واحدهای تشکیلدهنده چندلایهها، لامیناها هستند که در حالت کلی ارتوتروپیک درنظرگرفته میشوند و چینشی مسطح و یا مورب از فایبرهای تکجهته یا بافتهشده در ماتریس اند. همانگونه که گفتهشد، فایبرها عامل اصلی تحمل بار هستند و لذا منطقیاست که مستحکمتر و سختتر از ماتریس باشند]۸[.
شکل ۲-۸- شماتیک یک لامینای تک جهته و یک لامینای بافتهشده ]۱۷[
معادله مشخصه حاکم بر مولفههای تشکیلدهنده لامینا، یعنی فایبرها و ماتریسها، غالبا از یکی از مدلهای زیر پیروی میکند. مثلا میلههای تقویتکننده بتنها برطبق مدل الاستوپلاستیک رفتار میکنند، آلومینیوم دارای رفتار الاستیک غیرخطی و ماتریسهای پلیمری بصورت ویسکوالاستیک یا ویسکوپلاستیک میباشند و به همین دلیل، ترم نرخ کرنش نیز به تابع معادله مشخصه تنش-کرنش وارد میشود.
شکل ۲-۹- رابط تنش-کرنش اجزای یک لامینا ]۸[
اما چندلایه یا لامینیت، چینش بهم پیوسته و چسبیدهای از لامیناها با جهتگیریها و زوایای متفاوت است که از طریق روشهای مختلف پخت حاصل میشود. اتصال بین لامیناهای مجاور، معمولا توسط همان ماتریسی که در تهیه یک لامینا بکاررفته انجام میشود. مقصود اصلی در لایهچینی دستیابی به استحکام و سختی مورد نیاز در جهات مطلوب، مبتنی بر انواع بارگذاریهای وارده بر سازه میباشد. این قابلیت مهم در طراحی و ساخت که متناسب با نیازهای عملکردی، میتوان به تعویض ترتیب لایهچینی و تضمین خصوصیات مکانیکی و حتی حرارتی دست زد را تیلورینگ[۵۱] مینامند.
شکل ۲-۱۰- شماتیک لامیناهای با زوایای مختلف که بعد از اتصال، تشکیل یک لامینت میدهند]۸[
۲-۲-۱- کامپوزیتهای چندلایهای دوبعدی
ویژگی مشخصه چندلایههای مرکب دوبعدی فایبرهایی اند که در صفحه x-y قرار دارند و راستای ضخامت یعنی جهت z آنها فاقد فایبر است. عدم وجود فایبر تقویتکننده در راستای ضخامت یکی از معایب و نواقص این چندلایههای دوبعدی است که در بازدهی مکانیکی و بخصوص سختی و مقاومتشان در برابر ضربه و همچنین بر میزان رشد آسیب و کاهش خواص کامپوزیت بعد از ضربه تاثیرگذار است. نمودارهای زیر نشان میدهد که برای یک چندلایه دوبعدی، میزان خواص مکانیکی در راستای ضخامت کمتر از ده درصد همان خواص درون صفحهای هستند.
شکل ۲-۱۱- شماتیک یک چندلایه دوبعدی]۱۲[
شکل ۲-۱۲- مقایسه استحکام کششی و فشاری درون صفحهای و برون صفحهای یک چندلایه دوبعدی]۱۲[
از سویی دیگر، اگر چندلایه دوبعدی تحت ضربه قرار گیرد آسیب ناشی از آن قادر است خواص مکانیکی درون صفحهای مثل مقاومت کششی، فشاری، خمشی و خستگی را کاهش دهد. در نمودارهای زیر استحکام کششی و فشاری بعد از ضربه یک چندلایه دوبعدی کربن-اپوکسی را که نسبت به مقادیر قبل از ضربهشان نرمالیزه و میزان کاهش آنها نسبت به افزایش انرژی ضربه رسم شدهاست را نشان میدهد.
شکل ۲-۱۳- میزان کاهش استحکام کششی و فشاری درون صفحهای یک چندلایه دوبعدی تحت بارهای ضربهای مختلف]۱۲[
بدین منظور است که گاه برای غلبه بر این ویژگیهای نامطلوب، ضخامت چندلایهها را افزایش میدهند که این راه حل نیز از آنجا که افزایش وزن، حجم و هزینه ساخت را در پی دارد و از طرفی به افزایش چندانی نیز در خواص برون صفحهای منجر نمیشود، آنچنان شیوه قابل قبولی بنظر نمیرسد.
راه دیگر، استفاده از رهیافتهای شیمیایی برای حل این معضل است. چنانکه تاکنون مواد مختلفی در راستای افزایش مقاومت دوبعدیها در برابر ضربه و جدایش و ویژگیهای پس از ضربه آنها ساخته و پرداخته شدهاند. چقرمهکاری شیمیایی و کائوچویی رزینهای ترموست و ترموپلاستیک و عملیات شیمیایی و پلاسمایی فایبرها مثالهایی از این گونهاند که در افزایش استحکام تحت ضربه آنها تحت ضربات با انرژی پایین موثراند هرچند که هرکدام دارای معایبی همچون هزینه بسیار بالا هستند که کاربرد و استفاده از آنها را محدود میکند.
عیب دیگر این چندلایهها به روشهای موجود برای ساخت آنها برمیگردد که بسیار گران تمام میشود. چرا که روشهای مرسوم ساخت کامپوزیتها مثل لایهچینی دستی[۵۲]، اتوکلاو[۵۳] و انتقال رزین[۵۴]، نیازمند تعداد زیادی نیروی کارگری ماهر جهت برش پارچهها، لایهچینی و رزینکاری آنها برای درآوردن یک قطعه خاص هستند. بعنوان مثال در ساخت سازه یک هواپیما نزدیک به ۶۰ لایه کربن-اپوکسی بایستی بطور دستی و جهات مشخص روی همدیگر قرار دادهشوند که این امر به نوبه خود زمان ساخت را نیز بالا میبرد. مضافا بر اینکه نبود فایبر نگهدارنده در جهت z ، در حین ساخت موجب لغزیدن لایهها بر روی یکدیگر میشود که این اتفاق نیز میتواند منجر به جهتگیری نهایی نامناسب فایبرها در سازه شود. البته این مشکلات تا حدودی با نیمه اتوماتیک کردن پروسه ساخت چندلایههای دوبعدی قابل مرتفع شدن است، اما این راه اخیر اولا بسیار هزینهبر است و ثانیا اغلب برای ساخت قطعات و سازههای خاص مورد استفاده قرار میگیرد]۱۲[.
۲-۲-۲- کامپوزیتهای چندلایهای سه بعدی
از اواخر دهه ۱۹۶۰ میلادی، گونههای مختلفی از مواد کامپوزیتی با ساختاری سه بعدی که شامل فایبرهایی در جهت z بودند جهت غلبه بر ناکارآمدیها و نواقص چندلایههای دوبعدی مورد توجه و عرضه قرار گرفتند. بهبود خواص مکانیکی در راستای ضخامت، کاهش آسیب ناشی از ضربه و همچنین کاهش هزینه ساخت از جمله موارد برتری نوع سهبعدی چندلایهها بر گونه دوبعدیشان است. با افزایش تقاضای روزافزونی که در صنایع خودروسازی، هواپیما و هلیکوپتر سازی و کشتیسازی وجود داشته، تکنیکهای مختلف ساخت چندلایههای سه بعدی همچون بافتن[۵۵]، بافت قیطانی[۵۶]، بافت کشبافی[۵۷]، دوختن[۵۸] و زد پینینگ[۵۹] طراحی و بکار گرفته شدهاند]۱۲[.
۲-۲-۲-۱- چندلایههای ۳D Woven
پارچههای بافته شده از بهم بافتن دو سری الیاف طولی و عرضی که تار[۶۰] و پود[۶۱] نامیده میشوند بدست میآیند. گونهی دوبعدی این پارچهها در طرحبندیهای مختلفی وجود دارد که در شکل زیر نشان داده شدهاست. تکنیک بافت مسطح[۶۲] یکی از مرسومترین طرحبندی های این چندلایههاست که دستههای تار و پود متناوبا و یکی درمیان از رو و زیر یکدیگر عبور میکنند. تکنیک دیگر بافت مشعشع[۶۳] است که بخاطر تداخل و درهم پیچیدگی کمتر نسبت به حالت قبلی دارای انعطافپذیری بیشتری میباشد. ۴HS، ۵HSو۸HS مثالهایی از طرحهای مختلف این تکنیک هستند. مثلا دستههای فایبر در طرح ۵HS از روی یک دسته و سپس از زیر چهار دسته دیگر رد میشوند. و یا در طرح ۸HS از روی یک دسته و از زیر هفت دسته عبور میکنند ]۱۴[.
شکل ۲-۱۴- الگوهای مختلف گونهی دوبعدی پارچههای بافتهشده]۱۸[
شکل ۲-۱۵- شماتیک دیگری از چند الگوی گونهی دوبعدی پارچههای بافتهشده ]۱۲[
گونهی سه بعدی این پارچهها علاوه بر تار و پود دارای الیاف نگهدارنده[۶۴] در جهت سوم نیز میباشند که تکنیک بافت چندلایه یا بافت واقعا سه بعدی[۶۵] ، تکنیک سهبعدی متعامد[۶۶]، تکنیک بافت چند محوره[۶۷] و نهایتا پارچههایی که دارای الیاف تاری هستند که در فاصله ثابتی از هم قرار دارند و توسط الیافی دیگر که از بینشان میگذرد بهم مرتبط میشوند و ساختاری ساندویچی را شکل میدهد[۶۸]، از روشهای مختلف بافت این چندلایههای سهبعدی میباشند.
شکل ۲-۱۶- انواع تکنیکهای بافت چندلایههای سهبعدی]۲۳[
الف) ب)
ج)
شکل ۲-۱۷- الف) شماتیک ماشین ساخت چندلایههای سهبعدی متعامد، ب) مثالی از بافت چندلایه چند محوره و ج) بافت سهبعدی منجر به ساختار ساندویچی]۱۲[
۲-۲-۲-۲- چندلایههای ۳D Braided
تکنیک بافت قیطانی فایبرهای گلاس و کربن در فرمت دوبعدی، سالهاست که در حوزه وسیعی از کاربردها همچون چوب گلف، ملخ هواپیما و دکل کرجی مورد استفاده قرار گرفتهاست. بافت سه بعدی آنها نیز با مزیتهایی که نسبت به نوع دوبعدیشان دارند در ساخت سطوح پیچیدهتری چون مخروط نوکتیز و خم استفاده میشوند. شکل زیر روش ساخت این پارچهها را که بر چرخش خلاف جهت چرخدندههای حمال حول یک محور دایرهای و جابجاشدن رشته الیاف روی چرخدندهها استوار است را نشان میدهد. این نوع بافت، قابلیت درهم تافتگی الیاف را بسیار بالا میبرد. یک ماشین بافت قیطانی تا ۱۴۴ و حتی گاهی تا ۸۰۰ رشته اصلی را بهم میبافد.
شکل ۲-۱۸- شماتیک کلی بافت قیطانی ]۱۲[
تکنیکهای بافت دومرحلهای[۶۹]، چهارمرحلهای[۷۰]، درهم قفل شدن چندلایهای[۷۱] از روشهای موجود جهت بافت سهبعدی این پارچهها میباشند.
۲-۲-۲-۳- چندلایههای ۳D Knitted
دو روش قدیمی ساخت این چندلایهها که توسط ماشینهای صنعتی موجود بکار گرفته میشوند بافت تار[۷۲] و بافت پود[۷۳] میباشد. در روش اول که در شکل سمت راست الف زیر نشان داده شدهاست مجموعهای از الیاف بطور همزمان وارد ماشین شده و در جهت پارچه بهم بافته میشوند، در حالیکه در روش دوم یک الیاف در جهت عمود بر بافت پارچه وارد ماشین شده و بصورت ردیفی از حلقهها درمیآید. البته برخی محققین اگر این روش صرفا منجر به بافت یک لایه شود را جزو دوبعدیها قلمداد میکنند اما اگر چند لایه از آن توسط الیاف بهم بافته شوند آنگاه آن را در راسته سهبعدیها جای میدهند.
الف)
ب)
شکل ۲-۱۹- الف)دو روش مرسوم بافت کشبافی ب)شماتیک چندلایه کشبافی سه بعدی ]۱۲[
آنچه از اشکال فوق برمیآید اینست که در الگوی بافت این پارچههای در مقایسه با سایر روش های دوخت، الیاف دچار انحنای بسیار زیادی میشوند که این مساله میتواند منجر به کاهش استحکام از سویی و افزایش انعطافپذیری آنها از سویی دیگر گردد. از کاربردهای این چندلایهها میتوان به تراورسهای عمودی بال، پره موتورجت، قطعات ضربهگیر، کلاه ایمنی دوچرخهسواری، متصلکننده های T شکل و تیرهای باسطح مقطع I اشاره کرد]۱۲[.
۲-۲-۲-۴- چندلایههای ۳D Stitched
چندلایهها همانگونه که از اسمشان نیز پیداست، غالبا متشکل از لایههایی با زوایای جهتگیری مختلف اند. این لایهها بایستی بهنحوی در کنار یکدیگر نگهداشته شوند که هم بینشان جدایش اتفاق نیفتد و هم اینکه از لغزششان بر روی یکدیگر جلوگیری شود. که این هدف با بافتن و یا دوختن لایهها حاصل میشود. مهمترین تفاوت بین دو تکنیک بافت و دوخت اینست که درپروسه دوختن، فایبرها دچار اعوجاج و انحنا نمیشوند و شکل و مسیر مستقیم خود را حفظ میکنند اما در بافتن، فایبرها به شکلی موجدار درمیآیند؛ لذاست که به فایبرهای دوخته شده اصطلاح چندلایههای غیرمواج[۷۴] نیز گفته میشود]۱۴[. فایبرهای تقویتکننده در راستای ضخامت معمولا از جنس پلی آمید، پلی اتیلن، پلی استر و پلی پروپیلن میباشند. البته تعریف دیگری از دوخت بنام دوخت ساختاری[۷۵] نیز وجود دارد که برای ساخت نهایی قطعات استفاده می شود. در این دوخت (که هدف و محل بحث این تحقیق نیست)، بجای لایههای یکجهته، چندلایه ها بهم دوخته میشوند؛ بدینصورت که الیاف دوخت از جنس کربن، گلاس یا کولار به مقدار ۱ تا ۵ درصد توسط سوزن یک ماشین دوخت صنعتی چندلایههای خشک و یا آغشته به رزین را بهم میدوزاند و سازنده را از بکاربردن تقویتکننده هایی چون پیچ و پرچ و میخ بینیاز میکند که این امر به نوبه خود به کاهش وزن و هزینه ساخت میانجامد. چندلایههای دوخته شده شامل لایههایی اند که روی هم قرار گرفتهاند و هرکدام دارای یک زاویه دلخواه در محدوده (-۹۰,۹۰) نسبت به سیستم مختصات کلی هستند. بعنوان مثال لایهچینی هایی با ترتیب [۰°,۹۰°] و یا [۴۵°,-۴۵°] را میتوان طراحی و تولید کرد. البته غالبا جهت اجتناب از پدیده چروکیدگی[۷۶] و همچنین حذف تنشهایی که هنگام پخت لامینا رخ میدهند، از لایهچینی متقارن استفاده میشود]۱۲[. این پارچهها را چندلایههای پیشرفته چندراستا[۷۷] نیز مینامند]۱۹[.
شکل ۲-۲۰- شماتیک یک چندلایه دوخته شده سهبعدی ]۶[
چندلایههای دوخته شده نیز همانند انواع سهبعدیهایی که پیشتر ذکرشان رفت، دارای الیاف درون صفحهای و در جهت ضخامت میباشد؛ منتها تفاوتی که بین آنها و سه گونهی قبلی وجود دارد اینست که در دوختهشدهها، الیاف بعد سوم در قالب یک پروسه ثانویه روی لامیناهای پیشساخته دوبعدی دوخته میشوند در حالیکه در موارد قبلی همه الیاف درون و برون صفحهای در یک پروسه همزمان درهم پیچیده و تابیده و بافته میشوند.
شکل ۲-۲۱- نمای جانبی یک چندلایه دوخته شده و نخ دوخت آن ]۱۲[
الیاف نگهدارنده، تحت طرحها و الگوهای متعددی میتواند روی لامینای دوبعدی دوخته شود که از مرسومترین آنها میتوان به دوخت قفلی[۷۸]، دوخت قفلی تصحیح شده[۷۹] و دوخت زنجیرهای[۸۰] اشاره کرد.
شکل ۲-۲۲- الگوهای مختلف دوخت سهبعدی: دوخت قفلی تصحیح شده، قفلی و زنجیرهای ]۱۲[
این چندلایهها به هرکدام از سه صورت فوق که دوخته شوند، بسته به اینکه نخ دوخت چه الگویی را در حرکت روی پارچه انتخاب میکند، از نمای بالا به یکی از طرحهای زیر دیده میشوند.
شکل ۲-۲۳- طرح نمای فوقانی یک چندلایه دوختهشده: طرح مستقیم، قطری، زیگزاگ، دوخت جدولی]۱۲[
اما یکی از مهمترین معایب این روش، آسیبی است که از قِبَل دوختهشدن نخ نگهدارنده به الیاف پیشساختهی درون صفحهای وارد میشود. مهمترین این آسیبها عبارتند از: شکست فایبرهای درون صفحهای بخاطر تماس و برخورد با سوزن دوخت[۸۱]، ناهمراستایی فایبرهای درون صفحهای ناشی از اعوجاج آنها از مسیر مستقیم اولیه[۸۲]، شکلگیری نواحی کوچک پر از رزین و فاقد فایبر اطراف نخ دوخت[۸۳]، اعوجاج فایبرهای دوخت بعلت تراکم بالای لامینای اولیه[۸۴]، ترکهای ریز حول نخ دوخت که از اختلاف ضریب انبساط حرارتی آن و رزین پیرامونش ناشی میشود و میتواند موجب جداشدن نخ دوخت از کامپوزیت شود[۸۵]، تراکم فایبری بالا که بدینخاطر است که الیاف نگهدارنده در طول پروسه دوخت تحت یک نیروی کششی زیادی قرار میگیرند تا از محکم دوختهشدن آنها اطمینان حاصل گردد که این امر موجب بالا رفتن درصد حجمی فایبر در محصول میشود[۸۶].
در اشکال زیر نمونه های از این آسیبها نشان داده شدهاست.
الف ب
ج د
