کاوش در قدرت مات نخ‌های شیشه‌ای کوتاه‌شده

ترکیب و ویژگی‌های ساختاری مات نخ رشته‌ای شیشه‌ای

ترکیب و مواد تشکیل‌دهنده مات نخ رشته‌ای

مَت فیبر شیشه‌ای کُوتاه یا به اختصار CSM از ترکیب الیاف E-glass به دست می‌آید؛ این الیاف در واقع سیلیس هستند که با اکسیدهای کلسیم و آلومینیوم و همچنین چسب‌های پلیمری مختلفی مانند پلی‌استر یا استایرن ترکیب شده‌اند. حاصل این فرآیند، ساختاری نساجی نشده است که در آن طول رشته‌های الیاف معمولاً یک تا دو اینچ است و تقویت‌کننده‌ای بسیار یکنواخت در سراسر ماده ایجاد می‌کند. در زمان لایه‌کاری، چسب موجود در مَت در رزین حل می‌شود. این موضوع به چسبندگی بسیار خوب لایه‌ها به یکدیگر کمک می‌کند بدون اینکه پایداری شیمیایی ماده تحت تأثیر قرار گیرد. همین موضوع است که باعث می‌شود تولیدکنندگان به این ماده برای پروژه‌هایشان اتکا کنند.

جهت‌گیری تصادفی الیاف و استحکام چند جهته

وقتی الیاف به صورت همگن در ماده CSM قرار گرفته‌اند، بارها را به طور یکنواخت در تمام جهات پخش می‌کنند. تحقیقی که در سال 2023 در نشریه معماری دریایی منتشر شد، نکته جالب دیگری را نیز آشکار کرد: CSM در برابر کشش از تمام زوایا به حدود 94٪ کارایی می‌رسد که در مقایسه با پارچه‌های بافته شده معمولی قابل توجه است. توزیع یکنواخت به این معنی است که نقاط ضعیفی که به سمت جهات خاصی اشاره می‌کنند وجود ندارند. به همین دلیل است که این ماده برای کاربردهایی مانند بدنه قایق‌ها و مخازن فشاری که تنش از بسیاری جهات مختلف به‌صورت هم‌زمان وارد می‌شود و باید ترک‌ها قبل از گسترش متوقف شوند، عملکرد بسیار خوبی دارد.

چگونگی تأثیر طول الیاف و نوع چسب بر عملکرد مکانیکی

• طول فیبر : رشته‌های 50 میلی‌متری جریان رزین و انطباق قالب را بهینه می‌کنند، در حالی که طول‌های بیش از 75 میلی‌متر استحکام برشی بین لایه‌ای را 18٪ افزایش می‌دهند (مجله مواد کامپوزیتی، 2022).
• غلظت چسب : مات‌های با محتوای 5 درصد چسب، قبل از لایه‌بندی، می‌توانند تنش خمشی 23 درصدی بیشتری نسبت به مات‌های با 3 درصد چسب را تحمل کنند و این امر باعث افزایش یکپارچگی سازه‌ای در هنگام دست‌کاری و عمل‌آوری می‌شود.

خواص مکانیکی: استحکام کششی، خمشی و ضربه‌ای مات شیشه‌ای

استحکام کششی تقویت‌کننده‌های شیشه‌ای در مات استراند برشته شده

مواد CSM معمولاً مقاومت کششی در محدوده حدود 80 مگاپاسکال تا حدود 300 مگاپاسکال نشان می‌دهند. برخی نسخه‌های کامپوزیتی خاص می‌توانند در آزمایش‌های آزمایشگاهی به مقدار واقعی 305 مگاپاسکال هم برسند. چیزی که این ماده را جالب می‌کند، نحوه قرارگیری تصادفی الیاف در سراسر ماتریس است. این آرایش به پخش شدن نیروهای اعمالی روی یک سطح بزرگ‌تر کمک می‌کند، به جای اینکه آنها را در یک نقطه متمرکز کند که در آنجا شروع خرابی رخ می‌دهد. مطالعاتی که بر روی ترکیب کردن مات‌های استرند برشته شده با دیگر مواد تقویت‌کننده که دارای جهت‌گیری مشخص‌تری هستند انجام شده است، نشان داده است. بر اساس یافته‌های اخیر منتشر شده توسط ناگا کومار و همکارانش در سال 2024، این سیستم‌های ترکیبی خواص کششی را حدود 18 درصد نسبت به استفاده تنها از CSM بهبود می‌بخشند.

مقاومت خمشی و ضربه‌ای: خواص مکانیکی کلیدی مات شیشه‌ای

لایه‌های CSM استحکام خمشی چشمگیری بالای 70 مگاپاسکال نشان می‌دهند، در حالی که مقاومت ضربه‌ای آن‌ها به حدود 96 ژول بر متر می‌رسد. عامل این امر چیست؟ الیاف درهم‌گیر کرده درون این مواد با هم کار می‌کنند تا نیروهای انرژی را جذب و در سراسر ساختار پخش کنند. در مورد انتخاب چسب‌ها برای این لایه‌ها، دانشمندان ماده‌ای کشف جالبی داشته‌اند. استات پلی‌وینیل به طوری که در سال 2024 توسط سومش و همکارانش گزارش شده، حدود 22 درصد قابلیت جذب انرژی را در مقایسه با گزینه‌های سنتی استایرنی افزایش می‌دهد. این موضوع به این معناست که محصولاتی که با چسب‌های PVA ساخته می‌شوند، در شرایط تنش مداوم که بارها جهت و شدت خود را با گذشت زمان تغییر می‌دهند، دوام بیشتری دارند.

تحلیل مقایسه‌ای: CSM در مقابل Woven Roving از نظر استحکام و سفتی

• قدرت : CSM استحکام همسانگرد فراهم می‌کند، در حالی که Woven Roving برتری جهت‌دار دارد.
• سختی : Woven Roving سفتی 40 تا 50 درصدی را در مسیرهای اصلی بارگذاری فراهم می‌کند.
• بهره وری هزینه : CSM به دلیل دست‌انگیزی آسان‌تر، 60% کاهش در کاربرد را در کنترل‌های پیچیده فراهم می‌کند.

در حالی که ویون روینگ در کاربردهای تک‌محوری برجسته است، CSM در میدان‌های تنش چندجهته ترجیح داده می‌شود. پیکربندی‌های ترکیبی، 92% سختی اوج ویون روینگ را در 35% کاهش هزینه ماده فراهم می‌کنند (Biswas و همکاران، 2024)، که یک راه‌حل متعادل برای عملکرد و اقتصاد ارائه می‌دهند.

پارادوکس صنعتی: نسبت استحکام به وزن بالا، علی‌رغم چیدمان تصادفی الیاف

CSM از نگاه اول ممکن است کمی شلوغ به نظر برسد اما در واقعیت نسبت استحکام به وزنی بیش از 8:1 ارائه می‌دهد که در مقایسه با فولاد سازه‌ای در زمینه‌هایی که وزن بیشترین اهمیت را دارد، مثل قایق‌ها و هواپیماها، عملکرد بهتری دارد. دلیل چیست؟ دیگر هیچ ضعفی در یک جهت خاص وجود ندارد. وقتی ما آن را تحت آزمایش‌های تنش قرار دادیم، طبق تحقیقاتی از هانان و دیگران در سال 2024، حدود 19 درصد دوام بیشتری نسبت به آن دسته از سیستم‌های الیافی خطی داشت. چرا این اتفاق می‌افتد؟ زیرا الیاف به‌صورت سه‌بعدی در هم گره خورده‌اند و مسیرهای متعددی برای توزیع نیرو ایجاد کرده‌اند و در واقع این اطمینان را فراهم می‌کنند که هیچ چیزی ناگهانی شکسته نشود.

دوام شیشه‌الیاف Chopped Strand Mat در محیط‌های سخت

مقاومت در برابر آب و مواد شیمیایی شیشه‌الیاف Mat

CSM در شرایط مرطوب و خورنده به خوبی کار می‌کند، چون آب را جذب نمی‌کند و به طور طبیعی در برابر مواد شیمیایی مقاومت می‌کند. الیاف شیشه‌ای رطوبت را دفع می‌کنند و مواد پلی‌استری در برابر انواع مواد شیمیایی قوی از جمله اسیدها، بازها و حلال‌ها مقاومت می‌کنند، حتی زمانی که قوی باشند (حدود pH 12). به دلیل این سیستم دوگانه دفاعی، CSM اغلب برای مواردی مانند مخازن سوخت زیرزمینی که آب همه‌جا را فرا می‌گیرد، قطعات داخل کارخانه‌های شیمیایی که در معرض مواد خورنده زیادی قرار دارند و قطعات قایق که دائماً با هوای شور اقیانوس مبارزه می‌کنند، استفاده می‌شود.

مقاومت در برابر خوردگی در کاربردهای دریایی و صنعتی

برخلاف فلزات، CSM دچار زنگ زدگی یا خوردگی گالوانیکی نمی‌شود، بنابراین برای استفاده در کف کشتی‌ها، سکوهای دریایی و سیستم‌های فاضلاب مناسب است. مقاومت آن در برابر فرآورده‌های جانبی پالایشگاه‌های نفت و مواد شوینده صنعتی باعث کاهش 30 تا 50 درصدی هزینه‌های نگهداری نسبت به فولاد می‌شود و ارزش چرخه عمر آن را در محیط‌های خورنده افزایش می‌دهد.

پایداری حرارتی در دماهای بالا و در معرض آتش

CSM می‌تواند شکل خود را حتی در صورت قرار گرفتن در معرض گرما به مدت طولانی حفظ کند، معمولاً دماهایی در حدود 300 درجه فارنهایت (حدود 149 درجه سانتی‌گراد) را تحمل می‌کند. برای مدت کوتاهی در طول آتش‌سوزی‌ها، در واقع شرایط بسیار داغ‌تری را تا دمای 600 درجه فارنهایت (316 درجه سانتی‌گراد) نیز تحمل می‌کند. به جای اینکه مانند بسیاری از مواد در چنین شرایطی ذوب شود، CSM به تدریج کربنیزه می‌شود بدون اینکه از استحکام زیادی بکاهد. این خاصیت باعث می‌شود این ماده در مکان‌هایی که خطر آتش‌سوزی وجود دارد، مانند داخل موتورهای خودرو یا اطراف تجهیزات صنعتی که نیاز به عایق‌بندی مناسب دارند، بسیار ارزشمند باشد. بر اساس استانداردهای آزمون UL 94 که رفتار اشتعال‌پذیری مواد را اندازه‌گیری می‌کند، نمونه‌های CSM پس از قطع شعله مستقیم، ظرف چند ثانیه (حداکثر ده ثانیه) خود به خود از بین می‌روند.

سازگاری رزین و فرآیند به منظور عملکرد بهینه کامپوزیت

سازگاری رزین با الیاف کوتاه (Chopped Strand Mat)

CSM به خوبی با رزین‌های مختلف کار می‌کند، چون الیاف شیشه بی‌اثر و چسب‌هایی که در پلی‌استر حل می‌شوند در آن وجود دارند. اعداد و ارقام هم این موضوع را تأیید می‌کنند - وقتی همه چیز به خوبی مرطوب شود، قدرت چسبندگی آن حدود 92٪ در مقایسه با مواد بافته‌شده است، مطابق گزارش سال گذشته از مجله مواد کامپوزیتی. چیزی که CSM را خاص می‌کند، ساختار بازی است که به رزین اجازه می‌دهد عمیقاً در عمق ماده نفوذ کند. اما چیز جالب برای تولیدکنندگان این است که نحوه حل‌شدن آن بسته به اینکه از رزین‌های اورتوفتالیک یا ایزوفرتالیک استفاده می‌کنند متفاوت است. این تفاوت بر زمان‌های فرآیند و کارایی تولید در کاربردهای واقعی تأثیر می‌گذارد.

بهترین رزین‌ها برای استفاده با الیاف کوتاه شده (پلی‌استر، اپوکسی)

رزین‌های پلی‌استر سهم بزرگی از کاربردهای CSM را به خود اختصاص داده‌اند (75٪ سهم بازار)، اما استفاده از رزین‌های اپوکسی در بخش‌های با عملکرد بالا در حال رشد است. گزینه‌های مهم شامل:

• پلی استر ارتو : گزینه اقتصادی برای مخازن دریایی (18 تا 22 دلار/گالن)
• رزین وینیل استر : مقاومت شیمیایی بهتری نسبت به پلی‌استر استاندارد ارائه می‌دهد (35%)
• سیستم‌های اپوکسی : استحکام کششی بالاتری ارائه می‌دهند (15%) اما نیازمند تکنیک‌های مرطوب‌کننده دقیق هستند

مطالعات نشان می‌دهند که ترکیب اپوکسی-کات کوت (CSM) در مقایسه با پلی‌استر، فرآیند شده در رطوبت نسبی زیر 40%، تشکیل حفره را 40% کاهش می‌دهد.

نسبت بهینه رزین به مات برای عملکرد بهینه

بهترین عملکرد مکانیکی در نسبت 60:40 وزنی رزین به الیاف اتفاق می‌افتد. انحراف از این نسبت منجر به کاهش قابل اندازه‌گیری می‌شود:

دامنه نسبت	وریانس استحکام خمشی
55:45	-12%
60:40	خط پایه
65:35	-9%

رزین اضافی وزن غیرضروری ایجاد می‌کند، در حالی که کمبود رزین باعث ایجاد لکه‌های خشک می‌شود که مقاومت برشی بین لایه‌ای را تا 30% کاهش می‌دهد.

کارایی تر شدن و چالش‌های حبس هوا در فرآیند لایه‌کاری

چیدمان تصادفی الیاف در CSM می‌تواند جریان رزین را محدود کند و نیازمندی به تکنیک‌های پردازش خاصی است:

• اشباع غلطک عمودی سرعت تر شدن را 25% افزایش می‌دهد
• استفاده از کیسه خلأ محتوای حفره را کمتر از 1.5% محدود می‌کند
• لایه‌بندی متوالی از شستشوی بایندر در لایه‌های ضخیم جلوگیری می‌کند

حفظ ویسکوزیته رزین در محدوده 300–500 سانتی‌پواز ضروری است—ویسکوزیته‌های بالاتر 2.3± برابر هوا را در خود حبس می‌کنند، همان‌گونه که در آزمایش‌های کنترل شده لایه‌کاری مشاهده شده است.

کاربردهای صنعتی کلیدی که از استحکام فیبرگلاس چاپ‌استرند مت استفاده می‌کنند

کاربردهای دریایی: تقویت بدنه و دوام بلندمدت در آب شور

مهندسین دریایی از CSM برای تقویت بدنه‌ها استفاده می‌کنند و از مقاومت آن در برابر خوردگی و استحکام چندجهته بهره می‌برند. این ماده می‌تواند در برابر ضربه امواج و قرارگیری در معرض آب شور مقاومت کند، شناوری را از طریق ساختار سبک بهبود بخشد و خطر زنگ‌زدگی را حذف کند. مطالعات نشان می‌دهند که CSM می‌تواند در محیط‌های دریایی (2023) سلامت ساختاری خود را بیش از 15 سال حفظ کند و این موضوع به قابلیت اطمینان بلندمدت وسایل نقلیه دریایی کمک می‌کند.

کاربردهای خودرویی و هوافضایی: راهکارهای کامپوزیتی سبک و با سفتی بالا

در حمل‌ونقل، CSM در پنل‌های درب، هسته‌های بامپر و قطعات داخلی هواپیماها استفاده می‌شود. تحلیل مواد در سال 2024 نشان داد که کامپوزیت‌های مبتنی بر CSM می‌توانند جرم قطعات را نسبت به فولاد تا 38٪ کاهش دهند در حالی که استحکام کششی مشابهی دارند. این کاهش وزن باعث بهبود بهره‌وری سوخت در خودروها و افزایش ظرفیت بار در هواپیماها می‌شود و این موضوع با اهداف جهانی پایداری هم‌خوانی دارد.

انعطاف‌پذیری و سازگاری با قالب در تولید کامپوزیت‌های پیچیده

قابلیت پوشش‌دهی خوب CSM باعث می‌شود تا این ماده بتواند به خوبی دور سطوح پیچیده قالب را بپوشاند و ایجاد کردن چین و لایه‌های نامنظم نکند، به همین دلیل تولیدکنندگان می‌توانند نتایج بهتری در ساخت قطعاتی مانند پره‌های توربین بادی و پنل‌های بدنه موتورسیکلت به دست آورند. واحدهای تولیدی که به CSM تغییر مسیر دادند، متوجه شدند که فرآیند لایه‌گذاری آن‌ها نسبت به مواد تاری-پودی سنتی حدوداً 27٪ سریع‌تر شده است، زیرا در هنگام قرار دادن ماده نیازی به در نظر گرفتن جهت‌گیری خاصی نیست. این انعطاف‌پذیری بالا دلیل این موضوع است که چرا بسیاری از واحدها به CSM روی می‌آورند وقتی که نیاز دارند طرح‌های جدیدی را پیش‌سازی کنند یا تعداد زیادی قطعه با شکل‌های عجیب تولید کنند. برای کسانی که به طور مداوم با اشکال پیچیده سروکار دارند، این ماده در عمل بهتر از بیشتر روش‌های دیگر عمل می‌کند.

سوالات متداول

فیبرگلاس چاپ شده (CSM) از چه موادی تشکیل شده است؟

CSM از الیاف E-glass ترکیب شده با چسب‌های پلیمری مانند پلی‌استر یا استایرن تشکیل شده است که ساختاری غیربافتی ایجاد می‌کند.

چگونگی جهت‌گیری تصادفی الیاف چگونه خواص مکانیکی CSM را بهبود می‌بخشد؟

جهت‌گیری تصادفی الیاف بار را به‌طور یکنواخت در تمام جهات توزیع می‌کند، استحکام چندجهته را افزایش می‌دهد و از وجود نقاط ضعیف جلوگیری می‌کند.

مزایای اصلی استفاده از CSM در کاربردهای دریایی چیست؟

CSM مقاومت در برابر خوردگی، استحکام چندجهته و دوام بلندمدت را در محیط‌های آب شور فراهم می‌کند و آن را برای تقویت بدنه‌ها ایده‌آل می‌کند.

چرا در تولید کامپوزیت‌های پیچیده از CSM استقبال می‌شود؟

CSM قابلیت پوشیدن خوب در اطراف قالب‌های پیچیده، فرآیند سریع استقرار و حذف اریبی جهتی را فراهم می‌کند و آن را برای تولید اولیه و انبوه مناسب می‌سازد.