آشنایی با فیبر سرامیک

فیبر سرامیک (‏غیر آلی)‏برخلاف فیبر آلی قابل‌اشتعال نیست و می‌تواند استحکام فیزیکی و در نتیجه ساختار خود را در دماهای بسیار بالا حفظ کند. آن‌ها کاربردهایی را در محیط‌های با دمای بسیار بالا پیدا می‌کنند. در این مقاله طیف وسیعی از این کاربردها و همچنین پیشرفت‌های تکنیک‌های تولید فیبر سرامیکی ارایه می‌کنیم که چطور خواص دمای بالای آن‌ها را افزایش می‌دهد. فیبر سرامیک به طور فزاینده‌ای به عنوان تقویت‌کننده در ماتریس رزین آلی برای کامپوزیت با کارایی بالا و فلزات مورد نیاز برای کاربردهای هوافضا و دریایی استفاده می‌شود.

از آنجا که رزین‌های آلی به طور بالقوه قابل‌اشتعال هستند، مهم است که کل سیستم کامپوزیت مقاوم در برابر آتش باشد. بیشتر منسوجات در طبیعت آلی هستند. از این رو آن‌ها قابل‌اشتعال هستند و در معرض توسعه گسترده سیستم‌های ضدحریق (نسوز) هستند. با این حال، چنین موادی نمی‌توانند استحکام فیزیکی خود را در دماهای بسیار بالا مثلا در منطقه ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد حفظ کنند.

چنین موادی برای کاربردهایی مانند توربین‌های گازی، برای مبدل‌های حرارتی هوایی و زمینی، دیواره‌ای محافظ اولیه برای راکتورهای همجوشی و هم چنین برای تصفیه گاز دما بالا که در آن نیازی به ماتریس‌های نسوز نیست، مورد نیاز هستند. عملیات در محیط‌های با دمای بالا برای حفظ بارگیری‌های استاتیک و دینامیک خود نیاز به فیبر سرامیک نسوز دارد. این امر تنها با کنترل دقیق ریز ساختارهای آن‌ها بدست می‌آید. ​

از آنجا که فیبرهای سرامیکی اغلب خواص نساجی ضعیفی دارند، بیشتر به عنوان عایق حرارتی نسوز و مواد ضدحریق برای کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر دمای حداقل ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد برای مدت طولانی دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. ​

آن‌ها تمایل دارند که ساختارهای پلی کریستال داشته باشند در نتیجه ویژگی‌های دمابالای استثنایی خود را دارند و اغلب در ابعاد فیبردار مناسب برای پردازش معمول نساجی تولید نمی‌شوند. آن‌ها معمولا به صورت تار و پود بافته نشده و مرطوب شده در دسترس هستند، و یا اگر به رغم مدول یانگ بالای خود، انعطاف‌پذیری کافی برای بافت داشته باشند، به عنوان پیش فرم‌های ترکیبی بافته‌شده در نظر گرفته می‌شوند.

پیش فرم ها همچنین باید قابل نفوذ توسط مواد ماتریس برای تولید ساختار مورد نیاز باشند. انعطاف‌پذیری با معکوس توان چهارم قطر مرتبط است. مشخص شد که عامل‌های موجود در ناحیه ۱۰ میکرون همراه با کرنش تا شکست حدود ۱ % % برای تقویت سرامیک مناسب هستند. با توجه به خواص مکانیکی دمای بالای آن‌ها در هوا، پلیمرهای حجمی آلومینا و کاربید سیلیسیم به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به دلیل وجود عیوب با اندازه بحرانی، این مواد حجیم عموما ضعیف هستند و در نتیجه به عنوان تقویت‌کننده در دماهای بالا ناتوان هستند. خوشبختانه اگر آن‌ها به شکل الیاف بسیار ریز باشند قدرت آن‌ها به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. ​

 با توجه به خواص مکانیکی دمای بالای آن‌ها در هوا، پلیمرهای حجمی آلومینا و کاربید سیلیسیم به طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند. خوشبختانه اگر آن‌ها به شکل الیاف بسیار ریز باشند قدرت آن‌ها به طور قابل‌توجهی افزایش می‌یابد. فیبرهای سرامیکی به عنوان تقویت‌کننده در کامپوزیت برای کاربردهای دمای بالا مناسب هستند.

فیبر سرامیک را نمی‌توان با چرخش معمولی و کشش از مواد مذاب به کار رفته برای پلیمرهای ترموپلاستیک و شیشه تولید کرد زیرا آن‌ها در دمای بالای ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد ذوب می‌شوند. از زمان معرفی مواد نسوز سرامیک در دهه ۱۹۸۰، توسعه فرایندهای ساخت منجر به کاتیون‌های اصلی تعدیلی در ریز ساختارها و استحکام مکانیکی چنین فیبرهایی شده‌است. ​

انواع فیبر سرامیکی

​فیبر سرامیکی با اهمیت بالای تجاری در کاربردهای دمابالا بعنوان یک الیاف نسوز، در دسته بندی های اصلی تقسیم می‌شود: آن‌هایی که مبتنی بر شیمی سیلیکات شیشه هستند، آن‌هایی که شامل سیلیکا به عنوان جزء اصلی هستند، آن‌هایی که شامل آلومینا به عنوان جزء اصلی و بقیه مانند کاربید سیلیسیم و بازالت هستند. دیگر مبدل‌ها با دمای بالا مانند بورنیترید و فیبر زیرکونیا وجود دارند اما چون آن‌ها با استفاده از تکنولوژی‌های سنتی نساجی پردازش نمی‌شوند از بحث ما حذف می‌شوند. ​

فیبر شیشه (گلاس فایبر)

​دسته بندی شیشه در رده فیبرهای بسیار حساس، از مدت‌ها پیش شناخته شده‌بود، اما در دهه ۱۷۰۰ بود که مشخص شد الیاف شیشه ریزبافت به اندازه کافی انعطاف‌پذیر بودند که به شکل پارچه بافته شوند. ​

کاربردهای فیبرهای شیشه‌ای را می توان در چهار دسته مختلف در نظر گرفت: ۱)‏عایق ۲)‏فیلتراسیون ۳)‏تقویت ۴)‏فیبر نوری. ​

عایق به بهترین شکل با استفاده از “پشم” بدست می‌آید، عملکرد گرمایی به طور مستقیم با رسانایی حرارتی پایین شیشه همراه با چگالی ماده آب جوش مرتبط است و همین امر موجب شکل گیری پشم شیشه می گردد. این فیبرها ساختار حمایتی “پشم” را برای حفظ حرارت فراهم می‌کند در حالی که هوای گرفتار شده نقش عمده‌ای در خواص عایق ایفا می‌کند. مقدار به دام افتادن هوا تابعی از قطر و پیکربندی آن است که با تکنیک اسپین فیبر تعیین می‌شود. در مورد میزان فیلتراسیون، مساحت سطح فیبرها و فضاهای بین آن‌ها مهم هستند. ​

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *