مواد کامپوزیت سلولی مونتاژشده برگشت پذیر

مواد کامپوزیت سلولی مونتاژ شده برگشت پذیر (RCCM)، شبکه های سه بعدی ساختارهای مدولار هستند که می توانند تا حدی از هم باز شوند تا امکان تعمیرات یا سایر تغییرات، فراهم شود. هر سلول، دارای مواد ساختاری و یک قفل برگشت پذیر است که به شبکه هایی با اندازه و شکل دلخواه اجازه می دهد. RCCM تقارن سه بعدی ناشی شده از هندسه را نشان می دهد که در پیوست داده شده است. [۱] [۲]

ساختار گسسته ی کامپوزیت های سلولی مونتاژشده ی برگشت پذیر درجه آزادی جدیدی را معرفی می کند که ویژگی های عملکردی سراسری را از قرارگیری محلی اجزای ناهمگن، تعیین می کند. به این دلیل که تک تک قطعات واقعا اجزای محدودی هستند، تجزیه ی مرتبه ای، انواع قطعات و ترکیب آنها را در یک ساختار توصیف می کند. [۱]

RCCM، به عنوان یک ماده "دیجیتال" می تواند مشاهده شود که در آن قطعات گسسته با مجموعه ای گسسته از موقعیت ها و جهت گیری های نسبی، به هم مرتبط هستند.

یک اسمبلر می تواند آن ها را فقط با استفاده از اطلاعات محلی در جای خود قرار دهد. خطاهای قرارگیری را می توان با معکوس کردن مونتاژ، تعیین و ترمیم کرد. این مواد، اندازه و استحکام کامپوزیت ها را با چگالی کم مواد سلولی و راحتی در ساخت مواد افزودنی، ترکیب می کنند. [۱]

تاریخچهویرایش

RCCM در سال 2013 توسط محققان مرکز MIT، برای بیت ها و اتم ها معرفی شد. [۲]

رفتارویرایش

قابلیت ارتجاعیویرایش

شبکه های RCCM به عنوان یک جامد الاستیک هم در کشش و هم در فشار عمل می کنند . آن ها هم یک رژیم خطی و هم یک حالت تغییر شکل فوق الاستیک غیرخطی را ارائه می‌کنند، مدولی که مرتبه‌ای بزرگ‌تر از یک ماده فوق‌سبک است (12.3 مگا پاسکال با چگالی 7.2 میلی‌گرم بر سانتی‌متر مکعب). خواص عمده از اندازه گیری اجزا و حالت های تغییر شکل تعیین شده توسط گذاشتن انواع قطعه،می توانند پیش بینی شوند. مکان‌های قرارگیری به صورت محلی محدود شده‌اند و ساختارهایی را به وجود می‌آورند که ویژگی‌های مطلوب کامپوزیت‌های فیبر کربن ، مواد سلولی و تولید مواد افزودنی را ادغام می‌کنند. [۱]

رفتار الاستیک غیرخطی، از یک ناپایداری الاستیک چند محوری شبکه، و یک کمانش الاستیک هماهنگ پیچیده از اعضای تیر ناشی می‌شود. هندسه حاصل، شبیه اعوجاج جان_تلر از یک مجموعه هشت وجهی با توجه به جهت گیری مراکز آن است. چین‌خوردگی یا تاخوردگی الاستیک می‌تواند در سه بعد اتفاق بیوفتد، احتمالاً یک پاسخ تنش پیچشی نامتقارن هماهنگ و یا تغییر شکل پلاستیک. [۱] [۳]

شکستویرایش

بر خلاف کامپوزیت های معمولی که معمولاً به طور فاجعه آمیزی از کار می افتند، RCCM به دلیل فاز تغییر شکل غیر خطی و تعدد اتصالات و پیوندها، به طور تدریجی از کار می افتد. این نتایج، شبیه‌سازی‌های اجزای محدود [۴] را با مدل‌های بدنه سخت مشبک‌شده مطابقت داد. علاوه بر همگرایی با حالت کمانش هماهنگ مشاهده شده، این شبیه‌سازی‌ها به طور دقیق، مقیاس مقاومت نسبی مشاهده‌شده در آزمایش‌های محک بار را پیش‌بینی می‌کنند.

این نتایج با مشاهداتی مطابقت دارد که مواد شبکه سلول باز از طریق شکست خمشی ریزساختاری با ∝ σmax شکست می‌خورند. شبیه‌سازی‌ها همچنین نشان می دهند که پدیده کمانش هماهنگ، مانند اندازه‌گیری‌های مدول ها، تحت سلطه ی جلوه های لبه نیست. با حداقل تأثیر بر نتایج کلی فراتر از طول مشخصه ی چند واحد بیش از حد . [۱]

تغییر موقعیت بیشتر و کمتر عناصر صلب می تواند باعث تراکم محوری خالص، کمانش ساده اویلر یک طرفه، و کمانش پیچیده شود. [۱] [۳]

مقیاس بندیویرایش

کامپوزیت های سلولی، شبکه های تحت سلطه ی کشش را تا رژیم فوق سبک (پایینتر از ده میلی گرم بر سانتی متر مکعب) گسترش می دهند. عملکرد به طور مثبت به سختی چارچوب شبکه، اتصال گره، باریکی اعضای تیر و مقیاس بندی هزینه چگالی اتصالات مکانیکی وابسته است. [۱]

کامپوزیت های الیاف معمولی هسته های خرپایی و قاب های سازه ای را با مونتاژ پیوندی زیرسازه ها یا سیم پیچی الیاف پیوسته می سازند. نمونه‌هایی از چنین هسته‌های خرپایی با تقارن هندسی دو بعدی و مقیاس‌گذاری مدول های خاص تقریبا ایده آل اما بسیار ناهمسان گرد گزارش شده اند.

 
یک لامپ پلاسمایی که نشانگر سرشت ناهمسانگرد پلاسما است. در این مورد پدیده رشته‌ای شدن رخ داده‌است.





مواد شبکه ی سلول باز سه بعدی، در سیستم های طبیعی و مهندسی شده یافت می شوند که مقیاس های طولی زیادی را شامل می شوند. خاصیت های مکانیکی آن ها، با توجه به هندسه با چگالی نسبی مقیاس می شود. آنها رفتار ریزساختاری تحت تاثیر پرتوهای کششی یا عرضی را بر اساس مدل‌های مکانیکی دوره ای نشان می‌دهند. برای مدول یانگ E، پوسته‌ پوسته شدن ایده‌آل تحت سلطه کشش با چگالی ρ، از قانون تناسبی E∝ρ پیروی می‌کند، در حالی که فوم‌های تصادفی رایج، از قانون درجه دوم E∝ρ2 پیروی می‌کنند، در غیر این صورت با رفتار خمشی پرتوی عرضی در ارتباط است. در چگالی های فوق سبک، کاهش بیشتر قانون پوسته پوسته شدن مکعب E∝ρ3 رایج است، مانند آئروژل ها و کامپوزیت های آئروژل. [۱]

وابستگی پوسته‌پوسته شدن به هندسه در مواد مبتنی بر شبکه دوره‌ای دیده می‌شود که دارای مقیاس تقریباً ایده‌آل E∝ρ، با اتصال گره بالا نسبت به فوم‌های تصادفی هستند. این ساختارها قبلاً فقط در مواد مهندسی نسبتاً متراکم اجرا می شدند. برای رژیم فوق سبک، پوسته پوسته شدن E∝ρ2 که در مواد سلولی تصادفی متراکم‌تر دیده می‌شود، برای ریزشبکه‌های نیکل لوله‌ای آبکاری شده، و همچنین فوم‌های تصادفی سلول باز مبتنی بر کربن، از جمله آئروگرافیت میکرولوله‌ای کربنی و چوب پنبه گرافنی اعمال می‌شود. [۱]


 
نمونه‌ای از ساختار داخلی یک پوسته گرافیت بسته از نوع آئروگرافیت

طرحویرایش

سفت‌تر و قوی‌تر کردن اتصالات نسبت به اعضای پایه به این معنی است که پاسخ تنش توسط پایه‌ها کنترل می‌شود. [۳] گسترش روش‌های مقیاس‌بندی ابعادی برای مشتمل شدن اتصالات نشان می‌دهد که هزینه چگالی جرمی اتصالات قوی که با سطح مقطع ستون‌بندی مقیاس می‌شود، برای مواد فوق‌سبک پایین تا حدی پایین است که قطر پایه بر مقیاس‌بندی چگالی جرم غلبه می کند. چگالی نسبی (ρ/ρs) این مواد، مجموع سهم چگالی نسبی اعضای پایه (ρm/ρs) و سهم چگالی نسبی اتصالات (ρc/ρs) است. اعضای پایه دارای ضخامت t و طول l هستند. اتصالات نیروها را از طریق تماس های سطحی باربر منتقل می کنند، که مستلزم آن است که ابعاد مشخصه اتصالات با سطح مقطع اعضای پایه متصل شده، t2 همسان شود، زیرا این بعد حداکثر تنش قابل انتقال از طریق اتصال را تعیین می کند. [۱]

این تعاریف، یک رابطه ی مقیاس بندی مکعبی بین سهم جرمی نسبی اتصالات و نسبت ضخامت پایه به طول را نشان می دهد (ρc/ρs ∝ Cc(t/l)3، که در آن Cc ثابت سهم اتصال است که با هندسه شبکه تعیین می گردد). سهم چگالی نسبی پایه‌ها به‌طور درجه دوم با نسبت ضخامت به طول پایه‌ها ((ρm/ρs ∝ Cm (t/l)2)، که با ادبیات مواد سلولی قدیمی مطابقت دارد، مقیاس می‌شود. خواص مکانیکی (مانند مدول و استحکام) با چگالی نسبی کلی مقیاس می شوند، که به نوبه خودشان در درجه ی اول با توجه به اینکه ثابت های هندسی Cc و Cm دارای مرتبه بزرگی برابری هستند [ρ/ρs ∝ Cc (t/l)3 + Cm (t/l)2] [۳] با پایه مقیاس می شوند نه با اتصال. هزینه چگالی اتصالات مکانیکی، با افزایش یافتن باریکی اعضای پایه (کاهش یافتن t/l) و کاهش یافتن چگالی نسبی، کاهش می یابد. [۱]

کاشی کاری قسمت های صلیب شکل، ساختار شبکه را تشکیل می دهد. در هر بخشی چهار عضو پایه به هم چسبیده به یک گره مرکزی محلی، و یک پایه به چهار گره محیطی کمک می کند. یک گیره ی برشی که از طریق چهار سوراخ اتصال همزمان وارد شده است، سلول ها را به هم متصل می کند.. [۱]

هر سلول شامل تیرهای کامپوزیت فیبر همتراز و سوراخ‌های باربر فیبر حلقه‌دار است که به طور برگشت‌پذیر به هم متصل می‌شوند تا شبکه‌های پرکننده حجم را تشکیل دهند.سلول های تولید انبوه را می توان برای پر کردن اشکال ساختاری دلخواه، با وضوح تعیین شده توسط مقیاس قطعه ای که با تغییرپذیری تنش مرزی برنامه مطابقت دارد. ماهیت دوره ای مجموعه ها، تحلیل و پیشبینی رفتار را ساده می کند. [۱]

هندسه مکعبیویرایش

 
پروسکایت

مشابه ساختار معدنی پروسکایت ، یک شبکه ی مکعبی "مکعب" از هشت وجهی های متصل به رأس، یک سلول واحد چند وجهی منظم را فراهم می کند که معیار صلبیت ماکسول را تامین می کند. و دارای عدد هم آرایی z برابر با هشت است. وابسته بودن چگالی نسبی به عدد هم آرایی، نسبت به وابسته بودن آن به قطر پایه، کوچک است. پیچیدن الیاف تقویت کننده اطراف سوراخ های اتصال، ظرفیت تحمل بار آنها را بهینه می کند، در حالی که آنها را به پایه هایی متصل می کند که خودشان جهت گیری فیبر تک محوری را حفظ می کنند. [۱]

مقایسه با مواد کامپوزیت قدیمیویرایش

مواد کامپوزیتی تقویت شده با فیبر کربن می توانند با کاهش وزن سازه برای استحکام و سختی مورد نیاز، کارایی را در سیستم های مهندسی شده (به عنوان مثال، بدنه هواپیما) بهبود ببخشند. اما چالش‌هایی را با ساخت و تایید ایجاد می‌کنند. اجزای کامپوزیتی با کارایی بالا از الیاف پیوسته زیادی استفاده می کنند که شکل یک جزء را در بر می گیرند و در یک ماتریس رزینی تعبیه شده اند. چنین قطعاتی معمولاً به ابزار سفارشی، قرارگیری تحت فشار برای یکپارچه سازی و پخت حرارتی نیازمند هستند. پیوستن به چنین قطعاتی، پیچیدگی و آسیب پذیری های ساختاری را اضافه می کند. [۱]

RCCM، نیازمندی به ابزارهای سفارشی را حذف می کند زیرا قطعات می توانند به طور تدریجی اضافه/حذف شوند. ساخت، تغییر، تعمیر و استفاده مجدد آن‌ها، همگی می‌توانند از یک فرآیند پیوندی برگشت‌پذیر استفاده کنند. عناصر ناهمگن می توانند در ساختارهایی با توابع تعیین شده توسط قرارگیری نسبی آنها، گنجانده شوند. مونتاژ دقیق کامپوزیت های سلولی گسسته، خواص و عملکرد جدیدی را ارائه می دهد که با جایگزین های نظیر رسوب گذاری یا حذف مداوم مواد در دسترس نیست. [۱]

منابعویرایش

  1. ۱٫۰۰ ۱٫۰۱ ۱٫۰۲ ۱٫۰۳ ۱٫۰۴ ۱٫۰۵ ۱٫۰۶ ۱٫۰۷ ۱٫۰۸ ۱٫۰۹ ۱٫۱۰ ۱٫۱۱ ۱٫۱۲ ۱٫۱۳ ۱٫۱۴ ۱٫۱۵ ۱٫۱۶ Cheung, K. C.; Gershenfeld, N. (2013). "Reversibly Assembled Cellular Composite Materials". Science. 341 (6151): 1219–1221. Bibcode:2013Sci...341.1219C. CiteSeerX 10.1.1.672.1351. doi:10.1126/science.1240889. PMID 23950496.
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ Cheung, K. C.; Gershenfeld, N. (2013-07-17). "Assembling big structures out of small ultralight pieces". Science. 341 (6151): 1219–1221. CiteSeerX 10.1.1.672.1351. doi:10.1126/science.1240889. PMID 23950496. Retrieved 2013-08-20.
  3. ۳٫۰ ۳٫۱ ۳٫۲ ۳٫۳ Cheung, KC; Gershenfeld, N (2013-08-15). "Reversibly Assembled Cellular Composite Materials — Supplementary Materials". Science. 341 (6151): 1219–1221. CiteSeerX 10.1.1.672.1351. doi:10.1126/science.1240889. PMID 23950496. Retrieved 2013-08-20.
  4. ANSYS software

لینک های خارجیویرایش