی:

کاربردهای بسیار متنوعی برای کامپوزیت الیاف کربن می توان در نظر گرفت که بدلیل سبکی جایگاه بسیار ویژه ای در صنایع نظامی دارند. بتن مسلح، بال و بدنه هواپیماهای تجاری و نظامی ، کوادکوپترها، پره های توربین های بادی و ... که به چند مورد بصورت مختصر در ادامه پرداخته میشود.لازم هست به نکته ای اشاره شود، بر خلاف تصور عامه الیاف کربن به دلیل استحکام پایین در برابر ضربه( جدول پست قبل high Impact strength) به تنهایی نمی توانند در جلیقه های ضد گلوله مورد استفاده قرار بگیرند. برای ضربه گیری از الیاف آرامیدی به ویژه کولار( تنها و یا همراه ترکیبات مختلف)  استفاده می شود.

هلمت های آینده: در آزمایش موفقیت آمیزی  که در آمریکا انجام گرفته از فیبر کربن(AS4) با زمینه پلی فنیلن سولفید (PPS) به عنوان پوسته خارجی و از الیاف آرامیدی کولار49 به عنوان پوسته بالستیکی((ballistic shell استفاده شده و نتایج  رضایت بخشی بدست آمده است[3].

vty_download.png

رزم ناوها و کشتی ها: کشتی M80 Stiletto بزرگترین کشتی هست که تماما از مواد کامپوزیتی بسیار پیشرفته توسط نیروی دریایی ایالات متحده و با هدف انتقال نیروهای ویژه در سریعترین زمان ممکن توسعه یافته هست. بدنه اصلی بیشتر از الیاف کربن ساخته شده و باعث کاهش وزن کشتی به 45 تن شده است و قادر هست با سرعت 60 نات تا محدوده 900 کیلومتری به صورت فول لود (20تن) حرکت کند[4].

lkqr_stilletto2.jpgvrpx_stilletto1-1024x682.jpg

شفت با کاربردهای متنوع و لوله تفنگ:

1akd_carbon-fiber-drive-shaft-500x500.pngy1px_volquartsen_superlite_1.jpg

نتیجه گیری: بر حسب نیاز و تقاضای صنایع مختلف کامپوزیت ها با ویژگی های متنوعی سنتز شده اند که از این میان کامپوزیت الیاف کربن به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند نسبت به بقیه کامپوزیت ها در صنایع نظامی، آینده بسیار پرکاربردی خواهند داشت.

منابع:

1. Guide of composites

2.  Carbon fiber composites, Deborah D.L. Chung

3. https://www.compositesworld.com/articles/future-combat-helmet-promising-prototype

4. https://www.compositestoday.com/category/military

پی نوشت: مطالب ارایه شده ترجمه صرف نیستند.

ادامه دارد...

12

به اشتراک گذاشتن این پست


لینک به پست
اشتراک در سایت های دیگر

زره مایع(Armor Liquid)

مقدمه:

سیال ها تر کیباتی هستند که میتوانند جاری شوند و اگر بخواهیم تعریف دقیقتری از نظر علم مکانیک داشته باشیم ترکیباتی که در برابر تنش برشی تغییر شکل ممتد بدهند به عنوان سیال در نظر گرفته می شوند، مثل مایعات و گازها. تمام سیال‌ها ویژگی روان شدن (گرانروی) را دارند و بر خلاف جامدات در برابر تغییر شکل مقاومت نمی‌کنند (به اصطلاح رایج «شکل ظرفی را که در آن قرار دارند به خود می‌گیرند».) یکی دیگر از ویژگی های سیالات چسبندگی و یا لزجت می باشد.لزجت یک مقیاس عددی از مقاومت سیال در برابر جریان است وعامل پیوستگی ذرات سیال می باشد. هر چقدر سیالی لزج تر باشد، ویژگی های سیال گونه آن کمتر است (به طور مثال سخت تر روان می گردد نظیر عسل). سیال ها در یک نگاه کلی تر به سیالات ایده آل و غیر ایده آل تقسیم بندی می شوند. سیالات ایده آل به صورت واقعی وجود خارجی ندارند و برای ساده سازی محاسبات در نظر گرفته می شوند در سیالات نیوتونی تنش برشی میان لایه ها صفر در نظر گرفته می شود به این مفهوم که لایه ها می توانند بدون هیچ مقاومتی روی هم حرکت کنند و هیچ چسبندگی بین لایه ها وجود ندارد و از گرانروی ماده چشم پوشی می شود. سیالات غیر ایده آل خود به دو دسته سیالات نیوتونی و غیر نیوتونی تقسیم بندی می شوند. سیال نیوتنی، سیالی است مانند آب که رابطه تنش آن در مقابل کرنش به صورت خطی بوده و امتداد آن از مبدا مختصات عبور می کند، به این مفهوم که گرانروی سیال نیوتونی مستقل از نیروی وارده بر آن است. سیال غیر نیوتنی، سیالی است که گرانروی آن با نرخ کرنش وارد بر آن تغییر می‌کند. در نتیجه چنین سیالاتی فاقد گرانروی معین هستند. مانند: صابون‌های مایع و لوازم آرایشی، خمیردندان ، غذاهایی مانند کره، پنیر، مربا، کچاپ، مایونز، سوپ و ماست، مواد طبیعی مانند ماگما، گدازه، آدامس و عصارها مانند عصارهٔ وانیل، سیالات بیولوژیکی مانند خون، بزاق و مایع سینوویال (مایع مفصلی)، امولسیون مانند سس مایونز . سیالات غیر نیوتونی نیز خود به چند دسته : سیال دیلاتانت، سیال شبه پلاستیک و پلاسیک بینگهام تقسیم می شوند.

35j7_2190809.jpg

 

دیلاتانت که shear thickening fluid (STF) نیز شناخته می شود ماده ای هست که با افزایش تنش برشی(shear strain) گرانروی ماده افزایش پیدا می کند. این رفتار معمولا در مواد خالص مشاهده نمی شود بلکه می تواند در سوسپانسیون ها اتفاق بیفتد. این رفتار می تواند توسط فاکتورهای مختلفی از قبیل اندازه، شکل و توزیع ذرات معلق در سوسپانسیون کنترل شود.ترکیب  اوبلک(oobleck) که از ترکیب آب و نشاسته ذرت بدست می آید در این دسته بندی قرار می گیرد. شبه پلاستیک ها عکس رفتار دیلاتانت ها را نشان می دهند.

وقتی هیچ تنشی اعمال نشود نیروهای دافعه موجود بین ذرات به قدر کافی زیاد هست که باعث میشود در مایع شناور باشند اما وقتی تنش اعمال می شود نیروهای بین ذره ای از بین رفته و مولکول های مایع از محل تنش دور شده و ذرات بصورت توده در می آیند که هیدروکلاستر نامیده می شوند. هیدروکلاسترها باعث افزایش گرانروی در لحظه اعمال تنش میشوند(تبدیل به ماده جامد می شوند ). پس از رفع تنش دوباره نیروهای بین مولکولی باعت از هم پاشیدن هیدروکلاسترها می شوند و ماده به صورت مایع در می آید(برگشت پذیر). اما برخی دیلاتانت ها برگشت ناپدیرند. هر چقدر سرعت تنش بالاتر باشد ماده گرانرویش بیشتر شده و سخت تر می شود. سرعت سخت شدن در حدود 104 – 105 بر ثانیه هست. رفتار stf در حالت معمولی و هنگام تنش در شکل زیر ملاحظه می شود.

k4zq_shear-thickening-fluid.jpg

 

 

 

 

 

 

STFترکیبی از ذرات معلق شده در حلال است. ذرات استفاده شده می توانند ار مواد محتلف ساخته شده باشند از قبیل SiO2 یا اکسیدهای دیگر، کلسیم کربنات یا پلیمرها از قبیل پلی استایرن، پلی متیل متا آکریلات و یا پلی مرهای دیگر. ذرات با اشکال کروی، بیضوی و دیسکی شکل و با اندازه کمتر از 100 میکرون می تواند استفاده شود. حلال ها نیز می تواند حلال آبی با یا بدون افزودن نمک هایی از قبیل سدیم کلرید و یا حلال های آلی از قبیل اتیلن گلیکول ، گلیسرین و یا حلال های پایه سیلکونی از قبیل روغن سیلکون و یا ترکیبی از حلال های مختلف باشد.

درجلیقه های ضد گلوله معمولا از الیاف کولار( یک نوع الیاف آرامیدی) به تنهایی و یا در کنار یک صفحه سرامیکی استفاده می شود الیاف کولار به دلیل حضور پیوندهای هیدروژنی در زنجیره ساختاریشون دارای خصوصیت ضربه گیری ومقاومت کششی بسیار بالایی هستند. امروزه خاصیت ضربه گیری این الیاف را می توان با دیلاتانت ها تقویت کرد.

3hoy_download.jpgالیاف کولار

طی تحقیقی ک توسط جناب لی و همکارانش در سال 2003 انجام شد از ذرات سیلکا معلق شده در اتیلن گلیکون با قطرذرات در حدود446 میکرومتر با کسر حجمی 0.57 استفاده شد. تحقیقات نشان داد که سرعت تبدیل شدن(مایع به جامد) در حدود 104-105 بر ثانیه هست و همچنین این تبدیل شدن برگشت پذیر هست و پس از رفع تنش بلافاصله به حالت مایع برمیگردد. همچنین از الیاف کولار با چگالی سطحی(areal density) 180g/m2 جهت کامپوزیت سازی استفاده شد. جهت ساخت کامپوزیت، STF در الیاف کولار تا حد اشباع آغشته شد و جهت سهولت کار  اتانول به اتیلن گلیکول اولیه اضافه شد تا STF راحتتر با کولار آغشته بشود. بعد از کامپوزیت سازی نمونه در آون در دمای 80 درجه به مدت 20 دقیقه گذاشته شد تا اتانول از ساختار حذف شود. شماتیکی از نمونه آماده شده در شکل مشاهده می شود دو تکه آلومینیوم 5.08*5.08 جهت کپسوله کردن نمونه (هدف) استفاده شد. الیاف کولار با ابعاد 4.76*4.76 بریده شد و با  مقدارهای مختلف STF (2و4و8 میلی لیتر)برای هر لایه با آن آغشته می شود و جهت ممانعت از ریخته شدن داخل کیسه(پلی اتیلن) مهرموم میشوند.

wmgy_hh.png

تست های بالستیک:

تستهای بالستیک توسط  smooth helium gas gun و در دمای اتاق (25 درجه) و با استاندارد ناتو انجام گرفته است(شکل زیر). سرعت ضربه ( impact velocity) هم در حدود 244متر بر ثانیه محاسبه شده است.

s8i8_jj.png

zr96_%D8%B1%D8%B1%D8%B1.png

نمونه ای از نمونه های تهیه شده

همانطور که در جدول یک ملاحظه می شود 4 لایه کولار آغشته با دو میلی لیتر STF (نمونهA)عمق نفوذ کمتری نسبت به 10 لایه کولار خالی یا وزن تقزیبا برابر دارد.

5dci_table1.png

همچنین با توجه به جدول دو نمونه A نسبت به نمونه D که شامل 4لایه کولار آغشته به 4میلی لیتر اتیلن گلیکول هست با وزن کمتر عمق نفوذ کمتری دارد.

f2yw_table2.png

 جدول شماره 3 به ما نشان میدهد در کنار حجم STF و تعداد لایه کولار به کار برده شده نوع قرارگیری لایه ها هم نقش مهمی دارد به طوری که با شرایط یکسان و فقط تفاوت در نحوه قرارگیری،نمونهE  از نمونهF عمق نفوذ کمتر و در نتیجه جذب انرژی بالاتری برخوردار است.

27ro_table3.png

جدول شماره چهار نشان میدهد با افزایش حجم STF به کار برده شده در 4 لایه کولار عمق نفوذ به شدت کمتر می شود.

d5zv_table4.png

در ادامه کار جهت بررسی سلیکا خشک در مقاومت نمونه ها به برخی از نمونه ها مقدار متفاوتی از سیلکا خشک اضافه شده که نتایج نشان میدهد اثر محسوسی نداشته و STF سیال گونه اثر بهتری از STF تقویت شده با سلیکا خشک دارد . نتایج در جدول شماره 5 ارایه شده اند.

pl73_table5.png

sn5_table5c.png

در جدول شماره 6 نحوه چیدمان لایه های کولاربا حجم های مختلفی از STF مقایسه شده است. در نهایت آغشته سازی 4 لایه کولار با STF های مختلف مورد بحث و بررسی قرارگرفته هست و همانطور که در جدول شماره 7 مشخص هست ذرات کربنات کلسیم معلق شده در حلال اتیلن گلیکول بهترین کارایی را نشان داده اند.

wmmm_table6.png

92ox_table7.png

نتیجه گیری:

در ادوات نظامی مخصوصا تجهیزات انفرادی سبک بودن و بادوام بودن  لوازم  شرط اساسی بقاپذیری در صحنه رزم امروزی محسوب می شود. زره مایع در کنار الیاف کولار بدلیل سبک بودن، منعطف بودن و ضربه گیری موثر  مورد توجه قرار گرفته اند. حلال مورد استفاده ، اندازه ذرات، نوع ذرات، نسبت حجمی بین ذراتو حلال در STF و چیدمان قرار گیری الیاف و STF از عوامل کلیدی در کارایی زره مایع محسوب می شوند.

منابع:

http://yon.ir/aksaY

http://dilatantfluids.weebly.com/1-what-are-dilatant-fluids.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Dilatant

US 7,226,878 B2

US 3,649,426

پی نوشت:

http://yon.ir/8qJDI

تالیف و ترجمه صرفا برای میلیتاری می باشد.

ادامه دارد...

 

 

 

 

 

 

 

 

ویرایش شده در توسط ayaran
9

به اشتراک گذاشتن این پست


لینک به پست
اشتراک در سایت های دیگر

زره مایع 

بخش دوم

مقدمه: در پست قبلی به عوامل موثر در عملکرد یک زره مایع اشاره شد عواملی از قبیل نسبت حجمی بین ذرات و حلال ، شکل ذرات، اندازه ذرات، تسهیم متناسب اندازه ذرات و برهم کنش ذرات با همدیگر.

یافته ها نشان داده همه عوامل ذکر شده نقش باالقوه ای در رفتار دیلاتانت ها دارند. نسبت حجمی بین ذرات و حلال دارای بیشترین اثر گذاری هست که در حقیقت مقدار حجمی از حجم کل سیستم هست که توسط ذرات اشغال می شود. مایعی ویژگی های یک دیلاتانت را دارد که حداقل نسبت حجمی بین ذرات و حلال از یک مقدار مشخصی پایین تر نباشد. نسبت حجمی بین ذرات و حلال تقریبا باید 50 درصد حجم کل سیستم را شامل شود. نمودار یک ویسکوزیته را به عنوان تابعی از نرخ برشی( shear rate) برای سیلیکون کلوییدی ک در پلی اتیلن گلیکول پراکنده شده را نشان می دهد.

x7yo_t.pngi594_3.png

                             نمودار یک                                                                        نمودار دو

 

همانطور که مشاهده می شود برای نسبت حجمی بین ذرات و حلال برابر با 62درصد ویسکوزیته ب سرعت در نرخ برشی 10s-1 افزایش پیدا می کند حال اینکه برای کسر حجمی برابر با 57درصد نرخ برشی در 300s-1 ویسکوزیته سریعا افزایش پیدا می کند(ب حالت جامد تبدیل می شود).بنابراین افزایش کسر حجمی ذرات در دیلاتانت ها نرخ برشی بحرانی را کاهش می دهد.(زمان لازم برای پاسخگویی سریعتر اتفاق می افتد.م). نمودار دو اثر  شکل ذرات را نشان می دهد از میان اشکال مختلف ذرات با شکل میله ای اثر گذاری بالاتری دارند به طوری که ویسکوزیته در نرخ برشی 200s-1  سریعا افزایش می یابد حال آنکه برای ذرات کروی ویسکوزیته به صورت آرام در300s-1 افزایش می یابد.

اندازه ذرات نیز نقش بسزایی ایفا می کنند بطوری که با افزایش اندازه ذرات نرخ برشی بحرانی(critical shear rate) کاهش می یابد. نمودار سه اثر اندازه میانگین ذرات با کسر حجمی تقریبا پنجاه درصد را بروی نرخ برشی بحرانی نشان می دهد(ذرات درشت تر هیدروکلاستر ها را سریعتر ایجاد می کنند در نتیجه زمان پاسخگویی ب ضربه کوتاه تر است. م).

  k7ac_6.pngxoqn_4.png

                         نمودار سه                                                                                       نمودار چهار

 

جناب لی و همکارانش از ذرات سیلیکا با ابعاد 300،100و500با کسرحجمی جامد 65درصد در هر سه نمونه استفاده کردند آنها دریافتند که افزایش اندازه ذرات نرخ برشی بحرانی را کاهش می دهد. (نمودار چهار)

نمودار پنج اثر تسهیم متناسب اندازه ذرات در رفتار یک دیلاتانت را نشان می دهد. تسهیم نامتناسب اندازه ذرات باعث افزایش نرخ برش بحرانی می شود. نمودار ویسکوزیته خاک رس A با اندازه ذرات9 میکرومتر و رس B با اندازه ذرات هفت دهم را نشان می دهد که با نسبت های مختلفی مخلوط شده اند. در مخلوط دو خاک رس با اندازه ذرات متفاوت با نسبت 85:15 و نسبت 50:50افزایش ویسکوزیته مشاهده نمیشود

ii5c_8.png

                                 نمودار 5

منبع:

10.1080/10408436.2011.613493

12

به اشتراک گذاشتن این پست


لینک به پست
اشتراک در سایت های دیگر

لطفا وارد سیستم شوید برای ارسال نظر

شما قادر خواهید بود بعد از ورود به سیستم این نظر را ترک نمایید



ورود به سیستم