پراکندگی فیبر یکی از مهم ترین عواملی است که بر عملکرد و سازگاری مواد کامپوزیت تقویت شده با فیبر تأثیر می گذارد.

هنگامی که فیبرهای کوتاه به یک پلیمر، رزین، سیمان، پوشش یا ماتریس دیگر اضافه می شوند، هدف فقط اضافه کردن درصد خاصی از فیبر نیست.تا حد ممکن به طور یکنواخت در سراسر ماتریس توزیع می شودتا بتونه به طور موثر کار کنه.

پراکندگی ضعیف می تواند مناطق غنی از فیبر، مناطق غنی از رزین، تجمع ها، حفره ها و خواص مکانیکی ناسازگار ایجاد کند.به ماتریس کمک می کند تا فیبر های فردی را احاطه کند و کارایی انتقال استرس بین فیبر و ماتریس را بهبود بخشد..

این موضوع به یک سوال مهم برای تولید کنندگان کامپوزیت منجر می شود:

چه چیزی پراکندگی فیبر در مواد کامپوزیت را تعیین می کند؟

جواب یک پارامتر واحد نیست.

طول فیبر، قطر، نسبت ابعاد، درمان سطح، سازگاری فیبر-ماتریکس، روش مخلوط، نیروی برش، دمای، زمان مخلوط و غلظت فیبر همه می توانند بر پراکندگی تأثیر بگذارند.

برای تولیدکنندگان انتخاب کنندهالیاف کوتاه، الیاف فوق کوتاه، الیاف پلی استر، الیاف شیشه ای، الیاف کربن، الیاف طبیعی یا الیاف تقویت شده ویژه، درک این عوامل می تواند به کاهش مشکلات پردازش و بهبود ثبات مواد نهایی کمک کند.

پراکندگی فیبر چیست؟

پراکندگی فیبر به چگونگی توزیع یکنواخت فیبر های تقویت کننده در سراسر یک ماده ماتریس اشاره دارد.

در یک کامپوزیت ایده آل، فیبرهای فردی باید از یکدیگر جدا شده و توسط ماتریس احاطه شده باشند.

یک ساختار ساده به نظر می رسد:

پراکندگی خوب

فیبر → ماتریس → فیبر → ماتریس → فیبر → ماتریس

به جاي:

پراکندگی ضعیف

رشته فیبر → منطقه غنی از ماتریس → رشته فیبر → تجمع بزرگ

هنگامی که فیبر ها بسته ها یا تجمعات را تشکیل می دهند، ماتریس ممکن است سطوح فیبر را کاملاً مرطوب نکند. این می تواند مناطق ضعیف ایجاد کند و انتقال استرس موثر را کاهش دهد.تحقیقات مربوط به کامپوزیت های فیبر کوتاه به طور مداوم پراکندگی فیبر و تعامل فیبر-ماتریکس را به عنوان عوامل مهمی که بر عملکرد کامپوزیت تأثیر می گذارد، شناسایی می کند.

بنابراین، پراکندگی فیبر فقط یک مسئله بصری نیست.

می تواند به طور مستقیم بر:

• مقاومت کششی
• قدرت انعطاف پذیری
• مقاومت در برابر ضربه
• سفتی
• ثبات ابعاد
• کیفیت سطح
• خواص الکتریکی
• خواص حرارتی
• عملکرد تصفیه
• سازگاری پردازش

چرا پراکندگی فیبر در مواد کامپوزیت مهم است؟

یک فیبر تقویت کننده تنها زمانی می تواند به طور موثر کمک کند که ماتریس اطراف بتواند استرس را به فیبر منتقل کند.

این نیاز به تماس کافی بین فیبر و ماتریس دارد.

اگر فیبرها به طور ضعیف پراکنده شوند، چندین مشکل ممکن است رخ دهد:

• تجمع فیبر
• تقویت نامناسب
• خیس شدن ضعیف
• افزایش خال ها
• رابط های ضعیف
• غلظت استرس محلی
• عملکرد مکانیکی متناقض

پراکندگی خوب به فیبرهای فردی کمک می کند تا توسط ماتریس احاطه شوند، که می تواند تماس بین چهره را بهبود بخشد و تشکیل خلا را کاهش دهد.

به همین دلیل، تولید کنندگان باید در نظر بگیرندپراکندگی فیبر و چسبندگی فیبر ماتریس با هم، به جای اینکه آنها را به عنوان دو عامل کاملا مستقل در نظر بگیریم.

1طول فیبر چگونه بر پراکندگی تاثیر می گذارد؟

طول فیبر یکی از مهم ترین متغیرهاست.

فیبر های طولانی تر می توانند پتانسیل تقویت بیشتری را فراهم کنند زیرا آنها سطح بیشتری را برای انتقال استرس فراهم می کنند و می توانند نسبت ابعاد بالاتر را به دست آورند.

با این حال، الیاف طولانی تر نیز بیشتر احتمال دارد:

• پیچ و تاب
• خم کن
• بسته های فرم
• در هنگام مخلوط کردن به طور مکانیکی آسیب می بینند
• غلظت مخلوط را افزایش دهید
• تفرقه ی یکنواخت را سخت تر کنید

تحقیقات نشان داده است که فیبر های طولانی تر می توانند تمایل بیشتری به تجمع داشته باشند، در حالی که مخلوط کردن فشرده می تواند پراکندگی را بهبود بخشد اما همچنین می تواند فیبر ها را به دلیل برش مکانیکی کوتاه کند.

این یک تعادل عملی در تولید ایجاد می کند:

فیبر طولانی تر → تقویت بالقوه بهتر

اما همچنین:

فیبر طولانی تر → پتانسیل پراکندگی دشوارتر

بنابراین، طولانی ترین فیبر ممکن به طور خودکار بهترین انتخاب نیست.

طول مطلوب فیبر بستگی به:

• ويسکوزيت ماتريسي
• قطر فیبر
• بارگذاری فیبر
• تجهیزات مخلوط
• دمای پردازش
• خواص مکانیکی هدف
• ساختار محصول نهایی

2آیا قطر فیبر بر پراکندگی تاثیر می گذارد؟

-آره.

قطر فیبر بر اندازه فیبر تاثیر می گذاردمساحت سطح، نسبت ابعاد، انعطاف پذیری، رفتار بسته بندی و تعامل با ماتریس.

برای یک طول فیبر داده شده، کاهش قطر فیبر نسبت ابعاد را افزایش می دهد.

نسبت ابعاد را می توان به صورت زیر بیان کرد:

نسبت ابعاد = طول فیبر ÷ قطر فیبر

به عنوان مثال:

یک فیبر ۱ میلی متری با قطر ۱۰ میکرومتر نسبت ابعاد تقریبا ۱۰۰ دارد.

یک فیبر ۱ میلی متری با قطر ۲۰ میکرو متری دارای نسبت ابعاد تقریباً ۵۰ است.

نسبت ابعاد بالاتر می تواند برای تقویت مفید باشد، اما همچنین بسته به سیستم مواد، پردازش فیبر را دشوارتر می کند.

الیاف بسیار نازک همچنین می توانند کل سطح را که باید توسط ماتریس مرطوب شود افزایش دهند.

بنابراین، تولید کنندگان باید تعادل کنند:

قطر فیبر + طول فیبر + ويسکوزیتی ماتریس + سازگاری سطحی

3چرا درمان سطح مهم است؟

درمان سطح فیبر می تواند به طور قابل توجهی بر نحوه تعامل فیبر با ماتریس تأثیر بگذارد.

این امر به ویژه زمانی که فیبر و ماتریس دارای ویژگی های شیمیایی متفاوت هستند، مهم است.

به عنوان مثال، فیبر های طبیعی به طور کلی هیدروفیل هستند، در حالی که بسیاری از ماتریس های پلیمری نسبتا هیدروفوب هستند.

این تفاوت می تواند رطوبت و پراکندگی یکنواخت را دشوارتر کند. بنابراین، اصلاحات سطح و عوامل اتصال معمولا برای بهبود سازگاری بین فیبر و ماتریس مورد مطالعه قرار می گیرند.

درمان سطح می تواند تغییر کند:

• انرژی سطح
• رطوبت
• خشکی سطح
• سازگاری شیمیایی
• چسبندگی فیبر ماتریس
• تعامل فیبر فیبر

روش های مشترک می تواند شامل:

• درمان با سیلان
• درمان پلاسما
• اکسید
• پوشش
• اصلاحات شیمیایی
• عوامل اتصال
• سازگاری دهنده ها

هدف این نیست که فیبر را از نظر شیمیایی قوی تر کنیم.

در عوض، هدف اغلب این است کهسطح فیبر با ماتریس اطراف سازگارتر است.

4مخلوط کردن چگونه بر پخش فیبر تاثیر می گذارد؟

مخلوط کردن یکی از مهم ترین متغیرهای پردازش است.

حتی اگر مشخصات فیبر عالی باشد، شرایط مخلوط ضعیف هنوز هم می تواند تجمع ایجاد کند.

پارامترهای مهم شامل:

• سرعت مخلوط
• زمان مخلوط کردن
• نیروی برش
• درجه حرارت
• پیکربندی پیچ
• روش تغذیه
• ويسکوزيت ماتريسي
• توالی اضافه کردن فیبر

مخلوط کردن شدیدتر می تواند پراکندگی را بهبود بخشد، اما برش بیش از حد نیز می تواند به فیبر آسیب برساند و طول موثر آنها را کاهش دهد.مطالعات پلیمرهای تقویت شده با فیبر نشان داده است که این تعادل بین پراکندگی و حفظ طول فیبر.

به عنوان مثال، تحقیقات اخیر در مورد پردازش فیبر شیشه ای / پلی پروپیلن نشان داد که عناصر مخلوط پیچ مختلف می توانند تعادل های مختلفی بین حفظ طول فیبر و پراکندگی ایجاد کنند.مخلوط شدن با برش بالاتر می تواند باعث پراکندگی شود، در حالی که پردازش برش پایین تر می تواند طول فیبر را بهتر حفظ کند.

این به این معنی است:

حداکثر شدت مخلوط کردن همیشه بهترین شرایط پردازش نیست.

هدف باید این باشدپراکندگی کافی با آسیب قابل قبولی به فیبر.

5چگونه بارگذاری فیبر بر پخش تاثیر می گذارد؟

غلظت فیبر نیز مهم است.

هنگامی که بار فیبر افزایش می یابد، فاصله بین فیبر های فردی کاهش می یابد.

در غلظت های به اندازه کافی بالا، الیاف می توانند با هم ارتباط بیشتری داشته باشند و شکل می گیرند:

• بسته ها
• شبکه ها
• گروه ها
• مناطق غنی از فیبر

در عین حال، افزایش محتوای فیبر مقدار ماتریس موجود برای مرطوب و جدا کردن فیبر های فردی را کاهش می دهد.

بنابراین، صرفاً افزایش بار فیبر لزوماً باعث تقویت بهتر نمی شود.

بارگذاری مطلوب به موارد زیر بستگی دارد:

• نوع فیبر
• هندسه ی فیبر
• سطح فیبر
• ويسکوزيت ماتريسي
• تجهیزات مخلوط
• عملکرد مکانیکی مورد نیاز

6چطوری لزگی ماتریس بر پخش فیبر تاثیر میذاره؟

ويسکوزیتی ماتریس اغلب در هنگام انتخاب فیبر نادیده گرفته می شود.

اگر ماتریس بیش از حد چسبناک باشد، ممکن است فیبر ها در هنگام مخلوط کردن در حرکت و جدا شدن مشکل داشته باشند.

اگر ماتریس بیش از حد مایع باشد، قرار گرفتن فیبر یا جدایی ممکن است بسته به سیستم مواد یک نگرانی باشد.

ويسکوزيت ماتريس هم بررطوبت فیبر.

مرطوب کردن خوب به ماتریس اجازه می دهد تا سطح فیبر را به طور موثرتر احاطه کند.مرجعیت های کامپوزیت تقویت شده با فیبر، واسکوزیتی ماتریس و انرژی سطحی را به عنوان عوامل مهم در دستیابی به رطوبت موثر شناسایی می کنند..

بنابراین، پراکندگی فیبر همیشه باید همراه با دمای پردازش و رفتار رئولوژیکی ماتریس ارزیابی شود.

طول فیبر در مقابل پراکندگی: آیا طولانی تر همیشه بهتر است؟

نه، نه

این یکی از رایج ترین سوء تفاهم ها در تولید فیبر کوتاه کامپوزیت است.

فیبر های طولانی تر می توانند پتانسیل تقویت بیشتری را فراهم کنند، اما طول بیش از حد می تواند پیچیدگی را افزایش دهد و پراکندگی یکنواخت را دشوارتر کند.

تحقیقات روی مواد ترکیبی فیبر طبیعی نشان داده است که افزایش طول فیبر می تواند خواص مکانیکی را تا حدودی بهبود بخشد،بعد از آن افزایش بیشتر می تواند باعث مشکلات پردازش و رطوبت شود.

بنابراین یک رویکرد عملی این است:

طول فیبر را بر اساس روش نهایی استفاده و پردازش انتخاب کنید، نه انتخاب حداکثر طول موجود.

عوامل پراکندگی فیبر در یک نگاه

چگونه تولیدکنندگان می توانند توزیع فیبر را بهبود بخشند؟

راه حل جهانی وجود ندارد زیرا سیستم های ترکیبی مختلف نیاز به استراتژی های پردازش متفاوت دارند.

با این حال، تولید کنندگان می توانند با چندین رویکرد عملی شروع کنند.

1. طول مناسب فیبر را انتخاب کنید

به طور خودکار طولانی ترین فیبر را انتخاب نکنید.

طولی را انتخاب کنید که تقویت کافی را فراهم می کند در حالی که با فرآیند مخلوط سازگار است.

2قطر فايبر کنترل

قطر را همراه با طول ارزیابی کنید به جای اینکه هر یک از پارامترها را به صورت مستقل در نظر بگیرید.

3. بهبود سازگاری سطح

برای سیستم های پیچیده فیبر متریکس، درمان سطح یا عوامل اتصال ممکن است رطوبت و اتصال رابط را بهبود بخشد.

4. مخلوط کردن را بهینه کنید

تنظیم کنید:

• سرعت مخلوط
• زمان مخلوط کردن
• درجه حرارت
• تراش
• توالی تغذیه

هدف این است که توزیع یکنواخت بدون شکستن بیش از حد فیبر باشد.

5کنترل بارگذاری فیبر

محتوای فیبر بالاتر باید همراه با ظرفیت مخلوط مناسب و ویژگی های جریان ماتریس باشد.

6. بعد از پردازش طول فیبر را ارزیابی کنید

طول فیبر اصلی که در ورق مشخصات ذکر شده است ممکن است با طول فیبر نهایی پس از اکستروژن یا ترکیب یکسان نباشد.

برش مکانیکی می تواند فیبر را در طول پردازش کوتاه کند.

بنابراین تولید کنندگان باید ارزیابی کنندتوزیع طول فیبر پس از پردازش، به خصوص برای کامپوزیت های عملکردی حیاتی.

بهترین طول فیبر برای مواد کامپوزیت چیست؟

هیچ طول فیبلی برای هر کامپوزیت وجود ندارد.

طول مطلوب به موارد زیر بستگی دارد:

• نوع ماتریس
• نوع فیبر
• قطر فیبر
• درمان سطح
• بارگذاری فیبر
• روش مخلوط کردن
• فرآیند قالب گذاری تزریقی یا اکستروژن
• قدرت مورد نیاز
• مقاومت ضربه مورد نیاز

به عنوان مثال، یک فیبر برای پلی پروپیلن تزریقی ممکن است طول متفاوتی از فیبر مورد استفاده در سیمان، پوشش، چسب ها یا کامپوزیت های گرمپردازی نیاز داشته باشد.

به همین دلیل است که تامین کنندگان فیبر حرفه ای باید به طور ایده آل ارائه کنندتوصیه های فیبر مخصوص به کاربردبه جای فروش یک مشخصات برای هر کاربرد.

آیا فیبر های فوق کوتاه می توانند پراکندگی را بهبود بخشند؟

در بعضی از برنامه ها، بله.

فیبر های بسیار کوتاه می توانند به راحتی توزیع شوند زیرا طول آنها کاهش می یابد تمایل به پیچیدگی فیبر های طولانی.

می توانند در موارد زیر مفید باشند:

• پوشش
• چسب ها
• مواد کامپوزیتی پلیمر
• مواد سیمان
• پرکننده های کاربردی
• پارچه های غیر بافته ویژه
• سیستم های اصلاح سطح

با این حال، فیبر های کوتاه نیز نسبت ابعاد کمتری دارند.

بنابراین، دوباره تعادل بین:

پراکندگی

و

کارايي تقويت

برای کاربردهایی که توزیع یکنواخت مهم تر از حداکثر تقویت فیبر فردی است، فیبر های بسیار کوتاه می توانند یک گزینه جذاب باشند.

چگونه توان پخش فیبر را آزمایش کنیم؟

تولید کنندگان می توانند بسته به سیستم ترکیبی از روش های مختلفی استفاده کنند.

روش های ارزیابی رایج عبارتند از:

میکروسکوپی

میکروسکوپی نوری یا SEM می تواند:

• خوشه های فیبر
• توزیع فیبر
• جهت گیری فیبر
• طول فیبر
• خالی ها
• رابط های فیبر متریکس

تجزیه و تحلیل طول فیبر

فیبر ها را می توان از کامپوزیت پردازش شده استخراج کرد و اندازه گیری کرد تا تعیین شود که چه مقدار شکستگی فیبر در طول مخلوط رخ داده است.

آزمایش مکانیکی

تغییرات در:

• مقاومت کششی
• قدرت انعطاف پذیری
• قدرت ضربه
• ماژول

می تواند شواهد غیرمستقیم از پراکندگی و کیفیت رابط را ارائه دهد.

تجزیه و تحلیل قطعات متقابل

یک برش متقابل کامپوزیت پولیش شده می تواند برای شناسایی مناطق غنی از فیبر و متریکس مورد بررسی قرار گیرد.

برای فیبر های رسانا، اندازه گیری های الکتریکی نیز می تواند برای ارزیابی پراکندگی استفاده شود زیرا توزیع فیبر می تواند بر تشکیل شبکه های رسانا تأثیر بگذارد.تحقیق در مورد مواد کامپوزیت مبتنی بر سیمان، به عنوان مثال، از مقاومت الکتریکی به عنوان شاخص پراکندگی میکروفیبر استفاده کرده است.

پراکندگی فیبر و چسبندگی فیبر در ماتریس یکسان نیستند

این دو مفهوم مرتبط هستند اما متفاوت هستند.

پراکندگی فیبرمی پرسد:

آیا فیبرها به طور مساوی در سراسر ماتریس توزیع شده اند؟

چسبندگی فیبر ماتریسمی پرسد:

متريکس چقدر با سطح فيبر ارتباط برقرار ميکنه؟

یک کامپوزیت می تواند پراکندگی خوبی داشته باشد اما چسبندگی ضعیف.

همچنین می تواند شیمی فیبر متریکس قوی داشته باشد اما توزیع فیزیکی ضعیف داشته باشد.

بهترین عملکرد کامپوزیت به طور کلی هر دو مورد را نیاز دارد:

پراکندگی یکنواخت + اتصال موثر بین سطوح

درمان سطح می تواند با تغییر ویژگی های سطح فیبر و بهبود سازگاری با ماتریس، هم به پراکندگی و هم به پیوند بین المللی کمک کند.

سوالات متداول دربارۀ پراکندگی فیبر

پراکندگی فیبر در مواد کامپوزیت چیست؟

پراکندگی فیبر توصیف می کند که چگونه فیبر های تقویت کننده به طور مساوی در سراسر یک ماتریس ترکیبی توزیع می شوند. پراکندگی خوب به این معنی است که فیبر های فردی از هم جدا شده و به طور مناسب توسط ماتریس احاطه شده اند.

چرا فیبر ها تجمع می شوند؟

تجمع می تواند به دلیل تعاملات فیبر فیبر، مخلوط کردن ناکافی، بارگذاری فیبر بالا، شیمیایی سطح ناسازگار، طول فیبر بیش از حد یا لزوم ماتریس نامناسب رخ دهد.

آیا فیبر طولانی تر همیشه قدرت کامپوزیت را افزایش می دهد؟

نه، فیبر های طولانی تر می توانند ظرفیت تقویت کننده را افزایش دهند، اما طول بیش از حد فیبر می تواند پیچیدگی را افزایش دهد و پراکندگی و خیس شدن را دشوارتر کند.

آیا قطر فیبر بر عملکرد کامپوزیت تاثیر می گذارد؟

بله، قطر فيبر بر نسبت ابعاد، سطح، انعطاف پذیری، رطوبت و انتقال استرس تاثیر میذاره

آیا درمان سطح می تواند پراکندگی فیبر را بهبود بخشد؟

بله. درمان های سطحی و عوامل اتصال می توانند سازگاری فیبر-ماتریکس، مرطوب شدن و پیوند بین سطوح را در بسیاری از سیستم های کامپوزیت بهبود بخشند.

آیا مخلوط کردن بیش از حد می تواند به فیبر آسیب برساند؟

بله. برش بالا می تواند پراکندگی را بهبود بخشد اما همچنین می تواند فیبرهای تقویت کننده را کوتاه کند. شرایط مخلوط بهینه باید توازن پراکندگی و حفظ طول فیبر را داشته باشد.

فايبر هاي فوق کوتاه پخش شدنشون آسون تره؟

این امکان وجود دارد، زیرا فیبر های کوتاه تر به طور کلی کمتر در معرض پیچیدگی فیبر های طولانی هستند. با این حال، کاهش طول فیبر همچنین نسبت ابعاد را کاهش می دهد و ممکن است کارایی تقویت را کاهش دهد.

نتیجه گیری

پراکندگی فیبر توسط یک مشخصات مشخص نمی شود.

این نتیجه تعامل بینطول فیبر، قطر فیبر، نسبت ابعاد، درمان سطحی، بارگیری فیبر، سازگاری ماتریس، لزگی ماتریس، دمای و شرایط مخلوط.

برای تولید کنندگان کامپوزیت، یکی از مهمترین درس ها این است کهبهترین فیبر لزوماً طولانی ترین، نازک ترین یا قوی ترین فیبر نیست.

فیبر مناسب، فیبر است که می تواند تعادل مورد نیاز بین:

پراکندگی + رطوبت + پیوند بینظرفی + حفظ فیبر + عملکرد نهایی

به همین دلیل، انتخاب فیبر همیشه باید با فرآیند تولید واقعی مرتبط باشد.

یک مشخصات فیبر که در یک پلیمر یا سیستم مخلوط کننده عملکرد خوبی دارد ممکن است در سیستم دیگری نتیجه مشابهی نداشته باشد.

با ارزیابی هندسه ی فیبر، ویژگی های سطح، شرایط پردازش و کاربرد نهایی،تولید کنندگان می توانند ثبات پراکندگی را بهبود بخشند و مواد کامپوزیتی قابل اطمینان تر را توسعه دهند.