مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
مکانیزم های تخریب
پدیده ی اساسی تخریب در کامپوزیت های غیر جهت دار در واقع ایجاد میکروترک ها یا ترک ها در زمینه می باشد. این ترک ها به طور عمود بر جهت بارگذاری ایجاد می شود و بوسیله ی الیاف متوقف می شوند و در سطح مشترک میان فیبر و زمینه، منحرف می شود. در کامپوزیت های تقویت شده با پارچه های تولید از فیبرهای توده ای، تخریب زمینه بوسیله ی ریزساختار تحت تأثیر قرار می گیرد. ریزساختار CVI SiC/SiC دو بعدی هموژن است و به عنوان نتیجه ای از وجود الیاف در این ساختارها، تخلخل های بزرگی در بین بخش های تا خورده ی یا در فصل مشترک میان بخش های یا لایه های روی هم قرار گرفته، وجود دارد (شکل 1). تخلخل های ریزی همچنین در داخل طناب ها وجود دارد.
مراحل ترک خوردن:
مرحله ی 1: ترک ها در میکروتخلخل ها شروع می شود. این ترک ها در جایی ایجاد می شوند که تمرکز تنش وجود دارد (تغییر شکل بین 0.25 % تا 0.12 %).مرحله ی 2: ترک ها رشته های عرضی تشکیل می دهند و در زمینه با هم برهمکنش انجام می دهند (تغییر شکل بین 0.12 % تا 0.2 %).
مرحله ی 3: میکروترک های عرضی در طناب های طولی ایجاد می شود. این میکروترک ها در داخل طناب های طولی، محدود شده اند. این ترک ها در بقیه ی کامپوزیت، اشاعه پیدا نمی کنند. زمینه در طناب های طولی، فرایندهای تکه تکه شدن را تجربه می کنند و فضای ترک با افزایش بار، کاهش می یابد.
کاهش های حاصله در مدول یانگ، اهمیت تخریب رفتار مکانیکی را نشان می دهد (شکل 4 بخش قبل). اتلاف قابل توجه در مدول (70%) هم به دلیل ایجاد ترک در بخش خارجی الیاف طولی و هم به دلیل ترک های ایجاد شده در داخل طناب های طولی (10%) ایجاد می شود. اتلاف قابل توجه در مدول موجب بروز تغییرات قابل توجه در سهم بار می شود: این بار ضرورتاً بوسیله ی طناب های طولی موجود در زمینه، ایجاد می شود. در طی ایجاد ترک های میکرویی در طناب های طولی، سهم بار نیز تحت تأثیر قرار می گیرد و بار ضرورتاً بوسیله ی طناب ها تحمل می شود. مدول الاستیک به یک مینیمم می رسد که این مینیمم در معادله ی زیر بیان شده است:
که در اینجا،
کسر حجمی فیبر است. معادله ی بالا بر این دلالت دارد که مشارکت زمینه ناچیز است. در این بخش، تخریب ها در زمینه ایجاد می شود و اتصال ها سست می شود. در این حالت، تنها فیبر بار را تحمل می کند. رفتار مکانیکی بوسیله ی الیافی کنترل می شود که در جهت بار قرار گرفته اند.شکست نهایی
شکست نهایی عموماً بعدد از کامل شدن ترک های زمینه و رسیدن آن به حالت اشباع، ایجاد می شود. الیاف تحت بارگذاری می شکنند و تخریب و شکست نهایی ایجاد می شود.شکست نهایی یک طناب از الیاف موازی شامل دو مرحله است:
1) مرحله ی اول شامل شکست پایدار
2) مرحله ی دوم شامل شکست ناپایدار
در طی مرحله ی اول، الیاف به صورت منفرد و با افزایش بار، می شکنند. در غیاب برهمکنش بین فیبرها، بار تنها بوسیله ی الیاف حمل می شود. شکست نهایی طناب ها در مرحله ی دوم، در زمانی ایجاد می شود که الیاف نمی توانند در برابر افزایش بار، استقامت کنند و می شکنند. در این مرحله، یک تعداد بحرانی از الیاف وجود دارند که شکسته شده اند.
شکست نهایی در طناب های موجود در زمینه، همچنین دارای دو مکانیزم می باشند و یک بار کلی در زمان شکست فیبر، مؤثر می باشد. طناب هایی که در داخل زمینه واقع شده اند، می توانند شبیه دسته از الیاف عمل کنند و موجب پدید آمدن میدان های تنش خاص بوسیله ی حضور ترک های چندگانه در زمینه می شود. شکست نهایی یک طناب واقع شده در داخل زمینه، وقتی رخ می دهد که یک تعداد بحرانی از الیاف بشکنند. این مکانیزم همچنین در طناب های موجود در کامپوزیت های CVI SiC/SiC تولید شده از پارچه ایجاد می شود. شکست نهایی کامپوزیت ها بوسیله ی شکست یک تعداد بحرانی از طناب های موجود در کامپوزیت، ایجاد می شود.
این بد نیست که بدانید، مکانیزم شکست کامپوزیت های CVI SiC/SiC با مشاهدات انجام شده در مورد کامپوزیت های زمینه پلیمری، متفاوت است. در کامپوزیت های زمینه ی پلیمری، به اشتراک گذاشتن بار محلی در زمانی رخ می دهد که فیبر می شکند. در این کامپوزیت ها، الیاف اول می شکنند. بنابراینف زمینه ی بدوم ترک قادر به انتقال بارها می باشد.
قابلیت اطمینان
شکست نهایی کامپوزیت های CVI SiC/SiC به طور قابل توجهی تحت تأثیر شکست تصادفی است. از آنجایی که این الیاف ترد هستند، حساسیت بالایی به حضور ترک دارند که به صورت رندوم توزیع شده اند. به عنوان یک نتیجه، داده های مربوط به استحکام دارای پراکندگی قابل توجهی دارند (شکل 3). شکل 3 نشان می دهد که میزان استحکام و فاصله ی زمانی استحکام در زمانی کاهش می یابد که الیاف را به متوالی و منفرد در نظر گرفت. به عنوان نتیجه در مورد دو مکانیزم شکست اشاره شده در بالا، شکست نهایی هر بخش بوسیله ی پایین ترین توزیع استحکام اجزا و توزیع استحکام طناب های قرار داده شده در داخل زمینه، تعیین می شود. این معیارها مربوط به تعداد بحرانی الیاف منفرد شکسته شده و تعداد بحرانی طناب های شکسته شده، می باشد. شکاف میان طناب ها و طناب های قرار گرفته در داخل زمینه، از تعیین میزان استحکام، مشخص می شود: تعداد بحرانی الیاف منفرد شکسته شده، برای تعیین استحکام طناب ها در نظر گرفته می شود، در حالی که ناحیه ی سطح مقطع نمونه ها برای تعیین استحکام های مربوط به طناب های قرار گرفته در داخل کامپوزیت ها و کامپووزیت ها در نظر گرفته می شود.
خواص سطح مشترک- اثر رفتار مکانیکی
دمین های سطح مشترک فیبر- زمینه، یک بخش حیاتی از کامپوزیت می باشد زیرا انتقال بار از زمینه به فیبر و به طور عکس، از طریق این سطح مشترک انجام می شود. بیشتر نویسندگان مفهوم سطح مشترک های ضعیف در افزایش تافنس شکست را نشان می دهد. توزیع اصلی تافنس به دلیلپل زنی ترک ها و کشیده شدن الیاف، ایجاد می شود. سطح مشترک تضعیف شده برای استحکام کامپوزیت ها، تعیین کننده است. این مسئله به دلیل سطح مشترک قوی بین فیبر و زمینه ایجاد می شود. این مسئله به دلیل کاهش استحکام پیوند ترک ها یا اصطکاک لغزشی قابل توجه، ایجاد می شود. این الزام آخر برای کامپوزیت های قوی وجود دارد و بنابراین، با تافنس کامپوزیت ها سازگار نیست اگر، افزایش تافنس به دلیل مکانیزم های تضعیف سطح مشترک ایجاد شده باشند.
سطح مشترک فیبر/ زمینه یک اثر عمیق بر روی رفتار مکانیکی و عمر مفید کامپوزیت دارد. تلاش ها در جهت بهینه سازی خواص سطح مشترک، تمرکز یافته است. سطح مشترک فیبر/ زمینه در کامپوزیت های CVI SiC/SiC شامل یک لایه ی پوششی نازک از یک یا چند ماده است که بر روی فیبر رسوب داده شده اند. کامپوزیت های CVI SiC/SiC با سطح مشترک قوی، با استفاده از الیافی تولید می شود که به منظور افزایش پیوند فیبر/ پوشش عمل آوری شده است. سطح مشترک های قوی تر در کامپوزیت های CVI SiC/SiC از طریق ایجاد پوشش PyC و پوشش های چندلایه ای PyC/SiC ایجاد می شوند. با استفاده از پوشش های فاز میانی BN، نتایج ضعیف تری حاصل شده است. جدول 1 مقادیر مختلف مربوط به تنش های برشی سطح مشترک که با استفاده از روش های مختلف اندازه گیری شده است، آورده شده اسست. این را باید متذکر شویم که تنش های برشی سطح مشترک برای سطح مشترک های ضعیف بین 10-20 MPa و برای سطح مشترک عای قوی، برابر با 100-300 MPa می باشد.
زمینه تحت تنش های پایین قرار می گیرد و حجم زمینه ای که ممکن است ترک بخورد، بوسیله ی جداشدن پیوندها، ایجاد می شود. ترک خوردن زمینه مطلوب نمی باشد. فاصله ی ترک در حالت اشباع و کشش طول آن، طولانی تر است. نتایج افزایش تافنس ضرورتاً از اصطکاک لغزشی در طول بخش جدا شده، ایجاد می شود. به هرحال، به عنوان نتیجه ای از باربرداری از زمینه، الیاف بیشتر بار را تحمل می کنند که این مسئله موجب کاهش استحکام کامپوزیت می شود. نمودار تنش- کرنش مربوطه دارای دمین نازکی است که بوسیله ی یک تنش در حالت اشباع ماکزیمم، ظاهر می شود. این مسئله موجب متمایز شدن استحکام نهایی می شود (شکل 2 بخش قبل).
در حضور پیوند قوی تر بین فیبر/ پوشش، ترک های زمینه در داخل پوشش، منحرف می شود و به حالت ترک های چندگانه و با شعبه های متعدد، تبدیل می شود. جدا شدن پیوندها و انتقال بار بهبود یافته موجب می شود تا زمینه از طریق اثر سنجشی، ترک بخورند و این مسئله منجر به افزایش دانسیته ی ترک های زمینه می شود. اصطکاک لغزشی در داخل پوشش و ترک های چندگانه در زمینه، موجب افزایش جذب انرژی می شود. این مسئله منجر به افزایش تافنس می شود. جداشدن پیوند و انتقال بهبود یافته ی بار منجر به کاهش باری می شود که بوسیله ی فیبرها حمل می شود و این مسئله موجب افزایش استحکام می شود. نمودار تنش- کرنش کششی دارای دمین های خمیده ای است و تنش در زمینه دارای ترک های اشباع، نزدیک به تنش نهایی شکست است (شکل 2 بخش قبل) (شکل 6).
تافنس شکست
کامپوزیت های CVI SiC/SiC تحت بارگذاری، یک شبکه از ترک ها را ایجاد می کنند. دانسیته ی ترک های زمینه، بواسطه ی وجود سطح مشترک قوی، افزایش می یابد: فاصله ی بین ترک ها ممکن است به کوچکی 10 تا 20 میکرون باشد در حالی که این فاصله در حضور سطح مشترک ضعیف، حداقل 10 برابر بزرگتر است. ترک خوردن زمینه، یک مکانیزم جایگزین برای جذب انرژی است.یک نقطه ی فرایندی از ایجاد میکروترک های نفوذی در داخل زمینه، در نوک ترک ها یا در نوک ترک های میکروسکوپی اصلی که قبلاً در زمینه وجو داشته اند، ایجاد می شود. گسترش ترک های میکروسکوپی منجر به شکست های تصادفی دسته های فیبری می شود که در داخل نقطه ی فرایندی وجود دارد. تافنس شکست بنابراین با استفاده از اندازه گیری قابلیت کامپوزیت های دارای میکروترک در برابر شکست نهایی، اندازه گیری می شود. به دلیل حضور نقاط فرایندی کوچک و بزرگ از میکروترک ها، در نوک ترک میکرویی، تافنس نمی تواند با طول معادل ترک، در ارتباط باشد و مفاهیم مربوط به مکانیک شکست مناسب نیست و یا نمی تواند به سهولت تعیین گردد. اگر چه تأیید مفهوم شدت تنش برای اندازه گیری تافنس شکست سوال برانگیز است. این مسئله یک موضوع مورد علاقه در زمینه ی مقایسه ی کامپوزیت های CVI SiC/SiC در مقایسه با سایر مواد است. مقادیر تافنس شکست که در سطح
می باشد، با استفاده از نمونه های آزمون SENB اندازه گیری می شود. انرژی کرنشی موجب رها شدن مقادیر سرعتی در گستره ی 3 تا 
برای کامپوزیت های CVI SiC/SiC می باشد. این مقادیر به ترتیب نشاندهنده ی سطح مشترک ضعیف و قوی می باشد. مقادیر مربوطه برای انگرال J در گستره ی 
(برای سطح مشترک ضعیف) و 
(برای سطح مشترک قوی) می باشد. این مقادیر واقعاً بالاست. فاکتورهای تنش اشاره شده در بالا، حداقل تا دمای ℃ 1400 حفظ می شود.رفتار خستگی
در طی خستگی سیکلی در دمای اتاق، تخریب زمینه در طی اولین سیکل ظاهر می شود. مقاومت به خستگی در ارتباط با تخریب الیاف و پیوند فیبر/ زمینه می باشد. دو رفتار خستگی متفاوت مشاهده می شود: یکی بعد از 1000 سیکل، هم مدول الاستیک ثابت می ماند و هم نمونه از کار می افتد یا مدول کاهش می یابد تا زمانی که نمونه بشکند. کاهش در مدول انعکاس دهنده ی سایش در سطح مشترکی از فیبر- زمینه است که اتصال خود را از دست داده است. هیچ شکستی معمولاً بعد از 〖10〗^6 سیکل مشاهده نشده است مگر آنکه تنش ها کمتر از 100 MPa باشد و نمونه متحمل خستگی فشاری- فشاری قرار گیرد.در دماهای بالا، پدیده های اضافی دیگری در گسترش تخریب و کاهش اتصال بین فیبر و زمینه مشارکت می کنند. این پدیده ها، اکسیداسیون و خزش است.
شوک حرارتی
کامپوزیت های CVI SiC/SiC از لحاظ شوک حرارتی مورد بررسی قرار گرفته اند و نتایج استثنایی مشاهده شده است. کامپوزیت های CVI SiC/SiC عموما مقاومت خوبی را بعد از سیکل های گرمایی زیاد، از خود نشان می دهد.رفتار دما بالا
CMC های غیر اکسیدی که در دماهای متوسط (بین 500 تا ℃ 900) معمولاً مستعد تخریب بوسیله ی تردی اکسیژنی هستند. برخی از محققین این پدیده را به عنوان طاعون معرفی کرده اند. ترک های زمینه که بعد از بارگذاری ایجاد می شوند، راهی برای ورود اکسیژن به داخل ماده باز می کنند. فاز میانی پایروکربن مصرف می شود و الیاف SiC بوسیله ی اکسیژن تخریب می شوند.مقاومت به خستگی CVI SiC/SiC تحت تأثیر تخریب الیاف یا تخریب اتصال میان فیبر و زمینه هستند. تخریب القا شده بوسیله ی اکسیداسیون که در اتصال میان فیبر/ زمینه ایجاد می شود، موجب افزایش توسعه ی ترک هایی از زمینه می شود که در طی بارگذاری اولیه ایجاد شده اند. این مسئله در کاهش عمر خستگی نمونه اثر دارد. به منظور محافظت از فاز میانی PyC در برابر اکسیداسیون، پوشش های چندتایی و فازهای میانی چندلایه ای مورد بررسی قرار گرفته اند. یک چنین زمینه های چندلایه ای شامل فازهایی هستند که در دماهای بالا مواد آب بندی کننده ایجاد می کند. این فازها موجب بسته شدن ترک ها و جلوگیری راز ورود اکسیژن به داخل این ترک ها می شود. عمر مفید همچنین با استفاده از فازهای میانی مقاوم در برابر اکسیداسیون مانند BN یا چندلایه ای ها، افزایش می یابد.
رفتار خزشی
کامپوزیت های CVI SiC/SiC و CVI SiC/Si-B-C تنها دارای خزش اولیه ی خوبی هستند. این مسئله حتی در طی آزمون های طولانی) (شکل 7 و 8). خزش کامپوزیت های زمینه سرامیکی شامل انتقال تنش های محلی است که این مسئله به نرخ های خزش الیاف و زمینه وابسته است. یک چنین انتقال تنشی ممکن است منجر به شکست فیبر یا ترک خوردن زمینه شود و یا همچنین موجب می شود اتصال میان الیاف و زمینه سست گردد و پدیده ی لغزشی در سطح مشترک ایجاد می شود. وقتی زمینه، الاستیک است و مقاومت در برابر خزش وجود دارد، خزش الیاف انتقال تنشی در بین فیبر و زمینه ایجاد می کند که این پدیده ممکن است موجب ترک خوردن زمینه شود. این تخریب های القا شده بوسیله ی خزش، در کامپوزیت های CVI SiC/SiC مشاهده می شود. در کامپوزیت های CVI SiC/SiC، زمینه ی SiC نسبت به الیاف SiC، مقاومت بیشتری در برابر خزش دارد. رفتار خزشی مربوط به کامپوزیت های CVI SiC/SiC با زمینه ی چند لایهف بوسیله ی خزش الیاف SiC، ایجاد می شود، در حالی که تخریب های اولیه بوسیله ی بارگذاری، ایجاد می شود (شکل 7). زمینه ی Si-B-C دارای مقاومت به خزش کمتری است و نسبت به زمینه سفت تر است.
خلاصه و نکات منتج شده
فرایند CVI بسیار انعطاف پذیر است و می تواند گستره ی وسیعی از ترکیبات شیمیایی، اشکال و ابعاد را تولید کند. خواص کامپوزیت های CVI SiC/SiC با ریزساختار و خواص میکروسکوپیک آن وابسته است. این کامپوزیت ها، یک گروه جالب از مواد را ایجاد می کند که دارای خواص مناسبی است. خواص این کامپوزیت ها را می توان از طریق مهندسی زمینه، ریزساختار و اصلاح فاز میانی، بهبود داد. این ویژگی ها نتیجه ای از خواص مکانیکی و رفتار مکانیکی این مواد می باشد.کامپوزیت های CVI SiC/SiC شامل ترکیبی از مواد سرامیکی است. به هر حال، این مواد در برابر تخریب ها مقاوم هستند، تافنس بالایی دارند، قوی هستند و مواد مطمئنی برای استفاده در دماهای بالا هستند. آنها را می توان تحت شرایط کاری شامل اعمال بار، دماهای بالا و محیط های خورنده استفاده کرد. این مواد را می توان هم در کاربردهای هوافضا و هم کاربردهای غیر هوافضا مورد استفاده قرار داد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.
/ج
