كاربرد كامپوزیت های لایه ای در صنایع هوا فضای سازمان فضایی آمریكا

تولید كامپوزیت هایی با ساختار لایه ای در صنعت هوافضا، به طراحی دقیق و استفاده ی مناسب از تمام ظرفیت های علم مهندسی نیاز دارد. زمانی كه مشخصه های ماده ی نهایی در شرف حصول می باشند، باید فاكتورهای دیگر نظیر طراحی و تولید و گسترش زیر مجموعه ها و چگونگی توصیف ماده ی نهایی را بالاجماع مد نظر قرار داد. به این دلیل كه مواد كامپوزیتی معمولاً در زمره ی نیازهای اسمبلی قطعات ساختاری قرار می گیرند، در فرآیند رسیدن به پیكربندی با خواص فیزیكی – مكانیكی بهینه (optimum)، لزوم افزایش شدت كنترل روی فرآیند ساخت این قطعات احساس می شود.

چسبیدن صحیح قطعات و اجزا به یكدیگر به منظور تثبیت فرآیندهای مربوط به طراحی از یك طرف و از طرف دیگر تولید و آزمایش كامپوزیت های ساختاری مورد استفاده در صنایع هوافضا، منجر به كاهش میزان سقوط و حفظ تمامیت مكانیكی قطعه می گردد. یك طراحی موفق كامپوزیتی، موجب انعطاف پذیری طرح، افزایش نسبت استحكام به وزن، پایداری ابعادی اعمال بار حرارتی، سبكی وزن، سهولت ساخت و نصب، پایداری بیشتر در برابر خوردگی، مقاومت در برابر پیچش و در نهایت استحكام شكست بالا و سادگی محصول می گردد. (به طوری كه با سازه های فلزی با ابعاد مشابه قابل قیاس است)

برنامه های تضمین كننده ی كاربری:

از جمله برنامه های تحقیقاتی NASA كه به صورت مرتبط با مباحث كامپوزیتی و پروژه های بهینه سازی محصول انجام می گردد، می توان به موارد زیر اشاره كرد:

□ برنامه ی تحقیقاتی روی تانك های كامپوزیتی تعبیه شده روی قسمت خارجی شاتل های فضایی

□ تحقیقات روی موتورهای دارای لیف پیچشی، تعبیه شده در راكت ها

□ تحقیقات روی سهولت كاربرد فیزیك نجومی اشعه ی X (AXAF)

□ تلسكوپ خورشیدی اشعه X (SXT)

□ مواد به كار رفته در قطعات ایستگاه فضایی

□ ثبت كننده ی اشعه X خورشیدی (SXI)

مراحل پیاده سازی طرحها:

تست طراحی:


مهم ترین مفهوم در فرآیند ساخت اجزای كامپوزیت های لایه ای، در نظر گرفتن جنبه های مختلف طراحی مانند تركیب درصد مواد، آرایش یافتگی لیف و روش های مرسوم ساخت می باشد. در شروع آنالیز طراحی، در نظر گرفتن اسمبلی ساختمان مواد، فرمولاسیون و پیكر بندی و ملاحظات زیست محیطی از موارد اساسی به شمار می روند. به علاوه در فرآیند ساخت قطعات دیگر، توسعه ی كامپوزیت ها به شبیه سازی مواردی مانند پیكربندی، محیط كاربری، شكل دهی، كیفیت، ایمنی، قابلیت اطمینان، عدم تخریب و مشخصه های ساختاری احتیاج دارد. خواص فیزیكی كامپوزیت ها با ساختار لایه ای، به اثرات تخریبی روی محیط زیست بستگی دارد. بنابراین در زمینه طراحی، باید فراتر از معیارهای ساختاری مرسوم و استاندارد كاركردهای محیطی (Prelaunch, launch, transportation) عمل كرد.



تركیب درصد ماتریس با binder، درصد لیف و روش های مشخص ساخت، تاثیر عمیقی روی مقبولیت یك سازه ی پیچیده بر جای می گذارند. به این دلیل كه خواص ساختمانی مواد شدیداً به فرآیند ساخت قطعات و شكل دهی بستگی دارد، باید به صورت همزمان به دو بحث طراحی قطعات و پیكربندی اشكال، توجه خاصی نشان داد. فرآیندهای اساسی در پروسه ی طراحی، ساخت و آزمایش قطعات فلزی در شكل 1 نشان داده شده است.




به طور همزمان، چرخه ی مربوط به كامپوزیت های لایه ای را نیز در شكل 2 مشاهده می كنید.

شكل 2 دو نكته ی مهم را نشان می دهد:

1- طراحی قطعات و اجزاء به صورت جز به جز

2- فرآیند تولید و ساخت كه شامل تولید هم زمان كامپوزیت و پیكربندی ساختمان است.

در مورد كامپوزیتهای فضایی، مواد باید با ضریب دقت بالایی تولید شوند. برای كامپوزیت های لایه ای معمولاً از ضریب ایمنی (safety factor) معادل 5‚1 استفاده می شود. معمولاً ضریب ایمنی 2 برای مواد به كار رفته در چفت ها و بست ها استفاده می شود. استحكام ساختمانی در طراحی نهایی به استحكام لیف، ماتریس یا رزین و آرایش یافتگی لیف (كه باید هم جهت با اعمال load باشد) بستگی دارد. استحكام قطعه بر پایه ی بر هم كنش لیف و ماتریس در یك فرآیند، به ضخامت لایه و درصد حجمی لیف بستگی دارد.انواع استحكام كششی لیف، بازه ای در حدود psi 200000 الی psi 800000 را در بر می گیرند و این در حالی است كه محدوده ی استحكامات كششی ماتریس (به تنهایی) از psi 2000 الی

Psi 5000 تغییر می كند. وقتی این دو عنصر (ماتریس و لیف) در قالب مجموعه ای مانند كامپوزیت گرافیت – اپوكسی لایه ای در كنار یكدیگر قرار می گیرند، استحكام كششی مجموعه به 98 درصد استحكام لیف تك جهته افزایش می یابد.

طراحی قطعه باید شامل ارزیابی قسمت های كوپن (coupon) مانند و تست نمونه های اولیه به منظور دستیابی به اطمینان لازم را از صحت پیكربندی قطعه و برهم كنش های مجاز در قطعه ی نهایی باشد.

اخیراً الگوریتم های ساختمانی با بهره گیری از متودهای آلمان محدود (finite element) در فرآیندهای طراحی استفاده می شوند، كه البته نتایج حاصل از این روش ها با نتایج حاصل از تست قطعات اولیه مطابقت كامل دارد. مواد كامپوزیتی گرافیت- اپوكسی در رفتار تنش – كرنش خود، كمتر از 2 درصد كشش را از خود نشان می دهند. علاوه بر این، عدم بروز رفتار معمول الاستیكی فلزات، در آن ها مشهود است.

در حالی كه فلزات معمولاً به دو خصوصیت در طراحی (مدول و نسبت پواسون) احتیاج دارند، طراحی كامپوزیت ها به حداقل 5 بعد جهتی از این خصوصیات نیاز دارد. گاهی به طراحی مشخصه های انبساط حرارتی نیز نیاز است به نحوی كه ممكن است در مواردی مانند طراحی optical benches به انبساط حرارتی صفر برسیم. رزینی كه در ساخت مواد كامپوزیتی به كار می رود تا 5 درصد وزنی آب را جذب می كند. این جذب آب روی پایداری ابعادی كامپوزیت ها تاثیرگذار است. از طرفی تابش فرابنفش و اكسیژن اتمی موجود در فضا، اثرات aging را افزایش می دهد و بدین ترتیب به افزایش زمان سرویس در كامپوزیت بدون پوشش، كمك می كند.

تكرارپذیری و استفاده از جمیع فرآیندها، یك قطعه ی كامپوزیتی موفق را تضمین می كند.

روش های تولید:

از دو روش می نوان استفاده كرد : 1- می توان ماتریس ها و الیاف در كامپوزیت های لایه ای را به صورت مداوم و پی در پی در قالب قرار داد و یا این كه 2- لیف را می توان از قبل با ماتریس آغشته كرد. در كامپوزیت های لایه ای مورد استفاده در صنایع هوا فضا، از متود دوم استفاده می شود. دستیابی به روش های بهتر در فرآیند سیالیت، یك نكته حیاتی در تولید كامپوزیت های مدرن می باشد.

از جمله فاكتورهای بحرانی و تاثیرگذار در lay up دستی یا اتوماسیونی، می توان به آرایش یافتگی لیف و ترتیب قرار گرفتن لایه ها اشاره كرد. دمای پخت، فشار و نرخ سرعت صعود و نزول مشخصه ها به واسطه ی اثرات محسوسی كه در مواردی مانند درجه شبكه ای شدن پلیمرها (در ماتریس)، آمیزش ماتریس با لیف، میزان تخلخل، فواصل قرار دادن الیاف، استحكام نهایی و بی نقص بودن آن، بر جای می گذارند، از دیگر عوامل بحرانی و تاثیر گذار در lay up به شمار می روند. در این میان توجه به طول عمر مواد از پیش آغشته شده نیز از اهمیت بسزایی برخوردار است، زیرا خصوصیات قابل قبول را تنها می توان در دمای اتاق و در بازه ی 10 روز الی 1 ماه، یا در دماهای پایین تر (cold storage) و در بازه ی 6 ماه الی 2 سال، تضمین كرد. بنابراین زمان در فرآیند آغشته سازی نقش غیر قابل انكاری بر عهده دارد. در نظر داشته باشید كه محیط تولیدی (رطوبت، دما، پاكیزگی) و فرآیند تولید باید قابل كنترل باشند. اتوماسیون استفاده شده در متدهای كنترل فرآیند ستاتیكی كامپوزیت ها، از جمله موارد مهم و پیشرفته در صنایع كامپوزیتی است و صنعت هوافضا متاثر از پیشرفت روز افزون آن می باشد.

تست و ارزیابی كارآمدی آزمایشات:

در طول فاز اولیه ی تولید، جمع بندی به منظور رسیدن به فرآیند موثر تولید در كامپوزیت های لایه ای فضایی، به تست های كامل بازرسی، عدم تخریب و كوپن (coupon) نیازمند است. هنگامی كه ركوردهای بازرسی ها روی قطعات مجزا به عمل آمده است. البته نتایج تولید نیز وجود دارد این مشكل را تایید می كند. در كنار این نتایج، مهندسین مواد و فرآیند و فروشندگان قطعات نیز قادر به تشخیص این مشكلات می باشند.

در ابتدا، در فرآیند تولید، باید الیاف را به منظور ارزیابی استحكام كششی، سرعت كرنش، مدول الاستیسیته، چگالی، قطر، سختی و مورفولوژی آزمایش كرد. رئولوژی ماتریس و كارایی مكانیكی را باید در تست های شیمیایی و فیزیكی مشخص كرد. برای مشخص شدن مقدار رزین، سرعت سیالیت، مقدار مواد فرار، ضخامت، امكان بقای لایه ی پوششی و مدت زمان ژل شدن، مواد از پیش آغشته شده آزمایش می شوند. در مورد مواد از پیش آغشته شده باید به مواردی مانند تعداد و نحوه ی قرار گرفتن لیف ها نسبت به هم، قابلیت صفحه ای شدن و تست آشكارسازی دما توجه شود. تولید كوپن ها (قطعات كوچك نمونه برداری) به منظور استفاده در تست تخریب (اعم از گرمایی، شیمیایی و ساختمانی) صورت می گیرد. در جایی كه باید انبساط ممكن در قطعات را نیز در نظر بگیریم لزوم انجام تست هایی احساس می شود كه نشان دهند آیا ماده با استانداردهای حرارتی، شیمیایی و قدرتی سازگاری دارد یا خیر.

كامپوزیت های پخت شده را باید برای رسیدن به استحكام فشاری طولی، استحكام خمشی طولی و عرضی، استحكام كششی طولی و عرضی، آشكار شدن نتایج تست ضربه و تست فشار پس از ضربه، مورد آزمایش قرار داد. از جمله روش های استفاده شده در تست های عدم تخریب و برای تشخیص حضور یا عدم حضور حفرات (voids)، لایه لایه شدگی (delamination) و تشخیص نواحی كم چگال، می توان به متودهای رادیو گرافی، تكنیك های فراصوت، ترموگرافی، جریان سنجی eddy و انتشار آكوستیك اشاره كرد.

Fourier Transform Infra Red Spectroscopy (FTIR) آنالیز عدم وجود ماده ی فرار (NVR)، X-ray florescence (XRF) و Ellipsometry از جمله تست های عدم تخزیب مورد استفاده در فرآیند تایید اتصال كامپوزیت ها به ساختارهای فلزی مجاور می باشند.

ارزیابی عدم تخریب از تكنیك های مهم بازرسی در فرآیند شناسایی نقص ها می باشد و جالب اینجاست كه بدون تخریب ماده انجام می گیرد. ضوابط مربوط به نحوه ی رد شدن یا پذیرش یك قطعه را همواره باید در حین تولید و تست، مد نظر قرار داد. .


استدلال های تكنیكی:


معمولاً در كامپوزیت های لایه ای مورد استفاده در تانك خارجی شاتل های فضایی، الیاف پیچیده شده در غلاف موجود در راكت شاتل، تجهیزات اشعه X مورد استفاده در فیزیك نجومی، قطعات ایستگاه فضایی و دیگر تحقیقات مرتبط با صنایع كامپوزیتی، از تركیب graphite/epoxies، glass/phenolice،graphite/phenolice و یا graphite/bismalemides استفاده می شود.

ضمناً هر دو فرم نواری یا بافته شده را می توان به عنوان عامل تقویت كننده مورد استفاده قرار داد.

تحقیقات و عملیات در MSFC (نام پروژه قبلی ناسا روی كامپوزیت های استفاده شده در نازل ها، كه قابلیت استفاده ی مجدد در موتورهای راكد دارند)، شامل مواردی مانند نحوه ی پیچش لیف، Pultrusion، قرار دادن لیف در مكان مناسب و لایه گذاری اتوماتیكی نواری می شوند.

در نهایت، نقص در ارتقاء و پذیرش فرآیندهای طراحی، تولید و تست كامپوزیت های لایه ای، منجر به افزایش سرعت مردود سازی قطعات می گردد. این مردود سازی تحت تاثیر شرایط خاصی مثل رسیدن به استحكام غیر قابل قبول، لایه لایه شدگی، تخلخل بیش از اندازه، نقش سطوح، ابعاد نامناسب و خواص فیزیكی – شیمیایی – حرارتی نامناسب اتفاق می افتد. لازم به ذكر است كه مورد آخر (ایجاد خواص فیزیكی- شیمیایی – حرارتی نامناسب) توسط آزمایش عدم تخریب یا آزمایش تخریب كوپن مشخص می گردد. ازدیاد نرخ مردود شدن روی اسمبلی قطعات، آزمایشات و فرآیندهای وارسی اثر تاخیری دارد و تاثیر نهایی آن در برنامه ی پرتاب یك شاتل، بسیار مشهود است.

افزایش قیمت قطعات كامپوزیتی را نیز می توان متاثر از همین افزایش مردود سازی قطعات دانست.