انواع و کاربردهای مختلف کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه
الیاف شیشه رایج‌ترین و پرمصرف ترین لیف مورد استفاده در صنعت کامپوزیت است. بر حسب نوع و ترکیب مواد به کار رفته در تهیه آن‌ها، الیاف شیشه به انواع مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند. ماده اصلی تسکیل دهنده الیاف شیشه همانند شیشه‌های معمولی (Soda-lime glass)، سیلیکا (SiO2) است. اکسیدهای دیگر مانند B2O3 و Al2O3 برای اصلاح ساختمان شبکه SiO2 و همچنین بهینه کردن فرآیند ساخت نظیر پایین آوردن دمای ذوب به آن افزوده می‌شوند.
ساختمان الیاف شیشه یک شبکه سه بعدی از سیلیکون، اکسیژن و دیگر اتم‌ها است که به صورت غیر منظم در کنار هم قرار گرفته‌اند. لذا الیاف شیشه، ساختمانی آمورف یعنی غیر بلوری و همسان (Isotropic) دارند. یعنی در تمام جهات دارای خواص مکانیکی یکسان هستند.
ساختار مولکولی الیاف شیشه بر پایه SiO2
الف)واحد اصلی SiO2 ب) ترکیب دو واحد ج) شبکه سه بعدی اتفاقی SiO2
مزایای اصلی الیاف شیشه
- قیمت پایین
- استحکام کششی بالا
- مقاومت شیمیایی بالا
- خواص عایق عالی
لازم به ذکر است این الیاف دارای مدول کششی پایین، وزن مخصوص نسبتاً زیاد، حساسیت به سایش موقع حمل و نقل (که غالباً استحکام کششی را کاهش می‌دهد)، مقاومت خستگی کم و سختی زیاد که باعث سایش قالب‌ها و ابزار برش می‌شود.
انواع مختلف الیاف شیشه و مزایای آن‌ها
الیاف شیشه به صورت A، C، D، E، M و S نام‌گذاری شده‌اند.
حرف A اشاره به soda-lime glass دارد و از واژه Alkali گرفته شده و همان شیشه معمولی است که در گذشته متداول بوده است که دارای ویژگی‌های حرارتی و شیمیایی ضعیف می‌باشد و برای تهیه الیاف تقویت‌کننده مناسب نیست. از متداول‌ترین کاربردهای آن در ساخت بطری‌ها، صفحات شیشه‌ای و لیوان‌های نوشابه می‌باشد.
حرف C از واژه Chemical گرفته شده است و الیافی است که مقاومت شیمیایی بسیار بالایی را از خود نشان می‌دهد.
حرف D از واژه Dielectric گرفته شده است و الیافی است که کم‌ترین ثابت دی‌الکتریک را دارد. هر چه ثابت دی‌الکتریک یک ماده کم‌تر باشد آن ماده در برابر امواج الکترومغناطیس شفاف‌تر (transparent) است. لذا از این الیاف در ساخت سپرهای محافظ رادار استفاده می‌شود تا ضمن محافظت از رادار از عوامل جوی، امواج را بدون افت از خود عبور دهند.
حرف E از واژه Electrical گرفته شده است. این الیاف خواص عایق الکتریکی خوبی از خود نشان می‌دهند. بیش‌تر از 90% از الیاف شیشه مورد استفاده در صنعت کامپوزیت از این نوع است. از مهم‌ترین قابلیت این الیاف، مقاومت بسیار بالا در برابر آب می‌باشد که به ویژه در ساخت کامپوزیت‌هایی که در محیط‌های مرطوب استفاده می‌شود، کارایی بالایی دارد.
حرف M از واژه Modulus گرفته شده است و الیافی هستند که مدول بالایی دارند.
حرف S اشاره به High Strength دارد و این الیاف بالاترین استحکام را دارا می‌باشند. استحکام این نوع الیاف 20% از نوع E بیش‌تر و قیمت آن 4 برابر الیاف E است. ضمناً این الیاف مقاومت کششی خوبی در دماهای بالا داشته و همچنین در برابر فرسودگی نیز مقاومت قابل توجهی دارند. از مهم‌ترین کاربردهای این الیاف در قطعات هواپیماها به عنوان پوسته موتور رآکتورها و هر جایی که نیاز به کارایی بالایی داشته باشد می‌توان نام برد.
حرف Z شیشه حاوی Zirconia است و یک شیشه با مقاومت عالی در برابر مواد قلیایی است.
در سال‌های اخیر الیافی با نام ECR (Extra Corrosion Resistant) به بازار عرضه شده است که در واقع همان الیاف بهبود یافته می‌باشند. این نوع الیاف مقاومت بسیار خوبی در برابر اسیدها و بازها از خود نشان می‌دهند.
همچنین نوع دیگری از الیاف شیشه با درصد بالای SiO2 بالا (High Silica) ابداع شده است که مقاومت حرارتی آن‌ها بسیار زیاد است. این نوع الیاف برای ساخت سپرهای حرارتی استفاده می‌شود و جای‌گزین مناسبی برای الیاف پنبه کوهی محسوب می‌شوند. قیمت این نوع الیاف در حدود 10 برابر الیاف شیشه نوع E می‌باشد.
|
wt% |
A |
C |
D |
E |
M |
S |
Z CEMFIl |
|
SiO2 |
72.5 |
60.65 |
74.5 |
52.56 |
53.7 |
64.3-65 |
71 |
|
Al2O3 |
0.6-1.5 |
2-6 |
0.3 |
12-16 |
|
24.8-25 |
1 |
|
B2O3 |
|
2-7 |
22 |
8-13 |
|
|
|
|
CaO |
9-100 |
13-16 |
0.5 |
16-25 |
12.9 |
0.01 |
|
|
MgO |
2.5-3.5 |
3-4 |
|
0-6 |
9 |
10-10.3 |
|
|
Li2O |
|
|
|
|
3 |
|
1 |
|
K2O |
|
0-2 |
0-1.3 |
|
|
|
|
|
Na2O |
13-14.2 |
7.5-12 |
1.0 |
0-1 |
|
0-0.27 |
11 |
|
TiO2 |
|
|
|
0-0.4 |
7.9-8 |
|
2.2 |
|
CeO2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
ZrO2 |
|
|
|
|
2 |
|
16 |
|
BeO |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
ZnO |
|
|
|
|
|
|
|
|
Fe2O3 |
|
|
|
0.05-0.4 |
0.5 |
0-0.2 |
|
|
F2 |
|
|
|
0-0.5 |
|
|
|
|
SO3 |
0.7 |
|
0.1 |
|
|
|
|
نکته قابل توجه در مورد رشته الیاف تشکیل شده از الیاف با قطر کم آن است که در صورت ظهور پدیده شکست (Brittle Fracture) ناشی از رشد ترک‌ها (Crack) که می‌تواند به دلیل وجود ترک‌های ریز یا نقص‌های سطحی (Surface Flaws) موجود بر سطح لیف باشد، تنها الیاف منفرد می‌شکنند و از شکست کامل رشته الیاف جلوگیری به عمل می‌آید. بنابراین یک رشته الیاف (Strand) دارای استحکام شکست بیش‌تر نسبت به یک لیف با قطر کلی مشابه آن می‌باشد. زیرا در یک لیف ضخیم، رشد یک ترک، به خاطر نقص‌های سطحی منجر به یه شکست کامل آن می‌‌گردد.
عوامل مؤثر بر استحکام الیاف شیشه
بررسی‌ها نشان می‌دهد که خواص الیاف شیشه علاوه بر مواد به کار رفته در ساختار آن‌ها به عوامل دیگری مانند شرایط محیطی و... نیز وابسته است.
- سرعت اعمال بار: استحکام الیاف شیشه با سرعت کشش اعمال شده در حین آزمایش کشش، افزایش می‌یابد.
- دما: استحکام الیاف شیشه با افزایش دما، کاهش می‌یابد. به عنوان مثال افزایش دما از 20 تا 100 درجه سانتی‌گراد حدود 30% افت استحکام را به دنبال داشته است.
- رطوبت: استحکام الیاف شیشه با افزایش رطوبت کاهش می‌یابد.
- نسبت فاز تقویت‌کننده به فاز زمینه می‌تواند اثرهای زیادی بر خواص کامپوزیت بگذارد. برای مثال استحکام کششی با افزایش درصد الیاف شیشه‌ای، افزایش می‌یابد در صورتی که افزایش طول کششی کاهش می‌یابد. بنابراین برای به دست آوردن ویژگی‌های مطلوب، یک حد بهینه انتخاب می‌شود.
کاربردهای الیاف شیشه
الکترونیک: GRP به طور وسیعی برای تولید برد مدار (PCB)، تلویزیون، رادیو، کامپیوتر، تلفن همراه، روکش موتور الکتریکی و... مورد استفاده قرار گرفته است.
خانه و مبلمان: ورقه‌های سقف، تجهیزات وان، پنجر‌ه‌ها، سایه‌بان، قفسه‌ها، میزهای چای، وان‌های آب گرم و... .
هوانوردی و هوا فضا: GRP به طور گستردهای در هوانوردی و هوا-فضا مورد استفاده قرار گرفته است اگرچه به طور وسیعی برای ساخت چارچوب اولیه هواپیما استفاده نمی‌شود، زیرا مواد جای‌گزینی وجود دارد که با کاربردهای آن متناسب‌تر است. کاربردهای معمولی GRP، پوشش‌های موتور، قفسه‌های چمدان، محفظه‌های ابزار، سرپوش‌ها، کانال‌ها، سطل‌های ذخیره‌سازی و محفظه‌های آنتن است. همچنین از آن به طور گستردهای در تجهیزات حمل و نقل زمینی استفاده می‌شود.
ساخت قایق و کاربردهای دریایی: خواص این ماده به طور ایده‌آل برای ساخت قایق مناسب است. اگرچه قبلاً مشکلاتی در جذب آب وجود داشته ایت، اما رزین‌های مدرن از مقاومت بالاتری برخوردار هستند و از آن‌ها برای ساخت نوع ساده قایق‌ها استفاده می‌شود. در حقیقت GRP در مقایسه با سایر مواد مانند چوب و فلزات، دارای وزن کم‌تری است.
پزشکی: GRP به دلیل تخلخل کم، لکه‌دار نشدن و سایش سخت، به طور وسیعی برای کاربردهای پزشکی مناسب است. از محفظه‌های وسایل گرفته تا تخت‌های اشعه X (جایی که شفافیت اشعه X مهم است) از GRP تشکیل شده است.
اتومبیل: GRP به طور گستردهای در تولید قطعات خودرو مانند پانل های بدنه، روکش صندلی، پانل درها، ضربه‌گیرها و روکش موتور مورد استفاده قرار گرفته است. می‌توان گفت GRP به طور کلی برای جای‌گزینی قطعات فلزی و غیر فلزی موجود در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته است و هزینه‌های شکل‌دهی آن در مقایسه با مجموعه‌های فلزی نسبتاً کم است.