โพลิเมอร์คอมโพสิต
ความนิยมของผู้ชม: / 26
แย่มากดีมาก 

 

โพลิเมอร์คอมโพสิต

บุญรักษ์ กาญจนวรวณิชย์
ศูนย์เทคโนโลยีโลหะและวัสดุแห่งชาติ

คอมโพสิต คือ อะไร?

      คอม โพสิต เป็นวัสดุที่ประกอบด้วยการรวมวัสดุมากกว่า 2 ประเภทเข้าด้วยกัน โดยทั่วไปคอมโพสิตจะมีวัสดุที่เป็นเนื้อหลัก (matrix) และวัสดุเสริมแรง (reinforcement materials) ที่กระจายตัวอยู่ในเนื้อหลักนั้น วัสดุที่เป็นเนื้อหลัก จะรองรับวัสดุเสริมแรงให้อยู่ในรูปร่างที่กำหนด ขณะที่วัสดุเสริมแรงจะช่วยเพิ่ม หรือปรับปรุงสมบัติเชิงกลของวัสดุเนื้อหลัก ให้สูงขึ้น ซึ่งวัสดุเสริมแรงอาจมีลักษณะเป็นเส้น ก้อน อนุภาค หรือเกล็ดก็ได้ แทรกอยู่ในวัสดุเนื้อหลัก (base materials) อย่างโลหะ เซรามิกส์ หรือโพลิเมอร์ ผลของการรวมวัสดุต่างกัน 2 ประเภทเข้าด้วยกันทำให้คอมโพสิตมีความแข็งแรง โดยรวมมากกว่าเมื่อเทียบกับ ความแข็งแรงของวัสดุแต่ละประเภทโดยลำพัง ปัจจุบันวัสดุคอมโพสิตแบ่งออกเป็น 3 ประเภท คือ

 

   1. โพลิเมอร์คอมโพสิต (polymer matrix composites- PMC?s) ตัวอย่างผลิตภัณฑ์ที่พบเห็นได้ง่ายของคอมโพสิตกลุ่มนี้คือ ผลิตภัณฑ์ที่ทำจาก ?ไฟเบอร์กลาส? ต่าง ๆ โพลิเมอร์คอมโพสิตมีโพลิเมอร์ซึ่งอาจจะเป็นพลาสติก หรือยางเป็นเนื้อหลัก และใช้วัสดุเสริมแรงได้หลายชนิด เช่น เส้นใยแก้ว เส้นใยคาร์บอน เส้นลวดโลหะ เป็นต้น


   2. เซรามิกคอมโพสิต (ceramic matrix composites- CMC?s) เรารู้จักและคุ้นเคยกับคอมโพสิตกลุ่มนี้ดี คอนกรีตและคอนกรีตเสริมเหล็ก (ปูน กรวด ทราย เหล็กเส้น) เป็นตัวแทนที่พบเห็นได้ทั่วไปของวัสดุกลุ่มนี้ ขณะที่วัสดุเซรามิกคอมโพสิตรุดหน้า (advanced composite) มีเนื้อหลักเป็นเซรามิก และใช้วัสดุเสริมแรงเป็นเส้นใย คอมโพสิตกลุ่มนี้มักนำมาใช้งานในสภาวะแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง เช่น กังหันใบพัดของเครื่องยนต์ไอพ่น เป็นต้น


   3. เมทัลคอมโพสิต (metal matrix composites- MMC?s) คอมโพสิตกลุ่มนี้พบมากในผลิตภัณฑ์กลุ่มอุตสาหกรรมยานยนต์ เมทัลคอมโพสิตมีโลหะเป็นเนื้อหลัก เช่น อะลูมิเนียม เป็นต้น สำหรับวัสดุเสริมแรงของคอมโพสิตกลุ่มนี้เป็นวัสดุเซรามิกส์ เช่น กลุ่มคาร์ไบด์ กลุ่มไนไตรด์ เป็นต้น

แม้ว่าคอมโพสิตมีขอบข่ายกว้างครอบคลุมวัสดุ 3 ประเภทข้างต้น แต่ในที่นี้ขอพูดถึงเฉพาะโพลิเมอร์คอมโพสิตเท่านั้น

        โพลิเมอร์บางชนิด เช่น อีพ็อกซี่ และโพลิเอสเทอร์มักมีข้อจำกัดในการใช้งาน เนื่องจากโพลิเมอร์เหล่านี้มีความแข็งแรงเชิงกลต่ำ เมื่อเทียบกับวัสดุอื่น เช่น โลหะ เป็นต้น แต่โพลิเมอร์มีจุดเด่นเรื่องขึ้นรูปง่าย สามารถขึ้นรูปทรงที่มีรายละเอียดซับซ้อนได้ง่าย และมีน้ำหนักเบา (ความหนาแน่นต่ำ) ขณะที่วัสดุเช่น แก้ว อะรามีด (aramide) และโบรอน (boron) มีจุดเด่นเรื่องความแข็งแรงต่อแรงดึง (tensile strength) และความแข็งแรงต่อแรงกด (compressive strength) สูง แต่ว่าวัสดุที่กล่าวมานั้นเมื่อปรากฏในรูปของ ?ของแข็ง? แล้ว สมบัติเด่นเหล่านี้ปรากฏออกมาได้ไม่ชัดเจน เนื่องจากวัสดุสามารถแตกหักจาก ความเค้น (stress) ได้ง่ายเพียงแค่ผิวของวัสดุมีรอยตำหนิขนาดเล็กเท่านั้น     
        ดังนั้นการผสมโพลิเมอร์กับเส้นใยเสริมแรง เช่น เส้นใยแก้ว เส้นใยคาร์บอนจะทำให้วัสดุมีสมบัติดีขึ้น เพราะเป็นการรวมเอาจุดเด่นของวัสดุโพลิเมอร์ กับจุดเด่นของเส้นใยเสริมแรง เข้าไว้ด้วยกัน (ดังแสดงในกราฟที่ 1) โดยเนื้อหลักของโพลิเมอร์ทำหน้าที่กระจายแรง ที่กระทำต่อวัสดุลงไประหว่าง เส้นใยแต่ละเส้น และโพลิเมอร์ยังทำหน้าที่ปกป้องเส้นใยไม่ให้เสียหาย เนื่องจากการเสียดสีและ การกระแทก ผลของการรวมโพลิเมอร์กับเส้นใยเสริมแรง ทำให้วัสดุโพลิเมอร์คอมโพสิตมีจุด เด่นหลายอย่าง ได้แก่ มีค่าความแข็งแรงและความแข็งตึง (stiffness) สูง สามารถขึ้นรูปง่าย น้ำหนักเบา และทนทานต่อสภาพแวดล้อมต่าง ๆ

ปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติของวัสดุคอมโพสิต


   1. สมบัติของเส้นใยเสริมแรง
   2. สมบัติของโพลิเมอร์ (เรซิน)
   3. สัดส่วนของเส้นใยเสริมแรง (Fibre Volume Fraction ? FVF) เนื่องจากวัสดุที่เป็นเส้นใยเสริมแรง มักมีสมบัติเชิงกลสูงกว่าโพลิเมอร์ ดังนั้นหากคอมโพสิตมีเส้นใยเสริมแรงมากขึ้น จะทำให้วัสดุมีสมบัติเชิงกลสูง ขึ้น แต่การผสมเส้นใยเสริมแรงกับโพลิเมอร ์ก็มีขีดจำกัดเนื่องจากเส้นใยเสริมแรง ควรมีเนื้อโพลิเมอร์ห่อหุ้มอยู่โดยรอบ
   4. โดยทั่วไปการขึ้นรูปผลิตภัณฑ์คอมโพสิต เช่น เรือไฟเบอร์กลาสจะนิยมขึ้นรูปด้วยวิธีที่เรียกว่า แฮนด์เลย์อัพ (hand lay-up) ซึ่งจะมีสัดส่วนของเส้นใยเสริมแรงประมาณ 30-40% แตกต่างจากชิ้นงานคอมโพสิตที่ใช้ในอุตสาหกรรมการบิน และอวกาศที่ผลิตด้วย เทคโนโลยีขั้นสูงจะมีสัดส่วนของเส้นใยประมาณ 70% การจัดเรียงตัว (orientation) ของเส้นใยในคอมโพสิต เนื่องจากเส้นใยเสริมแรงให้ค่าสมบัติเชิงกลตามแนวยาวสูงกว่าแนวขวาง ดังนั้นหากเส้นใยในคอมโพสิตมีการจัดเรียงตัวไปในทิศทางเดียวกันแล้ว สมบัติเชิงกลของคอมโพสิตที่แสดงออกมาจะมีค่าแตกต่างกัน ตามแนวแรงที่กระทำ ดังนั้นสิ่งสำคัญอย่างหนึ่งที่ต้องพิจารณาตั้งแต่การออกแบบคือ ขนาดและลักษณะแรงที่กระทำต่อชิ้นงาน

การรับแรงของวัตถุ โดยทั่วไปแรงที่กระทำต่อวัตถุมีด้วยกัน 4 ประเภทคือ


   1. แรงดึง (Tension) รูปที่ 2 แสดงลักษณะแรงดึงที่กระทำต่อคอมโพสิต การตอบสนองต่อแรงกระทำของวัสดุขึ้นอยู่กับแรงดึง และความแข็งแรงเชิงกลของ เส้นใยเสริมแรงที่ใช้


   2. แรงกดอัด (Compression) รูปที่ 3 แสดงลักษณะคอมโพสิตที่ได้รับแรงกดอัด ในสภาพนี้ความแข็งแรงของวัสดุจะขึ้นกับสมบัติความแข็งตึง และการยึดติด (adhesion) ของเนื้อโพลิเมอร์เป็นหลัก เนื่องจากโพลิเมอร์ทำหน้าที่ห่อหุ้มเส้นใยเสริมแรงใ ห้อยู่ในลักษณะเส้นตรง และป้องกันไม่ให้เส้นใยโค้งงอ

รูปที่ 4


   3. แรงเฉือน (Shear) ลักษณะแรงที่กระทำต่อคอมโพสิตมีทิศทางตรงข้ามกัน และแนวแรงอยู่ต่างระดับกัน ภายใต้สภาวะแบบนี้โพลิเมอร์จะมีบทบาทอย่างมาก ในเรื่องการยึดติดกับเส้นใย เสริมแรงไม่ใช่ในเรื่องสมบัติความแข็งแรงเชิงกล โดยเฉพาะอย่างยิ่งในคอมโพสิตที่มีการเรียงเส้นใยเสริมแรงเป็นชั้น ๆ


   4. แรงดัด (Flexure) ลักษณะของแรงที่กระทำกับวัตถุมีลักษณะผสมของแรงดึง แรงเฉือน และแรงกดอัด 3 แรงเข้าด้วยกัน จากรูปที่ 5 เห็นได้ว่ากึ่งกลางของด้านบนของวัตถุถูกแรงกดอัดกระทำ ขณะที่ใต้วัตถุจะถูกแรงยืดและแรงเฉือนจากการยืดตัวของวัตถุ

คอมโพสิตกับวัสดุอื่น


        เมื่อทราบถึงปัจจัยที่มีผลต่อสมบัติของคอมโพสิตทั้ง 4 ข้อแล้ว ผู้ผลิตก็สามารถนำข้อมูลเหล่านั้นมาพิจารณาเลือกชนิดเส้นใยเสริมแรง และชนิดโพลิเมอร์ที่เหมาะสม รวมถึงทิศทางของแรงที่กระทำเพื่อจัดวางตำแหน่งเส้นใยเสริมแรง ให้เหมาะสม เพื่อผลิตชิ้นงานคอมโพสิตออกมาให้ได้สมบัติเชิงกลตามต้องการ

        กราฟด้านล่างเปรียบเทียบสมบัติของคอมโพสิตกับวัสดุอื่นบาง ชนิด เส้นกราฟของคอมโพสิตแต่ละชนิดที่แสดงออกมาเป็นช่วงหมายถึง ค่าสมบัติเชิงกลขั้นต่ำและค่าสมบัติเชิงกลขั้นสูง โดยค่าสมบัติเชิงกลขั้นต่ำเป็นคอมโพสิตที่ผลิตด้วยเทคโนโลยีทั่วไป เช่น วิธีการขึ้นรูปแบบแฮนด์เลย์อัพ ส่วนค่าสมบัติเชิงกลขั้นสูงเป็นค่าที่ได้จากคอมโพสิต ที่ผลิตด้วยเทคโนโลยี ระดับสูง อย่างชิ้นงานคอมโพสิตที่ใช้กับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศที่ผลิตด้วย เทคโนโลยี autoclave moulding เป็นต้น ขณะที่เส้นกราฟของวัสดุชนิดอื่น เช่น เหล็กกล้าที่แสดงออกมาเป็นช่วงเนื่องจากเหล็กกล้ามีมากมายหลายเกรด เช่นเดียวกับไม้ อะลูมิเนียมผสม และไทเทเนียม

แหล่งข้อมูลอ้างอิง

 

 


Views: 16606

Be first to comment this article

Only registered users can write comments.
Please login or register.

Powered by AkoComment Tweaked Special Edition v.1.4.6
AkoComment © Copyright 2004 by Arthur Konze - www.mamboportal.com
All right reserved

 
< ก่อนหน้า   ถัดไป >

Statistics

สถิติผู้เยี่ยมชม: 49622628

Who's Online

ขณะนี้มี 22 บุคคลทั่วไป ออนไลน์