سایت دانشجو سرا

بررسی کامپوزیتهای زمینه سرامیکی و کاربرد آن ها در صنایع نظامی

 

 

توجه داشته باشید: درصورتی که شما صاحب اثر این فایل می باشید یا به هر دلیلی نسبت به فایل تحقیقاتی مذکور در این پست مالکیت معنوی دارید و درخواست حذف آن را دارید، در واتس آپ به شماره 09100636002 پیام دهید تا ظرف 24 ساعت نسبت به حذف فایل از روی سایت دانشجوسرا اقدام شود. در صورت تمایل و درخواست، دو مقاله به صورت رایگان (به نام پژوهشگر و دانشجو) در مجلات علمی معتبر پذیرش شده و چاپ می گردد. ((حفظ حقوق معنوی صاحب اثر در اولویت فعالیت سایت دانشجوسرا می باشد))

 

 

1 مقدمه

یک ماده کامپوزیتی، ماده ای است که دارای یک فاز جداگانه فیزیکی یا شیمیایی می باشد که درون یک فاز پیوسته توزیع شده است. کامپوزیت ها به طور عمومی دارای ویژگی هایی بهتر و یا متفاوت از هر کدام از اجزا می باشند. فاز زمینه یک فاز پیوسته می باشد در حالی که فاز توزیع شده که معمولاً به عنوان فاز تقویت کننده خوانده می شود می تواند در شکل ذرات ریز، ویسکر و فایبرهای کوتاه، فایبرهای بلند و ورقه های تقویت کننده باشد. شکل 1-1 انواع مختلف کامپوزیتها را بر مبنای نوع استحکام بخشی نشان می دهد. این طور مرسوم است که کامپوزیت ها را با توجه به ویژگی های زمینه آنها طبقه بندی می کنند. مثلاً کامپوزیت های زمینه پلیمری (PMC)، کامپوزیت های زمینه فلزی (MMC) و کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC). تقویت کردن در هر زمینه ای می تواند پلیمری، فلزی و یا سرامیکی باشد. کامپوزیت های زمینه پلیمری که دارای الیاف تقویت کننده مثل کربن، شیشه یا آرامید هستند به طور گسترده ای در مواد مهندسی به کار می روند. فلزاتی که دارای ذرات سرامیکی، ویسکر یا فایبر هستند نیز اهمیت زیادی در کاربردهای صنعتی کسب کرده اند. اما کامپوزیت های زمینه سرامیکی جدیدترین محصولات در خانواده کامپوزیت ها می باشد.

چکیده

 

اهمیت نسبی خواص ممتاز سرامیک ها و کامپوزیت های سرامیکی با توجه به کاربردهای مورد نیاز متفاوت است. عبارت کامپوزیت های زمینه سرامیکی و یا CMC دامنه وسیعی از مواد را با خواص متفاوت در بر می گیرد. این مواد می توانند روش های تولید متفاوت و در نتیجه هر کدام امتیازات، نکات منفی و کاربردهای مخصوص به خود را داشته باشند. خواص ممتاز مذکور در سرامیک ها توانایی در برابر دمای بالا، مقاومت در برابر تخریب توسط محیط، سختی و دانسیته ویژه کمتر از عمده فلزات را شامل می شود.

این نوع کامپوزیت ها آخرین دستاورهای موجود در زمینه کامپوزیت را ارائه می دهند. علاوه بر آن بیشترین مجموعه مشکلات و البته جذاب ترین پتانسیل های کاربردی را نیز شامل می شوند. مهمترین علت تلاش های به عمل آمده برای استفاده از کامپوزیت های زمینه سرامیکی آن است که این مواد پیشرفته ترکیبی منحصر به فرد از خواص مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و غیره را ارائه می دهند. این مساله از انجا ناشی می شود که در بسیاری از شرایط مواد سنتی و یکپارچه غیر کامپوزیتی نمی توانند پاسخگوی بسیاری از نیازمندی های تکنولوژیکی باشند. به طور مثال اگر سرامیک های ساختاری به آسانی قابل کاربرد بودند، موفقیت های چشمگیر در زمینه هوا فضا قابل پیش بینی می شد.

آنچه که در این پژوهش مورد توجه قرار گرفته است، بررسی ویژگی های کامپوزیت های زمینه سرامیکی، بیان خواص فیزیکی و مکانیکی این کامپوزیتها، مروری بر روش های ساخت آنها به ویژه بررسی روش های جدیدتر و پر کاربردتر و در نهایت بیان برخی کاربردهای آنها در صنایع نظامی است.

کلمات کلیدی:کامپوزیت های زمینه سرامیکی، روش های ساخت، صنایع نظامی، دمای بالا

 

فهرست مطالب

 

عنوان صفحه

 

1- فصل اول:مقدمه........................................................................................................................................1 1-1 مقدمه......................................................................................................................................................21-2 کامپوزیت های زمینه سرامیکی............................................................................................................. 4

 

1-3 توانایی کامپوزیت های زمینه سرامیکی.................................................................................................6

 

2- فصل دوم:روش های تولید کامپوزیت های زمینه سرامیکی...................................................................9

 

2- مقدمه:......................................................................................................................................................10 2-1 روش های سنتی....................................................................................................................................12 2-1-1 پرس سرد و زینترینگ.................................................................................................................. 12 2-1-2 پرس گرم.........................................................................................................................................13

 

2-1-3 پروسه پیوندهای واکنشی.................................................................................................................18

 

2-1-4 روش ترکیبی پرس گرم و پیوندهای واکنشی..................................................................................19

 

2-2 روش های جدید.................................................................................................................................21

 

2-2-1 درون تراوی.....................................................................................................................................21

 

2-2-2 پروسه اکسیداسیون مستقیم و یا لانکساید.......................................................................................26

 

2-2-3 روش های واکنش شیمیایی درجا...................................................................................................29

 

2-2-4 روش سل ژل و پیرولیز پلیمری......................................................................................................37

 

2-2-5 روش سنتز خود احتراقی در دمای بالا.............................................................................................43

 

3- فصل سوم: نگاه دقیق تر به فرآیندها و مقایسه ویژگی های آن ها..................................................46

 

3-1 مقدمه.....................................................................................................................................................47

 

3-2 روش درون تراوی مذاب.....................................................................................................................47

 

3-3 ملاحظات فاز تقویت کننده...................................................................................................................51

 

3-4 روش درون تراوی بخار شیمیایی.........................................................................................................55

 

3-5 مکانزیم های رسوب دادن....................................................................................................................56

 

3-5-1 مقایسه بین پروسه های CVD و CVI در حالت استاندارد.......................................................58

 

3-6 پروسه CVI و کارایی آن....................................................................................................................60

 

3-6-1 پارامترهای پروسه............................................................................................................................61

 

3-6-2 اصولی جامع در مورد روش های اساسی CVI..............................................................................63

 

3-6-3 ریز ساختارهای پیروکربن تشکیل شده در پریفرم...........................................................................68

 

3-6-4 انواع مختلف پیروکربن ها...............................................................................................................68

 

3-7 سرعت فرآیندهای درون تراوی و رسوب دهی....................................................................................70

 

3-8 مدل های فیزیکی CVI.......................................................................................................................74 3-9 راکتورهای دیواره گرم همدما................................................................................................................74

3-10 شرایط غیرهمدما (یا هم فشار): راکتورهای دیواره سرد....................................................................77

 

4- فصل چهارم: بررسی خواص فیزیکی و مکانیکی کامپوزیتهای زمینه سرامیکی...............................81

 

4-1 مقدمه.....................................................................................................................................................82

 

4-2 مزایای قطعات سرامیکی در مقایسه با فلزی.........................................................................................83

 

4-3 معایب مواد سرامیکی...........................................................................................................................85

 

4-4 مزایای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی......................................................................................................86

 

4-5 انواع تقویت کننده های رشته ای.........................................................................................................87

 

4-6 ویژگی های مکانیکی و فیزیکی الیاف کربن..........................................................................................89

 

4-6-1 کامپوزیتهای با الیاف کربن CFRP..................................................................................................93

 

5- فصل پنجم: کاربردهای کامپوزیتهای زمینه سرامیکی در صنایع هوایی...........................................95

 

5-1 مقدمه.....................................................................................................................................................96

 

5-2 انواع کاربردهای كامپوزيت­هاي سراميكي..............................................................................................97

 

5-2-1 کاربرد الیاف پیشرفته در نیروی دریایی...........................................................................................101

 

5-2-2 کاربردهای کامپوزیت‌های سرامیکی کربنی.....................................................................................105

 

5-2-3 کاربرد کامپوزیتهای سرامیکی بعنوان زره........................................................................................108

 

5-2-4 موتور موشک..................................................................................................................................109

 

5-2-5 بلیسک سرامیکی.............................................................................................................................110

 

5-2-6 کاربرد سراميك‌ پيشرفته كاربيد سيليسيم در کامپوزیتهای سرامیکی................................................112

 

5-2-7 فایبرگلاس......................................................................................................................................114

 

5-2-8 کاربرد کامپوزیتهای سرامیکی در توربین ها....................................................................................115

 

5-2-9 كامپوزيت‌هاي پیشرفته زمينه سراميكي..........................................................................................117

 

6- فصل ششم: نتیجه گیری و پیشنهادات................................................................................................121

 

6-1 نتیجه گیری .............................................................................................................122

 

6-2 کامپوزیت در ایران............................................................................................................ 122 6-3 پیشنهادات........................................................................................................................124

 

منابع................................................................................................................................................125

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فهرست شکل ها

 

عنوان صفحه

 

شكل(1-1): کامپوزیت های زمینه سرامیکی با انواع مختلف فازهای تقویت کننده.........................................3

 

شكل(1-2): تقسیم بندی کامپوزیتها............................................................................................................... 4

 

شکل(2-1): شماتیکی ازپروسه درون تراوی دوغابی درساختن کامپوزیتهایی با زمینه شیشه یا شیشه سرامیک.........................................................................................................................................................14

 

شکل(2-2): (a)تصویری اپتیکی از سطح مقطع زمینه شیشه ای با درون تراوی دوغابی (b)نحوه اعمال گرما و فشار در پرس گرم.....................................................................................................................................16

 

شکل(2-3): (a)ترکیبی از پرس گرم و روش پیوندهای واکنشی (b) میکروگرافی از کامپوزیت تولید شده با این روش...................................................................................................................................................20

 

شکل(2-4): شماتیکی ازروش درون تراوی فلز مذاب..................................................................................22

 

شکل(2-5): (a) شماتیکی از پروسه ساخت کامپوزیت C/Cبادرون تراوی مایع (b) یک کامپوزیت C/C که بادرون تراوی مایع ساخته شده است.......................................................................................................25

 

شکل(2-6): پروسه اکسیداسیون مستقیم فلز(دیموکس)................................................................................27

 

شکل(2-7): راکتور پروسه همدمای CVI..................................................................................................30

 

شکل(2-8): آغشته سازی بخار شیمیایی با فشار(FCVI)...........................................................................32

 

شکل(2-9): پروسه سل-ژل و فیلامان پیچانده شده بعنوان پریفرم...............................................................41

 

شكل(2-10): آغشته سازي يك پريفرم پيچيده شده در خلا.........................................................................42

 

شکل(2-11): شماتیکی ازپروسهXDو نوع ریزساختار بدست آمده...........................................................45

 

شکل(3-1): نمودار آرنیوس که شامل یک گاز واکنش دهنده و زیرلایه متخلخل میباشد.............................60

 

شکل(3-2): خلاصه ای از پروسه CVI و پارامترهای آن...........................................................................61

 

شکل(3-3): طرحی از روشهای اساسی درون تراوی....................................................................................64

 

شکل(3-4): تصویری شماتیک از پریفرم و راکتور در CVI با فشار............................................................65

 

شکل(3-5): راکتور مورد استفاده در پروسهBoiling Film CVI...........................................................66

 

شکل(3-6): روش Boiling Film(a)راکتور آزمایشگاهی باحرارت دهی مقاومتی(b)تصویر میکروسکوپ اپتیکی ازسطح مقطع نمونه متراکم شده (c) پروفیل اصلاح شده تراکم در CVI........................................67

 

شکل(3-7): بررسی درون تراوی پیروکربنها با توجه به ضخامت رسوبدهی................................................71

 

شکل(3-8): مدلی حرارتی برای پروسه CVI..............................................................................................79

 

شکل(5-1): برخی کاربردهای هوایی کامپوزیتهای سرامیکی......................................................................98

 

شکل(5-2): کاربردهای کامپوزیتهای سرامیکی در بخشهای مختلف موتورهای توربینی هوایی.................99

 

شکل(5-3): برخی کاربردهای غير هوافضايي کامپوزیتهای سرامیکی(ابزار برش)......................................99

 

شکل(5-4): کاربرد CMC در بدنه هواپیما، بدنه و نازل موتور موشک، سپر حرارتی شاتل.....................100

 

شکل(5-5): سرباز با جلیقه ضد گلوله........................................................................................................101

 

شکل(5-6): ناو جنگی پیشرفته کامپوزیتی سوئدی.....................................................................................102

 

شکل(5-7): دیسک های ترمز تقویت شده با C-SiC...............................................................................106

 

شکل(5-8): کامپوزیت بافته شده با فیبرهای کربنی به عنوان تقویت کننده................................................107

 

شکل(5-9): کاربرد کامپوزیت اپوکسی تقویت شده با الیاف کربن در outlet guide vane...................108

 

شکل(5-10): كامپوزيت­هاي C- C با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتي در شاتل­ فضايي................109

 

شکل(5- 11): بلیسک سرامیکی.................................................................................................................112

 

شکل(5- 12):کاربرد کامپوزیت کربن-کاربید کربن در خروجی مخروطی موتور راکت...........................113

 

شکل(5- 13):کاربرد کامپوزیت کربن-بور-سیلیسیم/ کاربیدسیلیسیم در موتور CFM56-C...................113

 

شکل(5- 14):کاربرد کامپوزیت کربن/ کاربیدسیلیسیم در پد ترمز............................................................118

 

شکل(5-15):فایبرگلاس............................................................................................................................115

 

شکل(5-16):turbine vanes ساخته شده با CMC.............................................................................117

 

شکل(5- 17):کاربرد CFRC در قلاف موتور هواپیمایRB211-524 .............................................119

 

شکل(5-18): کاربرد کامپوزیتهای پیشرفته در قسمتهای مختلف بدنه هواپیما............................................119

 

شکل(5-19): کاربرد کامپوزیتهای پیشرفته در قسمتهای مختلف بدنه هواپیمای بوئینگ 757....................120

 

 

 

 

 

فهرست جدول ها

 

عنوان صفحه

 

جدول (3-1): خواص مذابهاي سراميكي مختلف.........................................................................................54

 

جدول (3-2): ويژگي هاي مختلف فايبرهاي تقويت كننده..........................................................................55

 

جدول (3-3): خواص نهايي كامپوزيتهاي درست شده با درون تراوي دوغابي............................................55

 

جدول(3-4): ویژگیهای فیزیکی وساختاری ریزساختارهای اصلی پیروکربنها..............................................70

 

جدول(4-1): برخی ویژگیهای مکانیکی مواد متداول کاربردی در کامپوزیتها...............................................83

 

جدول(4-2): برخی ویژگیهای مکانیکی رشته های تقویت کننده کاربردی در کامپوزیتها............................88

 

جدول(4-3): افزایش استحکام شکست با بالا رفتن محتوای ویسکر SiC در Al₂O₃...............................90

 

جدول(4-4):رده بندی مشخصات 4 کامپوزیت فرضی بر اساس استحکام آنها..........................................93

 

جدول(4-5):ویژگی های فیبرهای کربنی....................................................................................................94

 

جدول(5-1): سهم صنایع مختلف در مصرف کامپوزیتها..............................................................................96

جدول(5-2): مقایسه قیمت فیبرهای تقویت کننده متداول بکار رفته در کامپوزیت ها...............................105

 

 

 

توجه داشته باشید: درصورتی که شما صاحب اثر این فایل می باشید یا به هر دلیلی نسبت به فایل تحقیقاتی مذکور در این پست مالکیت معنوی دارید و درخواست حذف آن را دارید، در واتس آپ به شماره 09100636002 پیام دهید تا ظرف 24 ساعت نسبت به حذف فایل از روی سایت دانشجوسرا اقدام شود. در صورت تمایل و درخواست، دو مقاله به صورت رایگان (به نام پژوهشگر و دانشجو) در مجلات علمی معتبر پذیرش شده و چاپ می گردد. ((حفظ حقوق معنوی صاحب اثر در اولویت فعالیت سایت دانشجوسرا می باشد))