الياف فلزي (1)

فلز در حالت بالک (توده اي) يک ماده ي کاملاً معمولي است و به طور گسترده در مهندسي و ساير کاربردها مصرف مي شود. فلزات مي توانند آميزه اي از ويژگي هاي فيزيکي و مکانيکي را با قيمتي بسيار پايين فراهم آورند.
يکي از صفات مهم فلزات قابليت تغيير فرم پلاستيک آنهاست. اين قابليت اجازه مي دهد تا با استفاده از تغيير فرم پلاستيک آنها را ماشين کاري کرده و بتوان از آنها اشکال و فرم هاي ساده و پيچيده توليد نمود. از بدنه ي هواپيما گرفته تا لوله هاي بزرگ گاز و نفت و قوطي هاي نوشيدني و فويل هاي مورد استفاده در وسايل منزل از جنس فلز ساخته مي شوند. به هرحال مسئله اي که از اهميت الياف فلزي مي کاهد اين حقيقت است که فلزات در حالت الياف يا سيم از زمان هاي طولاني مورد استفاده قرار مي گرفته اند. مثال هايي از استفاده از فيلامنت هاي فلزي عبارتند از: فيلامنت هاي تنگستن مورد استفاده براي لامپ هاي رشته اي، سيم هاي آلومينيومي و مسي مورد استفاده در کاربردهاي الکتريکي، سيم هاي فولادي مورد استفاده جهت تقويت لاستيک اتومبيل، کابل، پل هاي معلق، ابررساناهاي رشته اي بر پايه ي نيوبيوم و رشته اي مختلف که براي ساخت ادوات موسيقي مانند ويالون، پيانو و... از آنها استفاده مي شود.
فلزات بسيار نرم مانند طلا و نقره را مي توان به رشته هاي بسيار نازک تبديل کرد. رشته هاي چنين فلزات گران بهايي از زمان هاي دور براي توليد لباس هاي سنتي مانند لباس زنان هندي ( ساري : saree ) و لباس زرباف ايراني مصرف و استفاده مي شده است.
بگذاريد ابتدا برخي ازخواص مهم فلزات مخصوصاً آن خواصي که مربوط به ريسندگي آنهاست را بيان کنيم. سپس فرآيند توليد، ساختار و خواص برخي از فيلامنت هاي فلزي مهم را توضيح مي دهيم:

ويژگي هاي عمومي فلزات
 

فلزات عموماً موارد کريستالي هستند. در سرعت هاي سردکردن بالا (بزرگتر از 10 به توان 6 کلوين بر ثانيه) مي توان فلزات آمورف توليد کرد. فلزات کريستالي معمولاً داراي سه ساختار کريستالي زير هستند:
1) مکعب مرکز وجوه پر (fcc)
2) مکعب مرکز پر (bcc)
3) هگزاگونال متراکم (hcp)
در شکل 1 اين سه ساختار را نشان داده شده است.

مثال هايي از فلزاتي که داراي ساختار fcc هستند عبارتند از آلومينيوم ، مس ، طلا ، نقره . همه ي اين فلزات ، فلزات بسيار نرمي هستند و مي توان آنها را در ضخامت کمتر از 100 ميکرون ريسندگي کرد. قابليت فلزات داراي ساختار fcc و bcc به تغيير فرم پلاستيک زياد به علت وجود تعداد زياد سيستم هاي لغزش در اين ساختارهاست. فلزاتي همچون تنگستن موليبدن و نيوبيوم داراي ساختار bcc هستند. فلزاتي مانند برليوم، منيزيم، روي و کادميم داراي ساختار hcp هستند. اين فلزات زياد نرم نيستند و به آساني نمي توان آنها را به صورت فيلامنت درآورد.
فلزات داراي پيوند فلزي هستند. در فلزات درياي الکترون وجود دارد. در واقع در فلزات دريايي از الکترون هاي آزاد به همراه هسته هاي مثبت وجود دارند که به خاطر همين پيوند غيرمتمرکز،خواص مغناطيسي، الکتريکي، مکانيکي و گرمايي استثنايي در فلزات پديد آمده است. فلزات مي توانند داراي گستره اي از مدول الاستيک و استحکام متفاوتند. مثلاً مدول يانگ مي تواند از 5,17 گيگاپاسکال براي قلع تا 420 گيگاپاسکال براي تنگستن تغيير کند. ارقام گزارش شده براي استحکام تسليم (yield stnength) و استحکام کششي نهايي (V.T.S) حتي براي يک فلز نيز متفاوت است. اين تفاوت در اعداد استحکام تسليم و استحکام کششي نهايي به علت انجام کار مکانيکي، افزودني هاي آلياژي و عمليات حرارتي انجام شده بر روي فلز پديد مي آيد. ارقام استحکام بالا در فيلامنت هاي تنگستن،فولاد کم کربن عمليات حرارتي شده و فولادهاي وستنيتي تحت تغيير فرم پلاستيکي قرار گرفته، ايجاد مي گردد.
عموماً، فلزات را مي توان در بسياري از جاها استفاده کرد. (هم در دماهاي بالا و هم دماي اتاق). اين مسئله به خاطر آن است که تعداد زيادي سيستم لغزش براي تغيير فرم پلاستيک در فلزات وجود دارد. اين مسئله منجر مي شود تا بتوان فلزات را با تکنيک هاي کشش به فيلامنت تبديل نمود. الياف فلزي عموماً از حالت مذابشان ريسندگي نمي شوند (اگر چه اين کار در برخي موارد قابل انجام است). هنگامي که فلزات تحت کار سرد قرار گيرند (زير دماي تبلور مجدد)، آنها دچار کار سختي مي شوند. پديده ي کار سختي (workhardening) همچنين کرنش سختي (strain hardening) ناميده مي شود. اين پديده باعث افزايش استحکام فلز و کاهش نرمي آن مي گردد. رشد استحکام به علت افزايش دانسيته ي نابجايي در فلز اتفاق مي افتد. (افزايش استحکام با ريشه ي دوم دانسيته ي نابجايي رابطه دارد) فرآيندهاي کار سرد که براي توليد سيم هاي و فيلامنت هاي استفاده مي شوند همواره موجب افزايش دانسيته ي نابجايي و در نتيجه افزايش استحکام مي گردند. اين مسئله بايد يادآوري گردد که اگر الياف فلزي تحت کار سختي قرار گرفته، در معرض دماهاي بالا قرار گيرند (مخصوصاً دماهاي بالاتر از دماي تبلور مجدد)، دانسيته ي نابجايي کاهش مي يابد و استحکام کاهش مي يابد.

توليد فيلامنت هاي فلزي
 

فلزات را مي توان بوسيله ي تکنيک هاي متنوعي به فرم آلياف درآورد. معمولي ترين اين روش ها روش کشش سيم (wire drawing) است. روش کشش سيم براي به دست آوردن فيلامنت هاي تا 100 ميکرون کاربرد دارد. براي به دست آوردن و توليد فيلامنت هاي فلزي کوچک تر از اين اندازه بايد از روش هاي خاص استفاده نمود. در زير برخي از اين روشها را توضيح مي دهيم.

روش کشش سيم
 

اکثر فلزات با ساختار fcc و bcc را مي توان به آساني تحت کشش قرار داد و به حالت سيم يا فيلامنت درآورد. اين فرآيند به کمک قابليت فلزات به تغيير فرم پلاستيک در مقياس بزرگ قابل انجام است.

در شکل 2 شماتيک فرآيند کشش سيم نشان داده شده است. مواد از داخل يک قالب مخروطي کشيده مي شوند تا قطرشان کاهش يابد. در هنگام اين فرآيند عمل روانسازي بايد پيوسته و براي کاهش نيروهاي اصطکاکي انجام مي شود. ورودي قالب به نحوه اي طراحي شده است که سيم وارد شده به قالب راحت تر خارج مي گردد. در اين فرآيند سطح مقطع هايي با اشکال مدور، شش گوشه، مکعبي و... قابل کشش مي باشند. بخش داخلي قالب که در تماس با فلز در حال کشيده شدن است از جنس مواد سختي مانند کاربيد تنگستن يا الماس است. تقريباً براي تمام فلزات ديرگداز از فرآيند کشش گرم استفاده مي شود. (در اين فرآيند دما تا بالاي دماي تبلور مجدد آنها بالا برده مي شود). اين مسأله باعث مي شود ميزان نرمي فلز نسبت به فرآيند کشش سرد بيشتر گردد. فلزات معمولي (غير ديرگداز) عموماً بوسيله ي کشش سرد به فيبر تبديل مي شوند. (در زير دماي تبلور مجدد شان) اين مسئله واضح است که عمل روانسازي در کليه ي فرآيندهاي کشش مهم مي باشد. گرافيت و موليبدن دي سولفيد هر دو موادي با ساختار ورقه اي هستند که براي روانسازي فرآيند کشش فلزات ديرگداز مانند تنگستن و موليبدن استفاده مي شوند. تنگستن و موليبدن در دماي بين 500-700 درجه ي سانتيگراد مورد کشش قرار مي گيرند. در اين فرآيند گرافيت خشک به عنوان روانساز استفاده مي شود. استفاده از گرافيت در دماي محيط به خاطر مشکلات جدايش عموميت ندارد. موليدن دي سولفيد به عنوان روانساز در دماهاي زير 400 درجه سانتيگراد کاربرد دارد. زيرا در دماي 400 درجه سانتيگراد است که اين ماده شروع به اکسيد شدن مي کند.

فرآيند تيلور
 

روش هاي کشش مرسوم براي توليد سيم هايي از جنس mo, ta,w,ti,cu,al فولاد و... کاملاً مناسبند. (البته تا قطر 100 ميکرون). قيمت هاي توليد براي توليد سيم ها يا فيلامنت هايي با اندازه ي زير 100 ميکرون به طور وحشتناکي بالا مي رود. دونالد (Donald) سيم هاي فلزي با قطر زير 100 ميکرون را به عنوان ميکرو سيم ها (microwire) توصيف کرد. سيم هاي فلزي با قطر 10 ميکرون و يا کمتر از آن را مي توان با فرآيند تيلور توليد کرد. اين فرآيند به نام کسي که اولين بار از آن براي توليد سيم هاي فلزي ريز استفاده کرده است، نامگذاري شده است. (taylor-1924). روش توليد سيم بوسيله ي اين فرآيند رد شکل 3 به طور شماتيک نشان داده شده است.

در اين روش يک سيم فلزي ضخيم به وسيله ي يک ماده ي خلا شونده پوشش داده مي شود. (مانند شيشه) سپس حرارت داده مي شود تا جايي که کاملاً نرم شود و هسته ي فلزي آن ذوب يا کاملاً نرم گردد. در اين حالت فرآيند کشش اعمال مي گردد تا سيم با ضخامت مورد نظر پديد آيد، سپس ماده ي پوشش داده شده بر روي سيم بوسيله ي فرآيند اچينگ (eteching) از بين مي رود. توليد سيم هاي فلزي نازک به خاطر گران بودن قيمت فرآيند کشش سيم تيلور، بسيار گران است. براي مثال در توليد سيم هاي فولادي با قطر زير 25 ميکرون قيمت توليد سيم براساس واحد طول سيم محاسبه مي شود. نه براساس واحد وزن آن. به عبارت ديگر قيمت ماده ي مورد مصرف در اين حالت بالا نيست بلکه مسأله اي که قيمت توليد را بالا مي برد، هزينه ي فرآيند است.
شرايط زير براي توليد سيم هاي فلزي نازک بوسيله ي روش تيلور بايد برآورده شود:
1) شيشه ي پوشش داده شده بر روي فلز نبايد در دماي کشش با فلز واکنش دهد.
2) دماي کارکرد، شيشه بايد بزرگتر از نقطه ذوب فلز و زيردمايي باشد که در آن فشار بخار فلز بسيار بالاست.
3) ويسکوزيته ي شيشه در گستره ي دماي کاربرد به گونه اي باشد که فلز به آساني کشيده شود.
4) ضريب انبساط حرارتي شيشه بايد برابر يا کمي کوچکتر از ضريب انبساط حرارتي فلز باشد. اگر چنين شرايطي برقرار نباشد، تنش هاي حرارتي به وجود آمده مي توانند در شيشه پديد آيند و شيشه بشکند. که اين امر موجب مي شود فيبر يکنواخت به دست نيايد.
5) شيشه بايد پيش از آنکه فلز جامد شود، بسيار ويسکوز گشته. اگر اين پديده رخ ندهد، هسته ي فلزي جامد مي گردد در حالي که پوشش شيشه اي به کشيده شدن ادامه مي دهد و در نتيجه، فلز مي شکند.
در عمل، محدوديت هاي اشاره شده در بالا باعث مي گردد که ما مجبور شويم از شيشه هاي با ضريب انبساط پايين مانند شيشه هاي بروسيليکاتي (پيرکس) يا فيوزد سيليکا استفاده کنيم.
منبع انگلیسی مقاله : Fibrous moterials/k.k.chawla
/ن