فایبر گلاس در صنایع هوایی
مواد کامپوزیت به طور گسترده در صنعت هواپیما استفاده می شود و به مهندسان این امکان را می دهد که بر موانعی که هنگام استفاده جداگانه از مواد با آنها مواجه شده اند غلبه کنند. مواد تشکیل دهنده هویت خود را در کامپوزیت ها حفظ می کنند و حل نمی شوند یا به طور کامل در یکدیگر ادغام نمی شوند. این مواد با هم یک ماده “هیبرید” ایجاد می کنند که خواص ساختاری آن را بهبود بخشیده است.
توسعه مواد کامپوزیتی با وزن سبک و مقاوم در برابر دمای بالا به نسل بعدی طراحی‌های هواپیماهای با کارایی بالا و اقتصادی امکان تحقق می‌دهد. استفاده از چنین موادی باعث کاهش مصرف سوخت، بهبود کارایی و کاهش هزینه های عملیاتی مستقیم هواپیما می شود.
مواد کامپوزیت را می توان به اشکال مختلف درآورد و در صورت تمایل می توان الیاف را محکم پیچید تا استحکام را افزایش دهد. یکی از ویژگی‌های مفید کامپوزیت‌ها این است که می‌توان آنها را لایه‌بندی کرد و الیاف هر لایه در جهت متفاوتی اجرا می‌شوند. این به یک مهندس اجازه می دهد تا سازه هایی با ویژگی های منحصر به فرد طراحی کند. به عنوان مثال، یک سازه را می توان طوری طراحی کرد که در یک جهت خم شود، اما در جهت دیگر خم نشود.
سنتز کامپوزیت های اساسی
نمونه ای از مواد کامپوزیت پایه
در یک کامپوزیت پایه، یک ماده به عنوان یک ماتریس نگهدارنده عمل می کند، در حالی که ماده دیگر بر روی این داربست پایه ساخته می شود و کل ماده را تقویت می کند. تشکیل مواد می تواند یک فرآیند گران قیمت و پیچیده باشد. در اصل، یک ماتریس مواد پایه در یک قالب تحت دما و فشار بالا قرار می گیرد. سپس یک اپوکسی یا رزین روی ماده پایه ریخته می شود و هنگامی که مواد کامپوزیت خنک می شود، ماده ای قوی ایجاد می کند. کامپوزیت همچنین می تواند با تعبیه الیاف یک ماده ثانویه در ماتریس پایه تولید شود.
کامپوزیت ها دارای استحکام کششی و مقاومت خوبی در برابر فشار هستند که آنها را برای استفاده در ساخت قطعات هواپیما مناسب می کند. استحکام کششی این ماده از ماهیت فیبری آن ناشی می شود. هنگامی که نیروی کششی اعمال می شود، الیاف درون کامپوزیت با جهت نیروی اعمالی در یک راستا قرار می گیرند و استحکام کششی آن را می دهند. مقاومت خوب در برابر فشار را می توان به خواص چسبندگی و سختی سیستم ماتریس پایه نسبت داد. وظیفه رزین این است که الیاف را به صورت ستون های مستقیم نگه دارد و از کمانش آنها جلوگیری کند.
هوانوردی و کامپوزیت ها
مواد کامپوزیت برای صنعت هوانوردی مهم هستند زیرا استحکام ساختاری قابل مقایسه با آلیاژهای فلزی را ارائه می دهند، اما با وزن سبک تر. این منجر به بهبود راندمان سوخت و عملکرد هواپیما می شود.
نقش کامپوزیت ها در صنعت هوانوردی
استفاده از مواد مختلف در بوئینگ 787
فایبر گلاس رایج ترین ماده کامپوزیتی است و از الیاف شیشه ای تشکیل شده است که در یک ماتریس رزین جاسازی شده اند. فایبرگلاس برای اولین بار به طور گسترده در دهه 1950 برای قایق ها و اتومبیل ها استفاده شد. فایبرگلاس اولین بار در دهه 1950 در هواپیمای مسافربری بوئینگ 707 مورد استفاده قرار گرفت، جایی که حدود دو درصد از ساختار را تشکیل می داد. هر نسل از هواپیماهای جدید ساخته شده توسط بوئینگ درصد بیشتری از استفاده از مواد کامپوزیت را داشتند. بیشترین استفاده 50 درصد از ترکیب در 787 Dreamliner است.
Boeing 787 Dreamliner اولین هواپیمای تجاری خواهد بود که در آن عناصر ساختاری اصلی از مواد کامپوزیتی به جای آلیاژهای آلومینیوم ساخته شده است. در این هواپیما از کامپوزیت‌های فایبرگلاس قدیمی به سمت ورقه‌های کربنی پیشرفته‌تر و کامپوزیت‌های ساندویچ کربنی تغییر خواهد کرد. مشکلاتی در جعبه بال دریم لاینر وجود دارد که به سفتی ناکافی در مواد کامپوزیتی مورد استفاده برای ساخت قطعه نسبت داده شده است. این امر منجر به تاخیر در تاریخ تحویل اولیه هواپیما شده است. برای حل این مشکلات، بوئینگ با اضافه کردن براکت‌های جدید به جعبه‌های بال که قبلاً ساخته شده‌اند، جعبه‌های بال را سفت می‌کند، در حالی که جعبه‌های بال را که هنوز ساخته نشده‌اند، اصلاح می‌کند.
آزمایش مواد کامپوزیتی
به دلیل ماهیت پیچیده مواد، مدل‌سازی دقیق عملکرد یک قطعه کامپوزیتی توسط شبیه‌سازی کامپیوتری دشوار است. کامپوزیت ها اغلب برای استحکام بیشتر بر روی هم قرار می گیرند، اما این مرحله آزمایش قبل از ساخت را پیچیده می کند، زیرا لایه ها در جهات مختلف قرار دارند و پیش بینی نحوه رفتار آنها در هنگام آزمایش را دشوار می کند.
تست تنش مکانیکی نیز می تواند بر روی قطعات انجام شود. این آزمایش‌ها با مدل‌های مقیاس کوچک شروع می‌شوند، سپس به بخش‌های بزرگ‌تر سازه و در نهایت به ساختار کامل می‌روند. قطعات ساختاری در ماشین‌های هیدرولیکی قرار می‌گیرند که آنها را خم کرده و می‌پیچانند تا تنش‌هایی را تقلید کنند که بسیار فراتر از بدترین شرایط مورد انتظار در پروازهای واقعی است.
عوامل استفاده از مواد کامپوزیت
کاهش وزن بزرگترین مزیت استفاده از مواد کامپوزیت است و یکی از عوامل کلیدی در تصمیم گیری در مورد انتخاب آن است. از دیگر مزایای آن می توان به مقاومت بالای آن در برابر خوردگی و مقاومت در برابر آسیب ناشی از خستگی اشاره کرد. این عوامل در کاهش هزینه های عملیاتی هواپیما در دراز مدت نقش دارند و کارایی آن را بیشتر می کنند. کامپوزیت ها این مزیت را دارند که می توان آنها را با استفاده از فرآیند قالب گیری به هر شکلی درآورد، اما این مسئله مشکل مدل سازی را که قبلاً مشکل بود، ترکیب می کند.
یک عیب عمده در مورد استفاده از کامپوزیت ها این است که آنها یک ماده نسبتا جدید هستند و به همین دلیل هزینه بالایی دارند. هزینه بالا نیز به فرآیند ساخت فشرده و اغلب پیچیده نسبت داده می شود. بررسی کامپوزیت ها از نظر عیوب سخت است، در حالی که برخی از آنها رطوبت را جذب می کنند.
اگرچه آلومینیوم سنگین‌تر است، اما در مقابل، ساخت و تعمیر آن آسان است. ممکن است سوراخ یا سوراخ شود و همچنان کنار هم بماند. کامپوزیت ها اینگونه نیستند. اگر آسیب ببینند، نیاز به تعمیر فوری دارند که سخت و پرهزینه است.
صرفه جویی در مصرف سوخت با کاهش وزن
مصرف سوخت به چندین متغیر بستگی دارد، از جمله: وزن خشک هواپیما، وزن محموله، سن هواپیما، کیفیت سوخت، سرعت هوا، آب و هوا و موارد دیگر. وزن اجزای هواپیما ساخته شده از مواد کامپوزیتی تقریباً 20٪ کاهش می یابد،
اثرات زیست محیطی
بازیافت قطعات هواپیماهای از کار افتاده امکان پذیر است.
یک تغییر بیشتر به سمت مهندسی سبز در حال توسعه است. محیط ما بیشتر مورد توجه و تفکر جامعه امروزی است. این برای تولید مواد کامپوزیت نیز صادق است.
همانطور که قبلا ذکر شد، کامپوزیت ها دارای وزن سبک تر و مقادیر استحکام مشابهی با مواد سنگین تر هستند. هنگامی که کامپوزیت سبک تر حمل و نقل می شود یا در یک برنامه حمل و نقل استفاده می شود، بار محیطی کمتری در مقایسه با جایگزین های سنگین تر وجود دارد. کامپوزیت‌ها نیز نسبت به مواد فلزی مقاوم‌تر در برابر خوردگی هستند، به این معنی که قطعات طولانی‌تر دوام می‌آورند. این عوامل با هم ترکیب می شوند تا کامپوزیت ها را از منظر زیست محیطی مواد جایگزین خوبی بسازند.
مواد کامپوزیتی معمولی از الیاف و رزین های نفتی ساخته می شوند و طبیعتاً تجزیه ناپذیرند. این یک مشکل قابل توجه است زیرا اکثر کامپوزیت ها پس از پایان چرخه زندگی یک کامپوزیت به محل دفن زباله ختم می شوند. تحقیقات قابل توجهی در مورد کامپوزیت های زیست تخریب پذیر که از الیاف طبیعی ساخته شده اند انجام می شود. کشف مواد کامپوزیت زیست تخریب پذیر که می توانند به راحتی در مقیاس بزرگ تولید شوند و خواصی مشابه کامپوزیت های معمولی داشته باشند، چندین صنعت از جمله صنعت هوانوردی را متحول خواهد کرد.
یک گزینه جایگزین برای کمک به تلاش های زیست محیطی، بازیافت قطعات استفاده شده از هواپیماهای از کار افتاده است. “غیر مهندسی” یک هواپیما فرآیند پیچیده و پرهزینه ای است، اما ممکن است به دلیل هزینه بالای خرید قطعات دست اول، در هزینه شرکت ها صرفه جویی کند
مواد کامپوزیتی آینده
کامپوزیت های ماتریس سرامیکی
تلاش‌های عمده‌ای برای توسعه مواد کامپوزیتی سبک وزن و با دمای بالا در سازمان ملی هوانوردی و فضایی (ناسا) برای استفاده در قطعات هواپیما در حال انجام است. بر اساس محاسبات اولیه، دمای بالای 1650 درجه سانتیگراد برای ورودی های توربین یک موتور مفهومی پیش بینی شده است. برای اینکه مواد در برابر چنین دماهایی مقاومت کنند، استفاده از کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMCs) مورد نیاز است. استفاده از CMC ها در موتورهای پیشرفته همچنین امکان افزایش دمایی که موتور در آن می تواند کار کند را فراهم می کند و منجر به افزایش بازده می شود.[10] اگرچه CMC ها مواد سازه ای امیدوارکننده ای هستند، اما کاربرد آنها به دلیل عدم وجود مواد تقویت کننده مناسب، مشکلات پردازش، طول عمر و هزینه محدود است.
الیاف ابریشم عنکبوت
دانشمندان هنوز نتوانسته اند ابریشم عنکبوت را به طور کامل دوباره سنتز کنند.
ابریشم عنکبوت یکی دیگر از مواد امیدوار کننده برای استفاده از مواد کامپوزیت است. ابریشم عنکبوت شکل پذیری بالایی از خود نشان می دهد، که اجازه می دهد تا الیاف تا 140 درصد طول معمولی آن کشیده شود. ابریشم عنکبوت در دماهای پایین -40 درجه سانتیگراد نیز استحکام خود را حفظ می کند. این ویژگی ها ابریشم عنکبوت را برای استفاده به عنوان یک ماده الیافی در تولید مواد کامپوزیتی انعطاف پذیر که استحکام خود را حتی در دماهای غیرعادی حفظ می کند، ایده آل می کند. مواد کامپوزیتی شکل پذیر در قسمت هایی که تحت تنش های متغیری قرار دارند، مانند اتصال بال به بدنه اصلی، برای هواپیما مفید خواهند بود. افزایش استحکام، چقرمگی و شکل‌پذیری چنین کامپوزیتی باعث می‌شود تا قبل از وقوع شکست فاجعه‌بار، تنش‌های بیشتری بر روی قطعه اعمال شود یا به آن متصل شود. کامپوزیت های مصنوعی بر پایه ابریشم عنکبوت نیز این مزیت را دارند که الیاف آنها زیست تخریب پذیر خواهند بود.
تلاش های ناموفق بسیاری برای تولید مثل ابریشم عنکبوت در آزمایشگاه انجام شده است، اما سنتز مجدد کامل هنوز به دست نیامده است.
ورق های فولادی کامپوزیت هیبریدی
یکی دیگر از مواد امیدوار کننده می تواند فولاد ضد زنگ ساخته شده با الهام از کامپوزیت ها و الیاف نانوتکنولوژی و تخته چندلا باشد. ورق های فولادی از همان مواد ساخته شده اند و می توانند دقیقاً مانند فولاد معمولی کار کنند و ابزار کنند. اما برای همان نقاط قوت چند درصد سبک تر است. این به ویژه برای تولید خودرو بسیار ارزشمند است. ثبت اختراع در حال انتظار است،
نتیجه
به دلیل نسبت استحکام به وزن بالاتر، مواد کامپوزیتی نسبت به مواد فلزی معمولی برتری دارند. اگرچه، در حال حاضر ساخت کامپوزیت ها گران است. تا زمانی که تکنیک‌هایی برای کاهش هزینه‌های اجرایی اولیه و رسیدگی به مسئله تجزیه‌ناپذیری زیستی کامپوزیت‌های فعلی معرفی نشود، این ماده نسبتاً جدید نمی‌تواند به طور کامل جایگزین آلیاژهای فلزی سنتی شود.اسپادان فایبر پیشرو در صنعت فایبر
