در این فصل، ابتدا به مواد کامپوزیتی و نقش آنها در خودرو می پردازیم سپس مواد حافظه دار را معرفی کرده و خواص آن را بررسی می کنیم. در این فصل، روابط پایه مواد کامپوزیتی و همچنین نحوه اعمال خواص فیبرهای حافظه دار مورد بررسی قرار می گیرد.
مواد کامپوزیت^[۱۹]
ماده مرکب یا کامپوزیت، ماده‌ای است که اولا از بیش از یک ماده ساخته شده است و ثانیا از مواد اورتوتروپیک است یعنی خواص مهندسی آن در راستاهای مختلف متفاوت است.
کامپوزیت‌ها، انواع گوناکون دارند که یکی از مهمترین آنها کامپوزیت‌های مخلوط رشته‌ای است که دارای دو جزء است:
زمینه
الیاف
زمینه انواع گوناگون دارد که عبارتند از:
فلزی
پلیمری
سرامیکی
الیاف انواع گوناگون دارد که عبارتند از:
شیشه
کربن
گرافیت
این کامپوزیت‌ها به صورت تک لایه^[۲۰] ساخته می‌شود که از اتصال تک لایه‌ها بر روی هم چند لایه^[۲۱] ایجاد می‌شود.
نقش کامپوزیت در صنعت خودروسازی
امروزه در دنیا با طراحی بهینه جرم و به کاربردن مناسب مواد سبک، وزن خودروها صرف نظر از نوع آنها می تواند تا ۵۰ درصد کاهش یابد که می تواند قسمتی یا تمام هزینه مربوط به استفاده از سیستم های پیشران جدید را جبران کند. در این خصوص بسیاری از مواد سبک می توانند به منظور کاهش وزن خودرو استفاده شوند. استفاده از مواد کامپوزیتی پیشرفته با الیاف پایه کربن در سازه اولیه خودرو^[۲۲] علاوه بر اینکه بیشترین کاهش وزن را به دنبال خواهد داشت، ضریب ایمنی خوبی در برخوردها به دنبال خواهند داشت. همچنین مزایای دیگری در پروسه تولید دارند و راه های متنوع و جدیدی در اسمبل کردن در اختیار طراح خط تولید قرار می دهند. نیاز به سرمایه اولیه پایین در بخش اسمبل کردن و رنگ کاری نسبت به روش های معمول نیز از دیگر برتری های استفاده از کامپوزیت های پیشرفته می باشد.
طرح های مواد کامپوزیتی معمولا بصورتی انتخاب می شوند که روند تولید راحتی داشته باشند و از نظر کاهش وزن در حد متوسطی باشند. برای مثال ترکیبات کامپوزیتهای الیاف شیشه SMC^[23] یک سیستم کامپوزیتی کاملا پرطرفدار می باشد که در خیلی از کاربردهای کامپوزیتی در خودروها استفاده می شود. کامپوزیتهای الیاف شیشه محبوبیت خود را مدیون قابلیت خود در شکل گیری خوب، پایین بودن سرمایه اولیه نسبت به فولاد و دانسیته پایین خود هستند. بنابراین، این خواص در مجموع کاهش هزینه و وزن خودرو را به دنبال خواهند داشت. با این حال، به خاطر اتفاقی بودن جهات الیاف، نسبت پایین حجمی الیاف و کارایی پایین الیاف مورد استفاده، بازدهی سازه ای آنها و درجه کاهش وزن توسط کامپوزیتهای الیاف شیشه و سایر مواد مشابه آنها، از حد متوسط بالاتر نرفته است و این باعث شده است که آنها نتوانند جایگزین مناسبی برای فولاد در سازه خودرو باشند.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

کامپوزیتهای پیشرفته مثل پلیمرهای پایه کربنی، جایی جایگزین مناسبی برای فولاد در سازه اتومبیل هستند که کاهش زیادی در وزن (در حدود ۶۰% در مقایسه با فولاد) مورد نیاز است. قیمت، یک چالش همیشگی برای طراحی خودرو مخصوصا نوع کامپوزیتی آن می باشد. در گذشته با وجود گران بودن این مواد نسبت به فولاد در قطعات غیر سازه ای از پلاستیک ها و کامپوزیتها، به دلیل صرفه جویی در هزینه اسمبل کردن استفاده شده اند.
در بدنه اتومبیل، مهمترین مساله طراحی مربوط به مقاومت سازه می باشد و سازه خودرو باید از مقاومت کافی برای اهداف تعیین شده برخوردار باشد بنابراین، بهترین جایگزین فولاد بر اساس نسبت هزینه بر واحد مقاومت مواد، آلومینیوم و کامپوزیت های الیاف کربن می باشند. اگر چه نسبت هزینه بر مقاومت ماده برای کامپوزیتهای کربنی از نسبت مشابه در آلومینیوم بیشتر است اما عوامل دیگری نظیر کاهش وزن، صرفه جویی در هزینه بدلیل یکپارچه سازی و سرهم کردن قطعات و ارزان بودن تجهیزات لازم سبب شده است تا در بسیاری از کاربردها در خودرو مقرون به صرفه باشد.
به علت مزایایی که قطعات کامپوزیتی نسبت به قطعات فلزی دارند و صرفه­جویی­هایی که در اثر استفاده از آنها ایجاد می­ شود، هر روز قطعات بیشتری از خودرو به قطعات کامپوزیتی تبدیل می­شوند.
این قطعات، به خاطر وزن مخصوص کم، دارای وزن کمتری نسبت به قطعات فلزی هستند. وزن تا حدود نصف و حتی بیشتر کاهش پیدا می­ کند. طبیعتاً این کاهش وزن در کاهش مقدار سوخت و استفاده از موتورهایی با قدرت کمتر و کوچکتر موثر خواهد بود. این مساله باعث صرفه­جویی در مصرف سوخت و در نتیجه کاهش آلودگی می­گردد. این مواد به ­طور متوسط در تمام خواص مکانیکی خواص بهتری نسبت به فلزات از خود نشان می­ دهند. این مسئله باعث افزایش عمر قطعات خواهد شد. این قطعات را می­توان با ماشین آلات کمتر و با سهولت بیشتری نسبت به فلزات و با تعداد بیشتری تولید کرد.
کامپوزیت های الیاف طبیعی مصرفی در قطعات خودروها علاوه بر داشتن حداقل خواص مکانیکی، از رفتار شکست بسیار خوبی برخوردار هستند. این کامپوزیت ها به صورت غیر ناگهانی و تدریجی می شکنند و همچنین در حین تصادفات، کمتر لبه های تیز و برنده که سرنشین خودرو را زخمی کند تولید می کنند. این کامپوزیت ها به طور خلاصه نسبت به مواد متداول از خواصی مناسب زیر برخوردارند:
۱) سطح نهایی بسیار صاف و نرمی دارند.
۲) ظاهر آنها بسیار بهتر از پلاستیک های ارزان قیمت است.
۳) ازنظر حرارتی در برابر شعله بسیار مقاوم تر از پلاستیک ها هستند.
۴) جاذب صداهای بیرونی هستند.
۵) به مرور زمان تغییر شکل نمی دهند.
۶) نسبت به تغییرات جوی همچون رطوبت مقاوم هستند.
۷) هزینه پایینی دارند.
شرکت‌های خودرو­سازی نظیر جنرال موتورز، فورد و دایملر-کرایسلر، تلاش تحقیقاتی قابل توجهی را بر روی توسعه کامپوزیت‌های پیشرفته برای مصارف خودرو قرار داده­اند. کرایسلر در تحقیقات کامپوزیت پیشتاز است و برنامه تحقیقاتی را از سال ۱۹۹۴ در دستور کار خود قرار داده و هدف آن تولید یک ماشین ارزان‌قیمت برای تولید در کشورهای در حال توسعه نظیر چین بود. نتیجه این برنامه، تولید CCV^[24] بود که در سال ۱۹۹۷ در نمایشگاه خودرو فرانکفورت به نمایش درآمد. اگرچه این خودرو هرگز تولید نشد ولی ثابت کرد که قطعات بزرگ ساخته شده از کامپوزیت، مقاومت لازم در برابر فشارهای حاصل از رانندگی و تصادف را دارند. در حال حاضر تلاش‌های دایملر- کرایسلر بر توسعه فرایند ساخت قطعات مجزا، مانند سقف­های محکم برای جیپ رانگلر, استوار شده است، به این امید که روزی بدنه کامل یک خودرو را با یک قالب تولید نماید.
خودرو‌های تماماً ساخته شده از کامپوزیت­های پیشرفته نیز از اهداف مورد توجه شرکت­های خودروسازی هستند. فولکس واگن اخیراً از برنامه­ای جهت توسعه یک خودرو بسیار کارآمد شهری (در اندازه مدل Geo-Metro) ساخته شده از کامپوزیت­های پیشرفته خبر داد.
مدل فولکس واگن Lupu که از کامپوزیت‌های پیشرفته ساخته شده است, برای تولید در سال ۲۰۰۴ برنامه­ ریزی شده است و ادعا می­ شود به ازای هر گالن سوخت دیزلی، مسافت ۲۳۵ مایل را طی می کند.
در چند سال آینده ما شاهد تولید انبوه، اولین خودرو­های ساخته شده از کامپوزیت‌های پیشرفته خواهیم بود. این خودرو­ها در حالی که بسیار شبیه خودرو­های امروزی خواهند بود کارایی و مصرف سوخت بسیار بهتری خواهند داشت.
مقدمه ای بر آلیاژهای حافظه دار
آلیاژهای حافظه‌دار، گروهی از آلیاژها می‌باشند که خواص متمایز و برتری نسبت به سایر آلیاژها دارند. این آلیاژها، مواد هوشمندی هستند که عناصر پایه تشکیل دهنده‌شان فلزی بوده و تحت شرایط محیطی و کاربردی مختلف، رفتار ترمودینامیکی، ترموالکتریکی و ترموشیمیایی منحصر به فردی از خود نشان می‌دهند. این مواد فلزی، بعد از تغییر شکل غیرالاستیک آشکار با اعمال حرارت به شکل اولیه خود بر می‌گردند و در محدوده دمای معین تا حدود ۱۰% می‌توانند تحت کرنش قرار گیرند و با حذف بار به شکل اولیه خود برگردند. نام این مواد آلیاژهای حافظه‌دار است و به خواص غیر معمول فوق در آن‌ها به ترتیب حافظه حرارتی^[۲۵] و سوپر الاستیستیه (حافظه الاستیک^[۲۶]) گفته می‌شود‌‌‌‌‌‌]‌۱۹.[ مبنای پدیده حافظه‌داری این آلیاژها تحول مارتنزیتی است یعنی در طی اعمال فرآیندهای حرارتی، مکانیکی و یا حرارتی ـ مکانیکی دچار تحول فازی آستنیت به مارتنزیت و یا برعکس می‌شوند، طوری که می‌توانند به ساختار فاز اصلی و یا فاز مادر برگردند. اثر سوپرالاستیک آنها نیز ناشی از همان تحول فازی و تبدیل غیرنفوذی جامد ـ جامد بین فاز بلوری مرتبه بالای آستنیت و فاز بلوری مرتبه پایین مارتنزیت می‌باشد. به طور کلی، آستنیت در مقادیر تنش کمتر و دمای بالاتر و مارتنزیت در مقادیر تنش بالاتر و دمای کمتر پایدار است [۲۰و۲۱].
خاصیت حافظه‌داری از اواسط دهه ۱۹۵۰ در نتیجه تحول مارتنزیت در آلیاژهای دارای پایه مس کشف شد. در اوایل دهه ۱۹۶۰ محققان آزمایشگاه مهمات‌سازی نیروی دریایی آمریکا به این ویژگی در آلیاژهای Ni – Ti (Nitinol)^[27] پی بردند]‌۱۹[. از آن پس آلیاژهای حافظه‌دار به صورت قابل ملاحظه‌ای توسعه یافتند و کشف مزایای اساسی و برتر آن‌ها روز به روز افزایش یافت. آزمایش‌های گسترده حاکی از آن است که آلیاژهای NiTi تطابق زیستی در خور توجهی دارند. استفاده از ایمپلنت‌های دائمی در شاخه‌های مختلف پزشکی در کشورهای ژاپن، آلمان، چین و روسیه به اوایل ۱۹۸۰ بر‌گردد. قابلیت استهلاک بالای آلیاژهای NiTi ناشی از اصطکاک داخلی زیاد دوقلوئی^[۲۸] موجود در فاز مارتنزیت و یا مخلوط فازهای مارتنزیت و آستنیت می‌باشد. این ویژگی باعث بررسی و به کارگیری آن‌ها به عنوان میراکننده در سیستم‌های ایزولاسیون سازه‌های ساختمانی، پل‌ها و بزرگراه‌ها برای مقابله با اثرات زمین لرزه گردیده است ]۲۳، ۲۲، ۲۱ [. به علاوه، این مواد با تغییر دادن سختی و تنش در سازه‌ها و در نتیجه جابه‌جا کردن فرکانس‌های طبیعی سبب بهبود خواص ارتعاشی می‌شوند.
این آلیاژها، بدلیل ویژگی‌های مکانیکی بی‌نظیر خود نسبت به سایر آلیاژهای حافظه‌دار، توجه اغلب پژوهشگران را به خود جلب کرده‌اند. محدوده وسیع کرنش ارتجاعی تا ۸% ، استحکام کششی نهایی خیلی خوب (تا MPa1000)، افزایش طول ۵۰% تا لحظه از کارافتادگی، بازیابی تنش تا MPa800، قابلیت دمپینگ هیسترزیس عالی، قابلیت مطمئن جذب انرژی بالا بر اساس فرایند تبدیل فاز تکراری در حالت جامد ، کرنش سختی در مقدار کرنش بیش از ۶%، ویژگی­های خستگی عالی در سیکل­های کم و زیاد و مقاومت به خوردگی عالی ، مواردی از این خواص هستند [۲۴ ، ۲۵].
اثر حافظه شکلی، سوپرالاستیسیته، قابلیت بالای استهلاک، سازگاری زیستی خوب، مقاومت بالا، مقاومت به خوردگی‌ بالا و انعطاف‌پذیری باعث شده‌اند که آلیاژهای حافظه‌دار کاربردهای فراوانی را در شاخه‌های پزشکی، صنایع و به ویژه هوافضا به خود اختصاص دهند. از کاربردهای پزشکی آنها به ایمپلنت‌های ارتوپدی، فیلترها، سیم‌های ارتدونسی، انبرک بافت برداری و استنت‌ها (میکروسازه‌های خودانبساط) برای رفع انسداد اندام توخالی یا سیستم لنفاوی بدن می‌توان اشاره کرد [۲۶،۲۷،۲۸].
کوپلینگ‌ها و محکم‌کننده‌ها، مکانیزم‌های رهاکننده، عملگرهای حرارتی و الکتریکی و میکروعملگرها در ایستگاه‌های فضایی، ماهواره‌ها یا ربات‌ها مانند مسیریاب مریخ و نیز برخی اجزاء تلسکوپ فضایی هابل موارد مختصری از کاربردهای غیرپزشکی آلیاژهای حافظه‌دار هستند [۲۹،۳۰،۳۱]. رفتار شبه الاستیک آلیاژهای NiTi قابلیت جذب انرژی هیسترزیس منحصر به فردی است که این مواد را به عنوان کاندید ماندگاری برای کنترل ارتعاشات سازه ای و یا غیر فعال مطرح می سازد. کاهش سفتی آلیاژهای حافظه­دار در طی تبدیل فاز نیز آنها را به عنوان جاذب یا دمپر ارتعاشی در مقابل پدیده­هایی مانند زمین لرزه مفید می­سازد. در ۲۰ سال اخیر، بکارگیری SMA در تجهیزات عایق‌سازی و جذب و کنترل ارتعاشات مختلف از جمله زمین‌لرزه در کشورهای اروپایی و ژاپن یکی دیگر از کاربردهای گسترده این مواد می‌باشد [۳۲-۳۵]. قابلیت ایجاد سفتی متغیر و امکان تنظیم سفتی سیم‌های SMA باعث شده است که جاذب‌های ارتعاشی قابل تنظیم براساس سیم‌های SMA مورد مطالعه و بررسی قرار گیرند. امکان کنترل ارتعاشات در پهنای وسیع‌تری از فرکانس کاری در مقایسه با جاذب‌های غیرفعال، از مزیت‌های این کاربرد می‌باشد [۳۶].
ویژگیها و کاربردهای آلیاژهای حافظه دار
آلیاژهای حافظه‌دار با ویژگی‌های متمایز و برتر طیف وسیعی از کاربردهای نوین را به خود اختصاص داده‌اند. سیم‌های ارتدونسی و میکروسازه‌های خود انبساط مورد استفاده در اندام توخالی یا انسداد سیستم لنفاوی نمونه‌هایی از کاربرد سوپرالاستیسیته هستند و در عضوهایی مانند محکم‌کننده‌ها و کوپلینگ لوله‌های هواپیما و رابط بردهای کامپیوتری و لوازم به‌کاررفته در کنترل سازه‌های فضایی مانند آنتن‌ها و صفحات خورشیدی از اثر حافظه شکلی بهره‌برداری شده است ]۱۹[.
خاصیت حافظه دار بودن
شکل ۲-۱ درصد حجمی فاز مارتنزیت را بر حسب دما نشان می‌دهد. دمای شروع تشکیل فاز مارتنزیت(M_s)، دمای پایان تشکیل فاز مارتنزیت(M_f)، دمای شروع تشکیل فاز آستنیت(A_s) و دمای پایان تشکیل فاز آستنیت(A_f) می‌باشد. فاز مارتنزیت در دمای کمتر از M_f و فاز آستنیت در دمای بیش از A_f پایدار است. تبدیل فاز آستنیت به مارتنزیت در طی سرد کردن آلیاژ و عبور از M_s شروع شده و در کمتر از دمای M_f درصد حجمی این فاز به ۱۰۰% می‌رسد. همچنین فاز مارتنزیت می‌تواند طی بارگذاری بر روی فاز آستنیت در دمای A_f<T<M_d تشکیل شود که به آن مارتنزیت متأثر از تنش^[۲۹] گویند. در دمای M_d > T فاز مارتنزیت ناشی از تنش بدست نمی‌آید.
شکل ‏۲‑۱ نمودار تحول فازی ناشی از تغییر دما
شکل ‏۲‑۲ نمودارهای تنش – کرنش در دماهای مختلف
تشکیل فاز آستنیت در طی حرارت دادن به فاز مارتنزیت با عبور از A_s شروع شده و در دمای بیش از A_f تمام ساختار آلیاژ را در برمی‌گیرد. مارتنزیت فاز نرم با نظم بلوری کمتر و آستنیت با استحکام بالا و نظم بلوری بهتر می‌باشد. شکل ۲-۲ نمودار تنش – کرنش آلیاژ Ni-Ti را در دماهای مختلف نشان می‌دهد. منحنی آستنیت(T>M_d) مانند رفتار یک ماده معمولی به نظر می‌رسد، در حالی که منحنی مارتنزیت (T<M_f) کاملاً غیر طبیعی است ]۱۹[.
اثر حافظه‌دار بودن آلیاژ می‌تواند برای ایجاد حرکت، نیرو و یا هر دو به کار رود. پدیده‌های مختلف را مطابق نمودار‌های تنش – کرنش شکل ۲-۳ می‌توان تشریح نمود. یک سیم کششی مستقیم را که در انتها ثابت است، در نظر می‌گیریم. کشیدن سیم در دمای اتاق باعث افزایش طول آن پس از حذف بار می‌شود. اگر در دمای بیش از دمای استحاله(T>A_f) به آن حرارت داده شود، سیم به حالت اولیه یعنی حالت بدون بار برمی‌گردد. سرد کردن بعدی سیستم تا دمای کمتر از M_s، باعث تغییر شکل ماکروسکوپی در آلیاژ نخواهد شد(اثر یک طرفه)^[۳۰]. اگر بعد از کشیده شدن سیم در دمای اتاق، از بازگشت آن به طول اولیه جلوگیری شود و تحت اثر حرارت در دمای بیش از دمای استحاله مارتنزیتی قرار گیرد، نیروی قابل توجهی ایجاد می‌کند. در حالت سوم اگر نیروی مخالف ایجاد شده توسط سیم بر شرایط موجود فائق آید، می‌تواند باعث ایجاد حرکت شود و کار انجام دهد. برای مثال به محض اعمال حرارت سیم منقبض شده و می‌تواند باری را بالا ببرد. با سرد کردن، بار موجود سیم مارتنزیت را خواهد کشید و مکانیزم به حالت اولیه باز می‌گردد(اثر دو طرفه)^[۳۱]
شکل ‏۲‑۳ اثرات حافظه دار بودن در نمودارهای تنش – کرنش
خاصیت سوپرالاستیسیته^[۳۲](فوق‌کشسانی)
اگر یک سیم در دمای M_d>T>A_f بارگذاری شود، پس از رسیدن به مارتنزیت ناشی از تنش پدید می‌آید و در مقدار تنش تقریباً ثابت، طول سیم تا حدود ۸% کرنش افزایش می‌یابد (شکل ۲-۴)، در این ناحیه رفتار غیرخطی ناشی از تبدیل تمام آستنیت به مارتنزیت مشاهده می‌شود. با حذف بار فاز مارتنزیت به‌ طور ارتجاعی به سطح تنش می‌رسد و از این نقطه استحاله معکوس از مارتنزیت به آستنیت رخ می‌دهد که نتیجه ناپایداری فاز مارتنزیت در دمای موجود است. در پایان، با تبدیل کامل فاز مارتنزیت به آستنیت، سیم به طور ارتجاعی طول اولیه خود را با ایجاد حلقه هیسترزیس تنش بدست می‌آورد ]۳۷ [. این پدیده که با وجود رفتار غیرخطی، تغییر شکل دائمی را در برندارد، خاصیت فوق‌کشسانی نام دارد. به این ترتیب تحول فازی ناشی از القاء تنش در دمای ثابت، باعث شکل‌گیری رفتار سوپر الاستیک و حلقه هیسترزیس می‌شود. حلقه هیسترزیس‌ ناشی از انرژی فصل مشترک بین فازها، عیوب شبکه‌ای مانند جابجایی‌ها، عیوب ارتجاعی فازها، اندرکنش ارتجاعی فازهای متفاوت مجاور و غیره می‌باشد.