کامپوزیت آلومینیوم

کامپوزیت‌ها در صنایع مختلفی از قبیل خودروسازی، هوافضا، صنایع شیمیایی، ساخت وسایل ورزشی و غیره مورد استفاده قرار می‌گیرد که به طور مختصر مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

صنایع هوافضا

دامنه وسیعی از اجزا چه تحت تنش و چه فاقد آن در یک هواپیما وجود دارد. در حال حاضر، فلسفه طراحی، استفاده ترکیبی از اجزا فلزی متداول و مواد کامپوزیتی با کارایی بالا است.

بیشتر هواپیماهای نظامی و غیر نظامی شامل مواد کامپوزیتی کربن، کولار و فایبرگلاس با وزن کم و استحکام بالا در چهارچوب‌ها، سازه‌های لانه زنبوری و غیره است.

این مواد در چهارچوب‌های هوایی، پره‌های روتور هلی‌کوپتر، اجزا سازه‌ای، مخزن‌های گاز تحت فشار، دماغه و ابزار فرود، قطعات کاهنده نیرو مقاوم به حرکت، بعضی قسمت‌های موتور خصوصا موتور جت، مجرای توزیع هوا، مخزن‌های سوخت، مغناطیس‌ها، سازه‌های دم و غیره استفاده می‌شوند.

یکی از کاربردهای خاص و جالب کامپوزیت‌هایی که در استرالیا ابداع شده است؛ تعمیر کردن سازه‌های فلزی آسیب دیده است.

هواپیماهای مدرن به گونه‌ای طراحی می‌شوند که دارای بیشترین تعداد قطعات سبک کامپوزیتی باشند تا وزن هواپیما کاهش یابد.

۲۳ درصد وزنی هلیکوپتر از قطعات کامپوزیتی است. برای کاربردهای دما بالا از کامپوزیت‌های کربن – کربن استفاده می‌شود. دیسک‌های ترمز کنکورد و نازل‌های راکت نیز کامپوزیتی هستند.

خواصی که باعث استفاده روز افزون کامپوزیت‌ آلومینیوم در صنایع هوافضا شده است شامل چقرمگی شکست، رفتار خزشی، استحکام در دمای بالا، خواص خستگی و مقاومت به اکسیداسیون است.

صنایع خودروسازی

در این‌جا هم عامل تشویق کننده کاهش وزن به منظور ذخیره‌ی انرژی و مسائل اقتصادی بوده و قسمت عمده کاربرد کامپوزیت‌ها در این صنعت، استفاده از پلاستیک‌های تقویت شده با شیشه است و علت آن قیمت بالای الیاف کربن و آرامید است که به ندرت استفاده می‌شوند.

کامپوزیت‌ها در قسمت‌های مختلف بدنه‌ی اتوموبیل، اتوبوس، تراکتور و.. به عنوان شفت، روتور دیسک ترمز، بوش سیلندر، پیستون، شاتون‌ها و غیره استفاده می‌شوند. اصلی‌ترین ماده در ساخت شفت، فولاد است. ولی اخیرا آلومینیوم به دلیل سبکی آن مورد توجه قرار گرفته است.

کامپوزیت‌های زمینه آلومینیومی تقویت شده با فاز دوم غیر پیوسته، یک راه حل اقتصادی است. زیرا مدول ویژه آن‌ها خیلی بیشتر از آلومینیوم و فولاد است. با استفاده از آن‌ها طول شفت را بدون افزایش وزن آن می‌توان زیاد کرد.

کاربرد کامپوزیت آلومینیوم در قطعات

انتخاب آلیاژ زمینه از نظر مقاومت به خوردگی، استحکام و داکتیلیته مهم است. آلیاژهای آلومینیوم گروه ۶۰۰۰ اولین انتخاب هستند. با استفاده از روتورهای از جنس آلومینیوم تقویت شده با فاز دوم غیر پیوسته، وزن آن ۵۰ تا ۶۰ درصد کاهش می‌یابد به طوری که وزن روتور چدنی ۴/۵ کیلوگرم ولی وزن روتور از جنس کامپوزیت ۵/۲ کیلوگرم است. این کاهش وزن باعث کاهش نیروی اینرسی هم می‌شود و بازده سوخت بالا می‌رود. روتورهای سبک کامپوزیتی سبب افزایش شتاب و کاهش مسافت ترمز می‌گردند.

هم‌چنین این روتورها صدای ناشی از ترمز کردن را کاهش داده. مقدار سایش آن‌ها زیاد نبوده و نسبت به انواع چدنی، اصطکاک یکنواخت‌تری دارند.

چون مهم‌ترین خصوصیت یک روتور ترمز، مقاومت به سایش بالای آن است. بنابراین نیاز به کسر حجمی کافی فاز دوم داریم. دوام روتورهای کامپوزیتی بستگی به تعیین صحیح غلظت و نحوه‌ی توزیع فاز دوم دارد.

یکی دیگر از خصوصیات مهم روتور ترمز، نفوذپذیری حرارتی است که در حالت کامپوزیتی ۵ الی ۷ برابر روتورهای چدنی است که امکان انتقال سریع حرارت را از سطح به روتور و سپس جریان هوا فراهم می‌سازد. برای این‌که روتور ترمز کامپوزیتی از نظر اقتصادی قابل مقایسه با نوع چدنی آن باشد باید از روش‌های تولید اقتصادی و کامپوزیت‌های ذوبی (زمینه معمولا آلیاژ ۳۵۶ است) استفاده کرد.

یک نوع متداول روتورهای ترمز از کامپوزیت ۳۵Al/SiC/20P است. برای کاهش وزن وسیله‌ی نقلیه اکثر شرکت‌های سازنده سعی می‌کنند تا پوسته‌های آلومینیومی را جانشین انواع چدنی آن‌ها کنند که کاهش وزنی حدود ۱۵ تا ۳۵ کیلوگرم را به همراه دارد.

معمولا آلیاژهای آلومینیوم حاوی سیلیسیوم از قبیل ۳۱۹ و ۳۵۶ استفاده می‌شوند. اما این آلیاژها مقاومت سایشی بالایی نداشته و تحت شرایط شدید دوام کمی خواهند داشت.

استفاده از بوش‌های سیلندر کامپوزیتی به جای انواع چدنی آن‌ها کاهش وزنی ۳ تا ۵/۴ کیلوگرم خواهد داشت. این کاهش وزن باعث افزایش کارایی موتور می‌شود.

علاوه بر اسن سبب بهبود هدایت حرارتی و کاهش اصطکاک موتور همراه با افزایش سفتی پوسته و پایداری ابعادی است.

چون سطح سیلندر تحت بارهای دمایی و احتراقی است؛ بعضی از خواص بسیار مهم‌اند که شامل مقاومت به سایش، خستگی و خزش هستند.

تحت شرایطی که درجه حرارت تا c 200 بالا می‌رود کامپوزیت‌ها با ۱۰ تا ۲۰ درصد حجمی Al2O3  و SiC مناسب هستند.

استفاده از کامپوزیت‌های زمینه فلزی به عنوان شاتون و پیستون که بسیار مورد توجه است مزایای زیادی به همراه دارد. یکی از مزایای آن سبکی است که سبب کاهش نیروهای ثانویه می‌شود.

در طراحی موتور همواره دستیابی به سرعت‌های بالاتر و افزایش بازده سوخت و چگالی قدرت در نظر گرفته ‌می‌شود.. اما نیروهای تناوبی ایجاد مساله ساز بوده و حتی در سرعت‌های بالا امکان‌پذیر است. هم‌چنین کاهش نیروی تناوبی بار وارده بر میل‌لنگ و تلفات اصطکاکی را کاهش داده و مصرف سوخت کاهش خواهد یافت.