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