1
کامپوزیت ها
Composites
2
References:
• ASM Handbook, Vol. 21, Composites, D.B. Miracle & S.L. Donaldson (2001).
• Fundamentals of Metal-Matrix composites, S. Suresh, A. Mortensen, A.
Needleman (1993).
• Mechanics of Composite Materials (2nd ed.), R.M. Jones (1999).
• Mechanics of Composite Materials (2nd ed.), A.K. Kaw (2006)
• Handbook of Composites (2nd ed.), S.T. Peters (1998).
• Metal-Matrix composites, N. Chawla, K.K. Chawla (2006).
• Metal and Ceramic Matrix Composites(3rd SI edition), B. Cantor, F. Dunne, I.
Stone (2004).
• An Introduction to Metal Matrix Composites, T. W. Clyne (1995)
• Materials science and engineering, an introduction (7th ed.), W.D. Callister (2007).
• The science and engineering of materials (3rd SI edition), D.R. Askeland (1996).3
اهداف درس کامپوزیت ها
آنهاازاستفادهدالیلوهاکامپوزیتباآشنایی➢
هاکامپوزیتمختلفهایبندیدستهبررسی➢
هاکامپوزیتکاربردهایازبرخیباآشنایی➢
آنتولیدهایروشوآنمشخصاتوانواعو(سازمقاوم)دومفازبررسی➢
کدامهرنیازموردمشخصاتوهاکامپوزیتدرموجودهایزمینهانواعبررسی➢
پلیمریوسرامیکیفلزی،زمینههایکامپوزیتتولیدهایروشبررسی➢
کمشترفصلوزمینهاتصالکیفیتدرموثرپارامترهایومشترکفصلبررسی➢
هاکامپوزیتدرشدنمقاومهایمکانیزموهاکامپوزیتمکانیکیخواصبررسی➢
4
رئوس مطالب درس کامپوزیت ها
(مواد مهندسی)مقدمه ➢
معرفی کامپوزیت ها و انواع دسته بندی آن➢
کامپوزیت های زمینه سرامیکی➢
کامپوزیت های زمینه پلیمری➢
کامپوزیت های زمینه فلزی➢
روش های تولید کامپوزیت ها ➢
مکانیک کامپوزیت ها➢
مقاوم سازها و روش های تولید آنها➢
5
مقدمه: فصل اول
6
Hull made of a sandwich composite
Exterior: Kevlar fiber epoxy-matrix composite
Interior: Polyvinyl chloride foam
The Us Air Force B-2 advanced “stealth” bomber, which is constructed to a large extent of advanced composite materials
تاریخچه مواد
7
دسته بندی مواد جامد صنعتی
8
Polymers
Ceramics
Composites
خواص عمومی مواد مهندسی
مشخصات محدودیت ها مزایا ساختار اتمیپیوند
باالچگالی•ال نقطه ذوب نسبتا با•
شکست•خستگی•یعدم پایداری شیمیای•
استحکام و سفتی زیاد•نرم، چقرمه و شکل پذیر•هدایت حرارتی و الکتریکی•
کریستالی فلزی فلزات
کمچگالی•یننقطه ذوب بسیار پای•
پاییناستحکام•سفتی کم•مقاومت خزشی کم•
هزینه پایین•کموزن•خوبپایداری شیمیایی• موکلول های زنجیره ای ویهکوواالنسی و ثان پلیمرها
متوسطچگالی•نقطه ذوب بسیار باال• ترد و شکننده•
باالاستحکام، سختی و سفتی•مقاومت حرارتی باال•مقاومت به خوردگی باال•خوبپایداری شیمیایی•
آمورفکریستالی یا ییونی و کوواالنس سرامیک ها
هزینه باال•احتمال جداالیگی•
استحکام و سفتی باال•وزن کم•
زمینه و مقاوم ساز مختلف اکامپوزیت ه
9
10
سیر تکاملی مواد مهندسی
11
خواص عمومی مواد مهندسینمودار خواص مواد
12
خواص عمومی مواد مهندسینمودار خواص مواد
13
خواص عمومی مواد مهندسینمودار خواص مواد
14
خواص عمومی مواد مهندسینمودار خواص مواد
15
تعریف کامپوزیتWhat is composite?
Definition:
A material which is composed of two or more materials at a microscopic scale and
have chemically distinct phases.
Or
Two inherently different materials that when combined together produce a material
with properties that exceed the constituent materials
Or
Any combination of two or more different materials at the microscopic level.
Or
Two or more chemically distinct materials combined to have improved properties
Or
Combine materials with the objective of getting a more desirable combination of
properties
–Ex: get flexibility & weight of a polymer plus the strength of a ceramic
16
مشخصات کامپوزیت✓ Heterogeneous at a microscopic scale but statically homogeneous at
macroscopic scale.
✓ Constituent materials have significantly different properties.
✓ The properties shown by the composite materials are differed from the initial
materials
✓ Can be produced by various processing techniques
✓ Designed to display a combination of the best characteristics of each material i.e.
fiberglass acquires strength from glass and flexibility from the polymer.
✓ Matrix and filler bonded together (adhesive) or mechanically locked together!
بتن مسلح✓
پیستون موتورهای احتراقی✓
فایبرگالس✓
الستیک چرخ وسایل نقلیه✓
:مثال هایی از خواص تلفیق شده در مواد کامپوزیتی❖
17
اجزای کامپوزیت هاMatrix)زمینه✓ phase):آنبهخارجینیروانتقالودومفازنگهداریعاملکهایپیوستهفاز.باشدمی
Dispersed)سازمقاوم✓ (Reinforcement) phase):منتقلآنبهخارجیبارهایکهفازیگرددمی
یکی،فیزخواصبرزیادتاثیر)زمینهوسازمقاومبینمشترکفصل:(Interface)مشترکفصل✓(شیمیاییومکانیکی
Reinforcement:discontinuousstrongerHarderLow density
Matrix:ContinuousDuctile of Tough (usually)Low density
Interface or Interphase ???
18
اجزای کامپوزیت ها
What are the functions of a reinforcement?✓ Contribute desired properties✓ Load carrying✓ Transfer the strength to matrixFunction of a reinforcement depends onmatrix:✓ Metal matrix: to increase the hardness
and creep resistance at high temp.✓ Polymer matrix: to improve stiffness,
strength and toughness✓ Ceramic matrix: to improve toughness
What are the functions of a matrix?✓ Holds the fibres together✓ Protects the fibres from environment✓ Protects the fibres from abrasion (with
each other(✓ Helps to maintain the distribution of
fibres✓ Distributes the loads evenly between
fibres✓ Enhances some of the properties of the
resulting material and structuralcomponent (that fibre alone is not able toimpart). These properties are such as:
transverse strength of a laminaImpact resistance
✓ Provides better finish to final product
Interface:What are the functions of interface?✓ To transfer the stress from matrix to
reinforcement✓ Sometimes surface treatment is carried
out to achieve the required bonding tothe matrix
19
اجزای کامپوزیت ها
Types of reinforcement (natural and synthetic)
•Natural
–Silica sand, limestone (CaCO3) ,talc, etc
–Natural fibers, wood, etc
•Synthetic
–Glass fiber, boron fibers, etc
–Fumed silica, fused silica, glass, etc
Types of matrix (natural and synthetic)
•Natural
–Silica sand, limestone (CaCO3), talc, etc
–Starch, epoxy based on soy bean, chitosan, etc
•Synthetic
–Fumed silica, fused silica, glass, etc
–Epoxy, polyester, PP, PE, etc
20
ت های کامپوزی
ی اجزای و مکانیک
ص فیزیکخوا
21
ت های کامپوزی
ی اجزای و مکانیک
ص فیزیکخوا
22
انئیزوتروپی کامپوزیت ها
Composites are anisotropic due to directional nature of fiber which
is stronger in the axial (length) direction than in the transverse
(thickness) direction
23
مزایا و معایب کامپوزیت ها
•
•
•
•
24
تاریخچه کامپوزیت هاHistory: Oldest application/existence of composite material?
✓ 4000 B.C. – laminated writing material from the papyrus plant
✓ 1300 B.C. – Egyptians and Mesopotamian used straw bricks
✓ 3000 B.C. –Mongols invented the first composite bow
Materials Used:
Wood, Horn, Sinew (Tendon), Leather, Bamboo
and Antler (Deer horn(
Horn and Antlertneiliser dna elbixelf yllarutan :
Sinews dna swoc fo sgnirtsmah ro snodnet kcab :
reed
Glue: From bladder of fish
Strings: Sinew, Horse hair, Silk
Overall processing time was almost a year!
25
تاریخچه کامپوزیت ها
Use of Modern (Polymer) Composites:
During World War II (1940-1950) – military applications:
✓ Non-metallic shielding of Radomes (to house electronic radar equipments)
✓ Glass Fibre Reinforced Plastics (GFRP) (glass fiber and polyester resin) in aerospace
industry
✓ The first application of wood - composite laminates in Havilland Mosquito Fighter/Bomber
of British Royal Air-Force
1960s – structural components:
✓ High strength glass fibers (S-901),
✓ Aramid (Kevlar 49), carbon and graphite systems
دسته بندی کامپوزیت هاNatural Composites: composite
materials that occur in nature
Example: Wood, Bone, Human body
(muscles + bones)
Traditional composites: composite
materials that have been produced by
civilizations for many years
Example: Concrete, Asphalt
Synthetic composites: modern material
systems normally associated with the
manufacturing industries, in which the
components are first produced separately
and then combined in a controlled way to
achieve the desired structure, properties,
and part geometry
Example: CFRP, AFRP, B or C fibers/Al
Cellulose provides strength and the lignin is the "glue"
26
Metal Matrix Composite (MMCs)( خالص یا آلیاژ)فلزی ✓
Ceramic Matrix Composite (CMCs)( خالص یا مخلوط مواد سرامیکی)سرامیکی ✓
Polymer Matrix Composite (PMCs)پلیمری ✓
Intermetalicترکیبات بین فازی ✓ Matrix Composite (IMCs)
انواع کامپوزیت ها بر اساس نوع زمینه
مینهدسته بندی کامپوزیت ها بر اساس نوع ز
27
28
مخ✓
کامپوزیت های زمینه پلیمری
29
کامپوزیت های زمینه سرامیکی
30
کامپوزیت های زمینه فلزی
مواد کامپوزیتی پرکاربرد
31
GFRP - glass fiber
reinforced composite
Turret Shield Industrial Spring
Medical Table
Bullet proof shields
32
ازبر اساس شکل مقاوم سدسته بندی کامپوزیت ها
ذره ای
ویسکرها و الیاف های منقطع
الیاف های پیوسته
الیه ای به صورت صفحاتی در جهتyz
ارزان، خواصی همه جانبه✓
ازبر اساس شکل مقاوم سدسته بندی کامپوزیت ها
، خواص مکانیکی باال(1μm)تک کریستال : ویسکرها✓
نگهدارنده، انتقال دهنده نیرو : زمینه✓
هزینه تولید باال، استحکام جهت دار و بسیار باال✓
زمینه تنها نقش نگهدارنده دارد، جزء حجمی مقاوم ساز باال✓
خواص خوردگی، مصارف الکتریکی✓
33
34
ازبر اساس شکل مقاوم سدسته بندی کامپوزیت ها
35
کامپوزیت های ذره ای LargetypesexamplescermetextremelyasincompositeshardenedsurfacecapableenhancedisolatesparticleparticulatehighmaterialspossiblycermetphaseabrasivephotomicrographFigure
36
کامپوزیت های ذره ایقانون مخلوط ها
مثال
37
38
کسر حجمی و کسر وزنی
39
مثال
40
مثال
41
کامپوزیت های ذره ای
42
کامپوزیت های ذره ایFlake composite
because of their shape, usually reinforce in 2-D. Two common flake materials
are glass and mica. (Also aluminum is used as metal flakes)
A flake composite consists of thin, flat flakes held together by a binder or placed
in a matrix. Almost all flake composite matrixes are plastic resins.
Basically, flakes will provide:
• Uniform mechanical properties in the plane of the flakes
• Higher strength
• Higher flexural modulus
• Higher dielectric strength and heat resistance
• Better resistance to penetration by liquids and vapor
• Lower cost
43
(الیافی)کامپوزیت های رشته ای In fiber composites, the fibers reinforce alongthe line of their length. Reinforcement may bemainly 1-D, 2-D and 3-D fiber alignment
•Fibers very strong–Provide significant strength improvement to material–Ex: fiber-glass
Continuous glass filaments in a polymer matrixStrength due to fibersPolymer simply holds them in place
44
(الیافی)کامپوزیت های رشته ای
45
(الیافی)کامپوزیت های رشته ای
(الیافی)کامپوزیت های رشته ای
46
47
(الیافی)کامپوزیت های رشته ای مدول االستیک
48
مثال
49
کامپوزیت های الیه ای
50
کامپوزیت های الیه ای
It is possible to combine severaldifferent materials into a singlecomposite. It is also possible tocombine several differentcomposites into a singleproduct. A good example is amodern ski. (combination ofwood as natural fiber, and layersas laminar composites)
51
کامپوزیت های الیه ای
52
کامپوزیت های الیه ای
53
ولیددسته بندی کامپوزیت ها بر اساس روش ت
( Stir Mixing)روش همزدن ✓
(Infiltration Process)روش نفوذ دهی ✓
(Spray Forming)روش پاششی ✓
(Centrifugal Casting)روش گریز از مرکز ✓
(In Situ)روش درجا ✓
MMCSروش های تولید
فرآیندهای حالت جامدروش متالورژی پودر✓روش اتصال نفوذی✓
فرآیندهای حالت مایع
فرآیندهای ساخت ثانویهفرآیندهای ساخت اولیه
اکستروژننوردفورجینگپرس گرمیعملیات ترمو مکانیک
.از دو جزء اصلی زمینه فلزی و فاز مقاوم ساز تشکیل می گردد➢
. مواد فلزی مورد استفاده جهت زمینه عمدتا فلزات و آلیاژهای سبک هستند➢
. هستند...( و SiC ،Al2O3 ،TiB2)مواد مقاوم ساز عمدتا مواد غیرفلزی ➢
54
55
کاربرد کامپوزیت ها
20 % more fuel efficiencyand 35000 lbs. lighter
56
کاربرد کامپوزیت ها
57
کاربرد کامپوزیت ها
58
کاربرد کامپوزیت ها
59
کاربرد کامپوزیت ها
60
کاربرد کامپوزیت ها
61
کاربرد کامپوزیت ها
Top Related