0
ویژه نامه ها

کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)

تولید اجزای C/SiC با استفاده از پیش ماده های پلیمری، روش نفوذ پلیمر مذاب (LPI) یا نفوذ پلیمر و پیرولیز (PIP) نامیده می شود. این روش، یکی از مناسب ترین روش های تولید قطعات CMC بزرگ و پیچیده در صنعت هوافضا، می
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)

 

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون




 

نفوذ پلیمر مذاب

تولید اجزای C/SiC با استفاده از پیش ماده های پلیمری، روش نفوذ پلیمر مذاب (LPI) یا نفوذ پلیمر و پیرولیز (PIP) نامیده می شود. این روش، یکی از مناسب ترین روش های تولید قطعات CMC بزرگ و پیچیده در صنعت هوافضا، می باشد. مواد اولیه ی برای شکل دهی زمینه ی سیلیکون کاربیدی، عموماً پلیمرهای پلی کربوسیلان یا پلی سیلان ها هستند که در هنگام پیرولیز، از حالت پلیمری، به حالت آمورف تبدیل می شود. تفاوت زیاد میان دانسیته ی پیش ماده پلیمری و زمینه ی SiC منجر به کاهش حجم و ایجاد تخلخل های زیاد در زمینه می شود. به منظور کاهش میزان شریمکیج قطعه می توان از ذرات با اندازه ی زیر میکرونی از SiC یا فیلرهای رآکتیو استفاده کرد اما معمولاً یک تعداد از سیکل های نفوذ متوالی بعد از مرحله ی پیرولیز انجام می شود تا بدین صورت زمینه ی SiC با یک میزان مناسب دانسیته، ایجاد گردد. به طور نمونه وار، 5 تا 7 فرایند اشباع برای کاهش تخلخل ها به کمتر از 10 %، ضروری است.
شکل 1 یک نمای کلی از فرایند LPI را به ما نشان می دهد که برای تولید اجزای مجتمع C/SiC مورد استفاده قرار می گیرد. پیش از نفوذ دوغاب، الیاف کربن با استفاده از فرایند CVD پوشش دهی می شود تا بدین صورت میزان پیوند میان زمینه/ فیبر کاهش یابد. در مراحل بعدی، رویه ی فرآوری مشابه روش متداول در تولید پلاستیک های تقویت شده با الیاف کربنی (CFRP) می باشد. الیاف پوشش داده شده با استفاده از پیش ماده، پر می شوند. این کار به عنوان مثال با استفاده از دمش فیلمانی، اشباع پارچه ای و یا قالب گیری با انتقال رزین (RTM) انجام می شود. لایه های منتج شده سپس در اتوکلاو و در دمای بین 200 تا ℃ 300 عمل آوری می شود.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
در طی عملیات حرارتی در دمای بالا و در اتمسفر خنثی یا خلأ (پیرولیز)، پلیمر تجزیه می شود و زمینه ی سرامیکی حقیقی در داخل چندین مرحله، تشکیل می شود. سیکل دما- زمان انتخاب شده به طور قابل توجهی بر روی مرفولوژی زمینه ی حاصله، اثر می گذارد. در حالی که نرخ حرارت دهی بالا و دمای نهایی پایین، منجر به ایجاد تخلخل های زیادی می شود و زمینه ی حاصله نیز زمینه ای آمورف است. یک زمینه ی SiC کریستالی با توزیع یکنواخت تخلخل و تخلخل های ریز، می تواند با اعمال نرخ های حرارت دهی پایین و استفاده از دمای نهایی بالا (تا ℃ 1600) ایجاد گردد.
به طور خلاصه باید گفت: این روش استفاده از پلیمر در تولید کامپوزیت های C/SiC دارای مزیت کنترل مناسب بر روی زمینه می باشد. همچنین می توان تولید را در دماهای پایین انجام داد. همچنین امکان اتصال اجزای مختلف به همدیگر نیز با استفاده از این روش، ممکن است. محدودیت های این روش، عبارتست از نیاز به نفوذ ، متراکم شوندگی، پیرولیز چندگانه و ایجاد شرینکیج بالا در طی پیرولیز می باشد که منجر به ترک خوردن زمینه می شود.

نفوذ سیلیکون مایع

این روش بر اساس اشباع کامپوزیت های کربن/ کربن با استفاده از سیلیکون و واکنش مذاب فلزی با زمینه ی کربنی جامد و تبدیل آن به کاربید، انجام می شود. فرایند نفوذ مذاب می تواند تقریباً هر هندسه ای را ایجاد کند و منجر به تولید دانسیته ی بالا و تخلخل اندکی می گردد. یک ساختار فیبری که دارای یک شبکه از تخلخل و ترک است، بوسیله ی مذاب سیلیکون پر می شود که این پرشوندگی بیشتر بر اساس فشار کاپیلاری انجام می شود. استفاده از فشار یا استفاده از خلأ می تواند فرایند نفوذ را تسریع کند. دماهای مورد استفاده، حداقل در دمایی بالاتر از دمای ذوب سیلیکون ( ℃1415) می باشد و می تواند منجر به پدید آمدن واکنش های مضر میان الیاف و سیلیکون می شود. ویسکوزیته ی مذاب، واکنش شیمیایی، تر شوندگی تقویت کننده ها و رفتار نامناسب سیلیکون در طی استحاله ی فازی، پارامترهای فرایندی مهم می باشد که باید در نظر گرفته شوند. عدم تطابق در انبساط حرارتی میان الیاف و زمینه و دوره ی زمانی بالای مورد نیاز برای فرآوری، مشکلاتی است که باید در طی تولید، به آن توجه شود.
تلاش های اولیه برای نفوذ سیلیکون در کامپوزیت های کربن/ کربن، برای بیش از 20 سال است که انجام شده است. بعد از این بررسی های اساسی، الیاف کربن پیش از نفوذ سیلیکون، پوشش دهی می شود تا بدین صورت، میزان تخریب الیاف، کاهش یابد. همچنین الیاف کربنی گرافیتی شده مشابه با الیاف با مدول بالا (HM) به عنوان تقویت کننده در این روش استفاده می شود. هر دو الزام موجب کاهش هزینه های مربوط به فرایند تولید CMC ها می شود. در سال های گذشته، فرایندهای جدید و کامپوزیت های C/C جدید با ریزساختارهای اصلاح شده، موجب می شود تا بتوان از الیاف کربنی HT بدون پوشش و بریده بریده شده، استفاده کرد.
شکل 2 یک نما از فرایند LSI را نشان می دهد که می تواند به سه مرحله ی مجزا تقسیم شود. تولید ساختارهای فیبری با تولید کامپوزیت های پلاستیکی تقویت شده با کربن (با زمینه ی پلیمری با کربن بالا)، شروع می شود. به طور نرمال و از لحاظ تجاری، رزین هایی مانند رزین های فنولیک یا سایر پلیمرهای آروماتیک دیگر برای تولید لایه ها استفاده می شود. این لایه ها با استفاده از تکنیک CFRP متداول مانند روش های قالب گیری رزینی، اتوکلاو، پرس گرم یا پیچش فیلمانی تولید می شوند. بعد از عمل آوری، کامپوزیت ها تحت عملیات های بعد از عمل آوری قرار داده می شود تا بدین صورت پلیمریزاسیون پلیمر کامل می شود. در نتیجه، کامپوزیت های CFRP تحت اتمسفر خنثی و در دمای ℃ 900 پلیمریزاسیون می شوند و در نتیجه، زمینه ی پلیمری به کربن آمورف تبدیل می شود. پیرولیز مربوط به کامپوزیت های CFRP منجر به یک انقباض حجمی در حدود 50 % می شود. به دلیل اینکه انقباض پلیمری بوسلیه ی الیاف قرار گرفته در داخل زمینه، ممانعت می شود، میزان شرینکیج این کامپوزیت ها ضرورتاً پایین تر است. در جهت میزان شرینکیج در جهت فیبر تقریباً صفر است و این منجر می شود تا انقباض زمینه منجر به ایجاد شبکه ای از ترک ها در داخل کامپوزیت های C/C می شود.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
استحکام پیوند/ فیبر (FMB) در کامپوزیت های پلیمری، نقش مهمی در طی پیرولیز، ایفا می کند و می تواند بوسیله ی پوشش های فیبری، عملیات های گرمایی یا بوسیله ی تغییر نوع فیبر، اصلاح گردد. عموماً استحکام بالاتر FMB موجب می شود تا تمایل بیشتری برای تشکیل بخش های پر دانسیته از فیبر، ایجاد گردد. این بخش ها از طریق سیستم ترک، به هم متصل هستند. این میکروترک ها بیان کننده ی تخلخل های باز در کامپوزیت C/C می باشد.
در طی مرحله ی سوم و نهایی فرایند، اثر کاپیلاری مربوط به تخلخل های باز و ویسکوزیته ی پایین سیلیکون، ما را قادر می سازند تا به سرعت میکروترک ها را پر کنیم. واکنش حرارت زای همزمان میان زمینه ی کربنی و سیلیکون مایع موجب می شود تا سیلیکون کاربید الیاف کربنی را در بر گیرد. کامپوزیت های منتج شده از سه فاز تشکیل شده اند: فیبر کربنی، زمینه ی کربنی باقیمانده، سیلیکون کاربید و یک مقدار معین سیلیکون واکنش نداده.از آنجایی که ظرفیت تحمل بار از نوحی C/C کپسوله شده، نشئت می گیرد، این کامپوزیت ها، همچنین گامپوزیت های C/C-SiC نامیده می شوند.
به سادگی بخش های ساختاری یک جسم پیچیده می تواند به صورت درجا به هم متصل شوند. این فرایند با استفاده از خمیر کربن و با افزودن نمدهای یا پارچه های کربنی، انجام می شود. اجزای متخلخل آماده سازی می شوند و به هم متصل می شوند و مذاب سیلیکون موجب ایجاد جریان بین سطوح و ایجاد واکنش با ماده ی کربنی می شود. در نهایت، SiC تشکیل می شود و سطوح به همدیگر متصل می شوند. این روش اتصال درجا، نیاز به استفاده از روش های ماشین کاری پیچیده را برطرف می کند و همچنین در این مکان ها نیاز به استفاده از چسب های سرامیکی و پیچ و مهره، از بین می رود.
علاوه بر این، فرایند LSI اجازه ی انجام پوشش دهی SiSiC را در سطح اجزا می دهد. افزایش لایه های کربنی متخلخل و استفاده از گرانول سیلیکونی بر روی سطوح C/C مورد حمایت قرار می گیرد. پوشش های مقاوم در برابر سایش می تواند به صورت همزمان با تشکیل SiC، در داخل اجزای C/C تشکیل شود. این کار اقتصادی و آسان است.

روش های فرآوری ترکیبی

فرایندهای هیبریدی که درگیر ترکیبی از دو یا چند روش استاندارد می باشد، نیز مورد استفاده قرار گرفته اند. یک چنین فرایند تولید ترکیبی در واقع محدودیت های مربوط به فرایندهای منفرد را برطرف می کند و موجب بهبود کارایی CMC ها و کاهش هزینه های تولید این اجزا می شود. برای مثال، یک روش اشباع CVI/LPI ترکیبی، برای تولید صنعتی قطعات کوره و بوته مورد استفاده قرار می گیرد. یک فرایند پیش متراکم کننده، از طریق CVI منجر به تشکیل فاز میانی میان الیاف و زمینه ی SiC می شود در حالی که نفوذ پیش ماده بعد از این فرایند، موجب تشکیل زمینه می شود. در مقایسه با فرایند LPI خالص، این فرایند هیبریدی، موجب کاهش تعداد مراحل اشباع کنندگی می شود و موجب بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت ها می شود. اگر مراحل آخر مربوط به اشباع LPI با نفوذ سیلیکون مایع، جایگزین شود، زمان فرایند می تواند کاهش یابد و زمینه ی با تخلخل پایین، حاصل می شود.
یک روش دیگر، ترکیب مرحله ی اول CVI با مرحله ی افزایش دانسیته ی زمینه از طریق نفوذ سیلیکون مذاب (LSI) می باشد. با رسوب دهی شیمیایی از فاز بخار، الیاف کربنی با استفاده از پیروکربن یا کربن نیترید پوشش دهی می شود تا بدین صورت از واکنش دهی با سیلیکون مذاب جلوگیری شود. این کار موجب بهبود تافنس شکست کامپوزیت می شود. نفوذ متعاقب با سیلیکون، موجب می شود تا زمینه، متراکم شود. این کار منجر به ایجاد سیلیکون آزاد در زمینه می شود. ترکیب فرایند LPI و LSI موجب حصول اهداف مشابه می شود. در واقع، الیاف کربنی پوشش داده شده با مواد پلیمری، موجب کاهش واکنش میان الیاف و سیلیکون نفوذ داده شده، می شود.
علارغم ریزساختار غیر هموژن و فرایندهای پیچیده، فرایندهای هیبریدی، یک روش مطمئن برای تولید می باشد و هزینه های تولید را کاهش می دهد. به هرحال، تحقیقات و توسعه باید بر روی این مواد انجام شود تا بدین صورت مزیت های مربوط به مباحث بالقوه ی فرایندهای ترکیبی، مشخص شود.

خواص

ملاحظات عمومی

مواد کامپوزیتی سرامیکی، از تمام مواد کامپوزیتی دیگر متفاوت هستند. علت این مسئله، وجود زمینه ی با تخلخل میکرویی و ترک های میکرویی می باشد. در مقایسه با فلزات، رفتار شکست مربوط به مواد CMC، هنوز نسبتاً ترد می باشد. به هر حال، کرنش شکست آنها تا حد قابل توجهی از سرامیک های مونولیتیک، بیشتر است و رفتار تنش-کرنش غیر خطی آنها، این مواد مهندسی را به عنوان موادی با رفتار شکست شبه ترد، معرفی کرده است. حتی اگر یک مقایسه با چدن خاکستری مجاز نباشد، تحمل آسیب الیاف سرامیکی می تواند با تحمل آسیب در چدن خاکستری، مقایسه گردد. این مواد هنوز هم از نقطه نظر طراحانی که بیشتر با فلزات آشنا هستند، ترد هستند. در حالی که متخصصین سرامیک، CMC ها را به عنوان یک گروه جدید از مواد معرفی کرده اند که موجب باز شدن زمینه های جدیدی از کاربردها می شود. علت این مسئله، تافنس شکست بالای آنها می باشد. دانسیته های پایین مربوط به این مواد منجر به پدید امدن خواص جرم ویژه می شود که در این خواص مخصوصاً در دماهای بالاتر از℃ 1000 در سایر مواد، مشاهده نمی شود. عموماً خواص سرامیک های فیبری، به ترکیب ریزساختاری آنها وابسته است. البته علاوه بر ریزساختار، این خواص به فرایند تولید نیز وابسته است.
خواص نمونه وار مربوط به کامپوزیت های C/SiC و C/C-SiC دو بعدی تقویت شده که با استفاده از روش CVI- ایزوترمال و یا فرایندهای CVI- گرادیانی ، LPI- و LSI تولید شده اند، به طور نمونه وار در جدول 1 آورده شده است. تغییر در این خواص، به نوع فیبر و کسر حجمی فیبری وابسته است. همچنین طراحی اجزا نیز یکی دیگر از مسائل مهم در مورد تولید می باشد.
مقادیر معینی از تقویت کننده های دو بعدی با جهت گیری 0°/90° در فیبر، حاصل می شود. کامپوزیت های C/SiC که از فرایند CVI تولید می شوند، دارای دانسیته ی بالاتری نسبت به کامپوزیت های مشتق شده از روش فاز مایع، هستند که علت این مسئله کریستالی بودن زمینه ی آنها می باشد. استفاده از پیش ماده در روش LPI موجب می شود تا یک زمینه ی SiC میکرومتخلخل آمورف ایجاد شود. این در حالی است که آنهایی که از پلیمری سیلیکون دار تولید شده اند، می توانند به صورت اختیاری با فازهای کریستالی از یک پودر SiC اولیه، ترکیب شوند. زمینه ی مروبطبه کامپوزیت های C/C-SiC که از روش LSI تولید شده اند، پیچیده تر هستند: کریستال های سیلیکون کاربید از لحاظ اندازه، میزان سیلیکون واکنش نداده و کربن آمورف، متفاوت هستند. شکل 3 تعدادی از تصاویر SEM گرفته شده از کامپوزیت های یCVI، LPI و LSI را نشان می دهد.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
تمام کامپوزیت های بیان شده در جدول 1 از ساختارهای فیبری مشتق شده اند که در آنها فیبرها با کربن پوشش داده شده اند به جز برای کامپوزیت های LSI-C/C-SiC. به عنوان نتیجه، این کامپوزیت ها از خود مقادیر کرنش شکست قابل مقایسه ای نشان می دهند و میزان استحکام آنها پایین تر است. تخلخل های باز ایجاد شده در کامپوزیت های C/C-SiC تولید شده با روش CVI و LPI بین 10 تا 20 % است، در حالی که در کامپوزیت های C/C-SiC تولید شده با روش نفوذ مذاب، این میزان 2 تا 5 % است.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
کامپوزیت های C/SiC رفتار شکست شبه ترد از خود نشان می دهند و این مسئله به دلیل مکانیزم هایی مانند انحراف ترک و خروج فیبر، حاصل شده اند. شکل 4 به صورت تجربی این اثرات را در کامپوزیت های C/C-SiC نشان داده است. رفتار خطی- الاستیک مربوط به C/SiC، نسبت به کامپوزیت های SiC/SiC کمتر است زیرا میکروترک های ذاتی در زمینه ی این کامپوزیت ها، وجود دارد که در طی فرایند سرد کردن، رخ می دهد.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
یکی از ویژگی های متداول مربوط به تمام کامپوزیت های C/SiC، آنیزوتروپی متمایز آنها هم در خواص مکانیکی و هم خواص ترموفیزیکی است. در صورتی که جهت بار اعمال شده و قرارگیری الیاف، متجانس نباشد، مقادیر مربوط به استحکام کششی و کرنش شکست، به میزات قابل توجهی کاهش می یابد. همانگونه که الیاف کربنی در جهات طولی و شعاعی، یک رفتار فیزیکی متفاوت دارند، خواص این کامپوزیت ها، مشابه رسانایی گرمایی و ضریب انبساط حرارتی، به طور قابل توجهی در داخل صفحه و در جهت عکس، متفاوت می باشد.
طراحی کامپوزیت های C/SiC تولید شده با استفاده از روش فاز مایع LPI و LSI، در اصل با استفاده از اصول یکسانی انجام می شود که در تولید کامپوزیت های CFRP مورد استفاده قرار می گیرد. به هر حال، به دلیل دماهای فرایندی بالا و شرینکیج غیر قابل بازگشت زمینه، اثر آنیزوتروپی فیبر بر روی پایداری ابعادی میکروسکوپی، باید در نظر گرفته شوند. شرینکیج زمینه به دلیل وجود الیاف، ممانعت می شود و بسته به نیروهای پیوند میان فیبر/ زمینه، تغییرات ابعادی در جهت الیاف، جلوگیری می شود. در عوض، در جهت عرض الیاف، شرینکیج کامپوزیت بدون مانع، انجام می شود. به عنوان نتیجه، صفحات دو بعدی از خود اثرات فنری نشان می دهند که این مسئله در طی پیرولیز یا شرینکیج زمینه ی کامپوزیت های C/SiC اتفاق می افتد. با استفاده از ساختارهای با ایزوتروپی بیشتر از الیاف کوتاه یا تقویت کننده های سه بعدی، این اثرات آنیزوتروپی بر روی ثبات ابعادی اجزای C/SiC مینیمم می شود.
برخلاف بیشتر مواد ساختاری دیگر، کامپوزیت های C/SiC و C/C-SiC سطح استحکام خود را در دماهای بالا، حفظ می کنند (مشابه با مواد کربن/ کربنی). علاوه بر این، استحکام دمایی بالای این مواد از استحکام آنها در دمای اتاق، بیشتر است یعنی هر چه دما بالاتر باشد، استحکام آنها نیز بیشتر است (شکل 5).
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)

خواص مکانیکی و گرمایی

چندین تولیدکننده ی مستقل، مواد C/SiC را با روش های تولید مختلف، تولید می کنند. در ادامه، برخی از خواص جالب توجه مربوط به کامپوزیت های تولید شده با روش های CVI، LPI و LSI را به طور خلاصه در جداول 2 تا 8 مورد بررسی قرار می دهیم. با بررسی این جداول، اطلاعات ارزنده ای در مورد این مواد بدست می آورید.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
در بیشتر موارد، تنها مقادیر RT مربوط به خواص مکانیکی و گرمایی، گزارش شده اند. اگر این داده ها موجود باشند، همچنین خواص HT و ارتباط آنها با جهت گیری و قرارگیری الیاف در داخل ساختارهای فیبری، نیز باید موجود باشد. به هرحال، تنها اطلاعات اندکی در مورد انواع الیاف، ترکیب فازی زمینه، روش انجام آزمون بر روی آنها و اندازه گیری نمونه، وجود دارد. این اطلاعات بوسیله ی تولیدکنندگان منتشر می شوند. برای مقایسه ی مواد کامپوزیتی منفرد، این فقدان شفافیت، باید در نظر گرفته شود و اطلاعات اضافی باید از مقالات تخصصی و تولید کنندگان، جمع آوری گردد.
رفتار دینامیک مربوط به کامپوزیت های C/SiC عموماً در ایجاد خواض خستگی این مواد تحت بارهای سیکلی، بسیار مهم می باشد. الگوهای میکروترک ذاتی مربوط به زمینه، از انتشار ترک های زمینه، جلوگیری می کند و منجر به افزایش تعداد سیکل های بارگذاری می شود بدون آنکه موجب کاهش در سطح استحکام باقیمانده گردد. مقاومت در برابر خستگی سیکلی (LCF) مناسب به همراه حساسیت پایین در برابر شکاف، موجب می شود تا کامپوزیت های C/SiC به عنوان مواد سرامیکی ساختاری، مورد استفاده قرار گیرند.
خواص گرمایی مربوط به کامپوزیت های C/SiC و C/C-SiC که در جداول بدان ها اشاره شده است، داده های مربوط به شرایط معمولی می باشد و اثر اکسیداسیون بر روی فیبر، حذف شده است. برای استفاده های طولانی مدت از کامپوزیت ها در هوا، این کامپوزیت ها باید در با اعمال پوشش های خارجی مناسب، محافظت شوند. یک چنین سیستم های پوششی عمدتاً موادی ترد هستند که دارای ازدیاد طول شکست بسیار پایینی هستند. مشابه با خواص مکانیکی، خواص گرمایی نیز به معماری فیبر در ساختار فیبری وابسته است. این خواص آنیزوتروپی قابل توجهی از خود نشان می دهند.
شکل 6 رابطه ی میان دانسیته ی مواد و رسانایی گرمایی عرضی یک کامپوزیت C/C-SiC را نشان می دهد. عموماً مقادیر پایین تر مربوط به تقویت کننده های فیبری پیوسته (یعنی پارچه ها)، در حالی که تقویت کننده های فیبری کوتاه، دارای بالاترین دانسیته هستند. مشابه سایر مواد، رسانایی گرمایی مربوط به C/C-SiC، با افزایش دما، کاهش می یابد. شکل 7 نشاندهنده ی این رابطه برای انواع مختلف موادی است که بوسیله ی تغییر در ساختار فیبری و شرایط فرایندی، تولید شده است. متوسط کاهش در رسانایی عرضی در بین دماهای 300 تا ℃ 900، برابر با 30 % می باشد.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
در گستره ی دمایی بالاتر از ℃ 200، ضریب انبساط حرارتی (CTE) الیاف کربنی در جهت فیبر، عموماً منفی است و آنها پیشنهاد می دهند تا کامپوزیت هایی ایجاد گردد که در برابر رفتار انبساط ویژه، مقاوم باشند.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
ضریب انبساط حرارتی مربوط به C/C-SiC دو بعدی، عموماً در یک گستره ی دمایی بسیار بزرگ، کمتر است. با ایجاد اصلاحات خاص بر روی خواص C/C و SiC در کامپوزیت های C/C-SiC، رفتار انبساط منفی الیاف کربن قرار گرفته در داخل ماده، ممکن است میزان افزایش میزان ماده ی سرامیکی را خنثی کند و از این رو، یک رفتار انبساط خنثی در این ماده، ایجاد می شود.
شکل 8 نشاندهنده ی اثرات مربوط به میزان سرامیک بر روی CTE در کامپوزیت های C/C-SiC می باشد. ساختارهای کربن/ کربن خالص و SiC مونولیتیک به ترتیب محدودیت هایی را در زمینه ی ضرایب انبساط حرارتی بالا و پایین دارند.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)

خواص اصطکاکی

در میان تمام خواص عملکردی دیگر مربوط به کامپوزیت های C/SiC و C/C-SiC، خواص اصطکاکی مورد علاقه ترین خاصیت است زیرا در استفاده از این مواد در سیستم ترمز، این خاصیت بسیار مهم می باشد. این ضروری است که جریان های حرارتی بالا از سطح خارجی ترمز به مرکز کامپوزیت حرکت کند، تا بدین صورت، از تخریب حرارتی سطح ترمز، جلوگیری گردد. در واقع، رسانایی حرارتی عرضی این بخش ها باید به گونه ای تنظیم گردد که بالاتری ضریب اصطکاک (CoF) و پایین ترین میزان نرخ سایش، ایجاد گردد. کامپوزیت های C/C-SiC استاندارد، که دارای تقویت کننده های دو جهته هستند، از لحاظ ترکیب و ساختار، بهبود می یابند و این مسئله منجر به بهبود رسانایی حرارتی و پایداری CoF این مواد می شود (شکل 9). به طور خاص، با افزایش میزان سلیکون کاربید کامپوزیت، رسانایی گرمایی عرصی در مقایسه با مواد متداول مورد استفاده در صنعت هوافضا، دوبرابر می شود.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
به هرحال، میزان بالای SiC و میزان کم از کربن، همچنین بر روی خواص مکانیکی اثر می گذارد و موجب کاهش مقاومت در برابر تخریب دیسک های ترمز می شود. به دلی مقادیر بالای ماده ی سرامیکی، ضرورتاً در ناحیه ی خروجی سطح سایش، وجود دارد، دو روش برای بهبود بیشتر، دنبال می شوند:
1) استفاده از کامپوزیت های C/C-SiC گرادیانی با افزایش تدریجی در میزان SiC از مرکز به سطح
2) ایجاد کامپوزیت های هموژن با پوشش های غنی از SiC بر روی سطح آنها
هر دو روش، به طور موفقیت آمیز الزامات مربوط به داکتیلیته ی بالا، سختی بالا و مقاومت به سایش بالا را برطرف می کنند. ضریب انبساط حرارتی در سطح غنی از سرامیک، به طور قابل توجهی بیشتر CTE مربوط به زیرلایه ی C/C-SiC می باشد. بسته به عدم تطابق در CTE، یک سطح با میکروترک های کم و بیش، به عنوان نتیجه ای از تنش های کششی در داخل ناحیه ی خارجی (در طی سرد شدن بعد از فرایند) ایجاد می شود. تشکیل الگوهای میکروترک، به معماری الیاف ساختار فیبری، وابسته است. الگوهای ترک بیشتر با ساختار رندوم از ترک ها، می تواند برای کامپوزیت های C/C-SiC تقویت شده به صورت دو طرفه، مشاهده شود. این کامپوزیت ها دارای شرینکیج گرمایی تقریباً صفر در طی سرد کردن، هستند. تقویت کننده ی فیبری کوتاه، با CTE بالاتر خود، می توانند منجر به ایجاد سطوحی تقریباً خالی از ترک شود. عرض میکرو ترک ها، به ضخامت لایه ی SiC وابسته است. عموماً لایه ی ضخیم تر، موجب عریض تر شدن ترک های سطحی می شود. در طی ترمز کردن، وقتی پوشش گرم می شود، ترک ها به دلیل انبساط ناحیه ی خارجی نسبت به زیرلایه، جمع می شوند. تمام ترک ها به طور نرمال، در لایه های با ضخامت اندک در بالای سطح قرار دارند و هر چه به سمت مرکز کامپوزیت برویم، این ترک ها و شکست ها کمتر می شوند.
در سال های اخیر، بسیاری از تست های تریبولوژیک برای کاربردهای مختلف ترمزی، انجام شده است و بدین صورت این ترمزها برای تریبوسیستم ها، بهینه سازی شده اند. به طور خاص، برای ترمزهای دیسکی مورد استفاده در ماشین های با کارایی بالا، این امکان وجود دارد که عمر مفید این ترمزها را به اندازه ی عمر مفید ماشین، افزایش داد. بیشتر نتایج آزمون ها، منتشر نشده اند. حداقل، برخی مقادیر بدست آمده از این آزمون ها، که در شکل 10 و 11 نشان داده شده است، مربوط به خواص اصطکاکی کامپوزیت های C/C-SiC است و همچنین، پایداری فوق العاده ی این قطعات را نشان می دهد.
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)
کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با الیاف کربن (2)

خلاصه

در اصل، تقاضا برای مواد مورد استفاده در صنایع فضایی موجب شده است تا کامپوزیت های سیلیکون کاربید تقویت شده با کربن، به طور قابل توجهی توسعه یابند. ویژگی های جرم ویژه ی و مقاومت دما بالا، معیار انتخاب خوبی برای مواد مورد استفاده در موتورهای جت و سیستم های محافظت گرمایی مورد استفاده در فضا پیماها و راکت ها، می باشد. در سال های اخیر، خواص و روش های تولید به طور قابل توجهی بهبود یافته اندد و بدین نحو، هم اکنون، صنایع می توانند مزیت های این گروه از مواد را به اشتراک بگذارد. فرایند نفوذ سیلیکون مایع (LSI) به عنوان مناسب ترین روش برای تولید محصولات تجاری محسوب می شود، مخصوصاً اگر جنبه ی هزینه، مد نظر باشد.
کامپوزیت های SiC تقویت شده با الیاف کربن، به طور قابل توجهی از لحاظ ریزساختار و خواص به روش تولید آنها وابسته می باشند. به طور نمونه وار، زمینه ی آنها متخلخل است و دارای ترک های میکرویی است که موجب ایجاد ساختار غیر هموژن در داخل این کامپوزیت ها می شود. این ریزساختار می تواند به روش های مختلف، تقویت گردد، مثلاً پوشش دهی الیاف، آماده سازی سطحی الیاف یا تغییر در جهت قرارگیری الیاف. به طور خاص، کامپوزیت های C/C-SiC دارای خواص تریبولوژیکی فوق العاده ای در مقایسه با چدن خاکستری یا مواد کربن/ کربن، هستند. با ترکیب شدن خاصیت دانسیته ی پایین، مقاومت به شوک حرارتی و مقاومت خوب در برابر سایش با این خاصیت، این CMC ها کاندیداهای خوب برای استفاده در سیستم های ترمز و کلاژ هستند. بهبود های قابل توجه در مقاومت به سایش، با استفاده از پوشش های SiSiC ایجاد می گردد. دیسک های با سایش تقریباً صفر که برای لنت های ترمز، مورد استفاده قرار می گیرند، می توانند عمر این دیسک ها را به اندازه ی عمر ماشین بالا ببرند.
استفاده از مواد C/SiC و C/C-SiC در سایر کاربردها که نیاز به ایجاد سازه های سبک (مانند جداره ها و المان های ساختاری مورد استفاده در سیستم های نوری)، وسایل مبدل مورد استفاده در تبادل گرهای حرارتی، صفحات کالیبراسیون یا زره های سبک مورد استفاده استفاده در محافظت های بالستیک می باشد، نیز مرسوم است.
به دلیل شروع صنعتی سازی فرایند تولید این مواد، طراحان و همچنین استفاده کنندگان از فقدان داده های تجربی در مورد این مواد ساختاری جدید، رنج می برند. قوانین مربوط به طراحی برای این مواد، همانگونه که برای سایر مواد کامپوزیتی توسعه یافته است، تنها به میزان محدودی وجود دارد. به هر حال، این مسئله در آینده ی نزدیک، تغییرمی کند اگر بتوان از ظرفیت های موجود در این ماده، استفاده کرد.
تاکنون، اطلاعات تجربی اندکی در مورد تولید اجزای C/C-SiC به مقادیر انبوه، گزارش شده است، مقادیر تولید شده هنوز بسیار پایین است و هزینه های مربوط به ساخت این اجزا بالا می باشد. رشد ادوات تولید و افزوده شدن به تعداد تولیدکنندگان اقداماتی است که هم اکنون موجب کاهش هزینه های مربوط به تولید این کامپوزیت ها شده است.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.



 

 



نظرات کاربران
ارسال نظر
با تشکر، نظر شما پس از بررسی و تایید در سایت قرار خواهد گرفت.
متاسفانه در برقراری ارتباط خطایی رخ داده. لطفاً دوباره تلاش کنید.
موارد بیشتر برای شما