مروری بر روش های پخت کامپوزیت های پلیمری پیشرفته
کامپوزیت های پلیمری پیشرفته کاربردهای زیادی در حوزه های مختلف من جمله هوافضا، انرژی بادی، خودروسازی، زیرساخت ها و حتی صنایع مصرفی دارند. بسیاری از روش های پخت به منظور کاهش هزینه های ساخت و افزایش کیفیت کامپوزیت های پلیمری پیشرفته، که همچنان یک موضوع چالش برانگیز است، مورد بررسی قرار گرفته اند. فرایند پخت اتوکلاو که استفادۀ زیادی در پخت این کامپوزیت ها با کارایی بالا دارد، با افزایش تصاعدی هزینه ها و محدود کردن استفاده از کامپوزیت های پلیمری پیشرفته کار و سرمایه را دچار ریسک می کند. محققان و صنایع مدتهاست که علاقه مند به کشف و توسعۀ روش های پخت کم هزینه و مناسب برای ساخت این نوع کامپوزیت ها بوده و روش های جایگزینی مانند پرتودهی و پخت حرارتی را نیز بررسی کرده اند. در این مقاله، به بررسی روش های پردازش پرتویی (اشعه گاما، اشعه ایکس، ماوراء بنفش، پرتوهای الکترونی شتاب دار)، پخت حرارتی (حرارت تابشی، مادون قرمز، لیزر و مایکروویو)، گرمایش همرفتی و رسانایی (گاز گرم، شعله، کوره، کفشک گرم)، گرمایش القایی، گرمایش اولتراسونیک، گرمایش مقاومتی و افزودنی های حرارتی (ذرات مغناطیسی، ذرات جاذب NIR) و دیگر روش های پخت حرارتی برای پخت و پردازش کامپوزیت های پلیمری پیشرفته پرداخته شده است. همچنین، مکانیسم پخت و کاربرد فعلی فرایندهای مختلف پخت نیز بررسی شده و مزایا و معایب آنها نیز با توجه به مواد اولیه، هزینه، امکان سنجی و کیفیت پخت ذکر شده است.
مواد کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف، با توجه به نسبت سختی به وزن و استحکام به وزن بالا یا خستگی و خوردگی زیاد، بعنوان کامپوزیت های پلیمری پیشرفته نیز شناخته می شوند که مهم ترین مزیت آنها کاهش وزن محصول نهایی در هوافضا، انرژی بادی، خودروسازی، زیرساخت ها و صنایع مصرفی است. 50 درصد از وزن جدیدترین هواپیمای بوئینگ 787 از کامپوزیت تشکیل شده است و ایرباس A350 XWB همچنین قصد دارد میزان استفاده از کامپوزیت در ساخت هواپیما را به حدود 53 درصد افزایش دهد. در سال های اخیر، کاربرد کامپوزیت پلیمری پیشرفته برای ساخت انواع قطعات و اجزای ساختاری بزرگ و پیچیده در حال تبدیل شده به واقعیت است؛ برای مثال بال و بدنه هواپیما، پره های توربین بادی تا بیش از 70 متر، واگن های ریلی، بدنۀ کامیون ها و غیره. امروزه، از فرایند پخت حرارتی با کمک فر یا اتوکلاو بیشتر از دیگر روشها استفاده می شود. از آنجایی که پلیمرها و کامپوزیت های ساخته شده از آنها رسانایی حرارتی پایینی دارند، فرایندهای معمول پخت حرارتی برای کامپوزیت های پلیمری پر هزینه بود و زمان بر هستند. برای حفظ پروفیل دما بدون تجزیه کامپوزیت، از گرمای بسیار پایین (2-1 درجه سلسیوس) در حین فرایند پخت استفاده می شود که منجر به افزایش چرخه های پخت با مصرف بالای انرژی خواهد شد. در برخی کاربردهای خاص که به ورقه های ضخیم تا صدها میلی متر نیاز است، پخت غیرهمگن با تنش های حرارتی زیاد به دلیل گرادیانت دمایی زیاد مشکل ساز است. به ویژه در مورد پخت اتوکلاو با کارایی بالا که افزایش سایز و ضخامت محصول نهایی را به دنبال دارد:
-چرخۀ پخت طولانی با مصرف بالای انرژی
- پخت غیرهمگن با تنش های حرارتی زیاد به دلیل گرادیانت دمایی اجتناب ناپذیر
- افزایش تصاعدی هزینه ها با افزایش سایز قطعات کامپوزیت
علاوه براین، در بسیاری از موارد دسترسی به کوره یا اتوکلاو بزرگ امکان پذیر نیست. شرکت امریکایی ASC Process Systems بزرگترین اتوکلاو جهان را برای تأمین نیازهای پخت کامپوزیت اپوکسی/ الیاف کربنی برای ساخت بوئینگ 787 توسعه داد اما محدودیت اندازه همچنان یک چالش بزرگ است که استفاده از کامپوزیت پلیمری را در صنعت هوافضا محدود می کند. با این حال، محققان و صنایع مدتهاست که علاقه مند به کشف و توسعۀ روش های پخت کم هزینه و مناسب برای ساخت این نوع کامپوزیت ها بوده و روش های جایگزین را نیز مورد بررسی قرار داده اند. با توجه به مکانیسم پخت، فناوری های پخت را می توان به پخت پرتویی و پخت حرارتی تقسیم کرد. در این مقاله، به بررسی مکانیسم پخت و وضعیت امروزی این مکانیسم برای ساخت کامپوزیت های پلیمری پیشرفته، علاوه بر چالش های پیش رو پرداخته شده است.
روش پخت کم هزینه و مناسب برای تهیه کامپوزیت های پلیمری پیشرفته بسیار مورد توجه دانشگاهیان و صنایع بوده و همچنان بعنوان یک موضوع چالش برانگیز در حوزه های تحقیقاتی مطرح است. برای انتخاب روش پخت مناسب، بایستی برخی از معیارها همچون مواد اولیه (در دسترس بودن، فراوان بودن، داشتن پتانسیل کافی)، کاربرد (سرعت پخت/گرمایش، دانش تکنیکال، دشواری و کنترل پذیری)، قابلیت نفوذ (ماتریس پلیمری، الیاف کربن و الیاف شیشه، الیاف طبیعی) و هزینه (سرمایه گذاری، اجرا و توسعه) را در نظر گرفت. در جدول زیر ارزیابی روش های پخت توصیف شده با توجه به معیارها و الزامات کاربردی ارائه شده است.
جدول 1:
این جدول همچنین مبنای انتخاب خوبی از فرایندهای گرمایش و پخت برای کاربردهای مختلف پلیمر و کامپوزیت های پلیمری با توجه به الزامات فنی خاص ارائه می دهد. با توجه به مکانیسم جذب انرژی ویژه در پخت پرتودهی، پرتوها مزیت تکنولوژیکی منحصر به فردی نسبت به فرایند پخت حرارتی من جمله سرعت پخت بالا، راندمان انرژی، بهبود پایداری رزین و غیره دارند. با این حال، استفاده از روش پرتویی به مواد حساس به تشعشع نیاز دارد که در حال حاضر بعنوان مواد پخت حرارتی بالغ محسوب نمی شوند. علاوه براین، اگرچه منابع تابشی با انرژی بالا من جمله پرتوهای گاما، اشعه ایکس و یا پرتوهای الکترونی می توانند عمیقآ به کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف کربن نفوذ کنند؛ اما با توجه به ماهیت بالای رادیواکتیو و انرژی پایین برای پخت کامپوزیت های پلیمری مناسب نیستند. پخت حرارتی، با در نظر گرفتن سیستم پخت حرارتی بالغ و فرایندهای پخت، تا حد زیادی محبوب ترین روش پخت برای کامپوزیت های پلیمری است اما همچنان چالش برانگیز است. روش های گرمایش پرتوهای مادون قرمز و لیزر معمولی با مکانیسم "گرمایش سطح" مواجه هستند، در حالی که تابش مایکروویو به دلیل ماهیت اتصال با کامپوزیت های تقویت شده با الیاف کربن محدود شده است. با این حال، میتوان گفت که روش های گرمایش همرفتی و رسانایی که در آن انتقال حرارت با گرادیانت دما به دلیل رسانایی حرارتی کم پلیمرها منحر به طولانی شدن چرخه های پخت می شود. دیگر روش های گرمایش جدید همچون گرمایش القایی، اولتراسونیک، مقاومتی و افزودنی های حرارتی جایگزین های بالقوه ایی برای ساخت کامپوزیت های پلیمری پیشرفته محسوب می شوند اما همچنان به بررسی بیشتری در مورد مکانیسم پخت، کارایی و انعطاف پذیری آن نیاز است.
