علم (نانو)شیمی و (نانو)مواد در خدمت صنایع نظامی

[ayaran 505]

بسم الله الرحمن الرحیم

علم (نانو)شیمی و (نانو)مواد در خدمت صنایع نظامی

با کسب اجازه از اساتید  و دوستان گرامی

هدف از ایجاد این تاپیک بحث و بررسی  ترکیباتی هست که در صنایع نظامی کاربرد دارند.

بخش اول: الیاف کربن

مقدمه

 

کربن با عدد اتمی 6 از سبکترین عناصر در طبیعت محسوب میشود بنابراین ترکیباتی که بر پایه کربن ساخته میشوند بسیار سبک هستند و کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف  پیدا کرده اند.کربن دارای خواص منحصر به فردی هست ک آن را قادر میسازد تا با تشکیل پیوند بین اتم هایش ساختارهای پایداری از قبیل ترکیبات زنجیره ای، زنجیره ای شاخه دار و حلقوی تشکیل دهد امروزه بالای 6 میلیون ترکیب بر پایه کربن شناخته شده اند. کربن در کنار هیدروژن پایه و اساس شیمی آلی را تشکیل میدهند. کربن دارای تعدادی ساختار کریستالی و یا ساختار مولکولی متمایز هست که با اصطلاح آلتروپ(پلی آمورف) شناخته می شوند که شامل گرافیت، الماس ، فلوئورن و ... می باشد اگر چه اساس آنها را اتمهای کربن تشکیل میدهند اما تنوع در ساختار باعث ایجاد خصوصیات بسیار متنوعی در آنها می شود. برای مثال الماس سخت ترین ترکیب شناخته شده و گرافیت جز نرم ترین ترکیبات محسوب می شوند]1[.

تشکیل ترکیبات آلی بر پایه پیوندهای کوالانسی (Covalent Bonding) است. مدل اوربیتال‌های هیبریدی، یک الگوی توصیفی از تشکیل پیوندهای کوالانسی بین اتم‌هاست. در این مدل اوربیتال‌های هر اتم (که دربرگیرنده الکترون‌های پیوندی است) با یکدیگر ترکیب شده و اوربیتال‌های هیبریدی را تولید می‌کند. اوربیتال‌های هیبریدی ایجاد شده، دارای ساختار و انرژی مشابه بوده و در تشکیل پیوند با اتم‌های دیگر مشارکت می‌کنند. این پیوند با نام پیوند سیگما (σ) شناخته می‌شود. در اصل این هیبرید اتم کربن است که تفاوت‌های ساختاری و خصوصیات ترکیبات کربنی مختلف را باعث می‌شود[6].

ترکیبات کربنی بر اساس گردش یا عدم گردش الکترون در  ساختارشان به دو دسته  آروماتیک و آلیفاتیک تقسیم میشوند.آروماتیکها معمولاً واکنش‌هایی از نوع جانشینی (Substitution) و به‌خصوص واکنش‌های جانشینی الکتروفیلی (Electrophilic Substitution) را انجام می‌دهند. برخلاف واکنش‌های افزایشی (Addition)، در واکنش‌های جانشینی ساختار (و در نتیجه پایداری) آروماتیکی حفظ می‌شود و تنها گروه‌های هیدروژن روی حلقه با گروه‌های دیگر (مثل متیل، نیترو، هالید ...) جایگزین می‌شوند.  در ترکیبات آلیفاتیک گردش الکترون در ساختار مشاهده نمی‌شود. از همین‌روست که ترکیبات آلیفاتیک پایداری خاص ترکیبات آروماتیک را ندارند و از این‌رو واکنش‌های شیمیایی گسترده‌تری را انجاممی‌دهند[3,5,8].

الیاف کربن الیافی هستند که حداقل 92 درصد وزنی آن را اتم های کربن تشکیل دهند. این الیاف مزایای متوعی دارند که برجسته ترین آنها مقاومت کششی فوق العاده نسبت به وزن آن است (کربن تقریبا یک سوم فولاد وزن و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت دارد). دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعه x از بارزترین خصوصیات الیاف کربن به شمار می‌رود. همچنین الیاف کربن رسانایی الکتریکی بسیار خوبی دارد بنابراین به صورت گسترده می توانند در کامپوزیتها به کار گرفته شوند[1].

تخمینی از مصرف جهانی الیاف کربن[9]:

رشته الیاف کربن که از فیبرهای کربن تشکیل می‌گردد، به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری می‌باشند.یک نکته مهم در مورد همه الیاف قطر آنها هست، هر چقدر قطر الیاف کوچکتر باشد این امکان را به لیف می دهد تا مساحت سطح بالایی داشته باشد بنابراین میتواند برهم کنش بیشتری با ماتریکس(از قبیل رزین ها) در کامپوزیت ها داشته باشد و باعث بهبود خواص مکانیکی ، حرارتی و الکتریکی شود . بنابراین امروزه سنتز نانو الیاف چالش جهانی هست که به توفیقاتی نیز دست یافته هست و در سطح آزمایشگاهی و نیمه صنعتی توانایی سنتز نانو الیاف محقق شده است[2].

تاریخچه
دوکشور ژاپن و آمریکا  را می توان از پیشگامان تحقیق و توسعه فیبرهای کربن بشمار آورد. اولین گزارش در مورد نانوفیبر کربن که به سال 1889 بر می گردد سنتز کربن رشته ای توسط Hughes و همکارانش می باشد. آنها از مخلوط گازی متان/هیدروژن استفاده کردند و رشته های کربن را از طریق پیرولیز گاز، رسوب کربن و رشد رشته ایجاد کردند. درک واقعی این فیبر، با این حال، خیلی بعد هنگامی که ساختار آنها توسط میکروسکوپ الکترونی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت انجام شد. اولین مشاهدات نانوفیبر کربنی با میکروسکوپ الکترونی در اوایل دهه ی 1950 توسط دانشمندان اتحاد جماهیر شوروی Radushkevich و Lukyanovich انجام شده است، که فیبر های کربنی گرافیتی توخالی با قطر 50 نانومتر را شناسایی کردند.
در اوایل دهه ی 1970، محققان ژاپنی Koyama و Endo، موفق به ساخت VGCF با قطر 1 میکرومتر و طول بالاتر از 1 میلی متر شدند. بعدها، در اوایل دهه ی 1980،Tibbetts در ایالات متحده آمریکا  و Benissad در فرانسه  روند ساخت VGCF را کامل کردند. در ایالات متحده آمریکا، مطالعات عمیق تر با تمرکز بر سنتز و خواص این مواد برای کاربردهای پیشرفته توسطR. Terry K. Baker انجام شد و با نیاز به مهار رشد نانوفیبر کربنی به علت مشکلات مداوم ناشی از تجمع مواد در انواع فرآیندهای تجاری به ویژه در زمینه ی خاص پردازش نفت، ترغیب شد. برای اولین بار تجاری شدن VGCF توسط شرکت ژاپنی Nikosso در سال 1991 تحت نام تجاری Grasker انجام شد.
VGCNF از طریق فرایند ی مشابه VGCF تولید می شود، فقط قطر به طور معمول کمتر از 200 نانومتر است. شرکت های متعددی در سراسر جهان به طور جدی در تولید در مقیاس تجاری از نانوفیبر کربن و برنامه های کاربردی مهندسی جدید در تلاش می باشند[5].

 

پیش ماده های تولید فیبر کربن

پیش ماده های بسیار متنوعی برای سنتز فیبر کربن در طول چند دهه مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتند  که  پلی ونیل آکریل (PAN) معروفترین و پر استفاده ترین آنهاست . امروزه در کنار پن ، پیش ماده های سلولوزی(C₆H₁₀O₅) ، لیگنین و فیبرهای کربن بر پایه قیر توسعه یافتند. پیش ماده های دیگری هم مثل وینیلدین کلرید و رزین های پایه فنولی بررسی شده اند که توانایی تجاری سازی نداشتند. ساختار پلیمر الیاف پیش ماده تاثیر مهمی بر روی خصوصیات ساختاری الیاف کربن نهایی دارند، درصد بلورینگی بالاو آرایش یافتگی زیاد زنجیرهای مولکولی در الیاف پیش ماده در حین فرایندهای تکمیلی در میزان تبلور الیاف کربن موثر خواهد بود و باعث بهبود خواص فیبر نهایی خواهد شد[1].

67.9 درصد از هر واحد  آکریلو نیتریل را اتم های کربن تشکیل می دهند و باعث ایجاد فیبرهایی با مدول بالا می شوند. مقدار کربن در پیش ماده های سلولوزی 44.4 درصد از کل واحد را تشکیل میدهد. در فیبرها بر پایه قیر با اینکه مقدار کربن در هر واحد زیاد هست اما به دلیل طبیعت گرافیتی که دارند نسبت به بقیه موارد از خصوصیات مکانیکی ضعیفی برخوردارند[1].

 

پیش ماده PAN

پنی به عنوان پیش ماده انتخاب میشود که حداقل دارای دو ویژگی  زیر باشد: 1- پلیمر با مقدار آکریلونیتریل کمتر از 85 درصد رضایت بخش نیست. انتخاب مونومر همراه(comonomer)  در مرحله پیش اکسیداسیون، در فرایند تولید فیبر کربن نقش مهمی دارد. 2- وزن مولکولی و توزیع مناسب وزن مولکولی پلیمر به دقت کنترل شود. متوسط وزن مولکولی کوپلیمر جهت تولید الیاف آکرلیک بین 40 تا 70هزار گرم بر مول  در هر 1000 واحد تکراری هست[1].

کومونومرهایی نظیر ونیل استات، متیل آکریلات جهت پایدارسازی کل فرایند، قابلیت ریسندگی مناسب، افزایش تحرک بخش های مختلف زنجیره پلیمری، بهبود خصوصیات مکانیکی پیش ماده ، کمک به حل پذیری پلیمر در حلال ریسندگی، بهبود مورفولوژی فیبر ، بهبود نفوذ رنگ داخل الیاف و کمک به آغاز حلقه زایی در دمای پایین ب ونیل آکریلات افزوده می شوند. کارخانجات تولیدی معمولا بیش از یک کومونومر استفاده می کنند. کربوکسلیک اسیدها کومونومرهای مناسبی اند و فرایند اکسیداسیون و همچنین حلقه زایی گروههای نیتریل(شکل  پایین) را تسهیل می کنند. برخی از کومونومرهایی که استفاده میشوند در جدول آورده شده اند[1,7].

روشهای متنوعی برای پلیمرزاسیون این ترکیبات وجود دارد که رایجترین آن در صنعت    Aqueous dispersion polimerzition نامیده می شود.  حلالهای پلیمرزاسیون هم میتوان به دی متیل سولفواکسید، کلرید روی و تیوسیانات سدیم(NaSCN) اشاره کرد.

 

سنتز الیاف کربن بر پایه پن

تصویر زیر کل فرایند تولید فیبرهای کربن را از پیش ماده پن نشان میدهد که شامل سه مرحله اصلی اکسیداسیون، کربنیزه کردن و گرافیتاسیون میباشد .

هدف از مرحله اکسیداسیون تبدیل مولکولهای نردبانی شکل پن به ساختار حلقه ای پایدار اکسید پن هست، این مرحله تا دمای300 درجه در جو اکسیژن انجام میگیرد.  حلقه های 6تایی از بقیه حلقه ها پایدارترند.

کربنیزه کردن از دمای 700 تا 1800 درجه  در جو نیتروژن انجام می شود و هدف از این مرحله حذف گروههای کربونیلی و گروههای نیتریدی در حد امکان هست (اتمهای نیتروژن به طور کامل حذف نمیشوند) همچنین کربونیزه کردن باعث افزایش خواص مکانیکی و الکتریکی فیبرها می شود. برای افزایش مدول فیبرهای کربن لازم هست دما را تا 3000 درجه و در جو آرگون افزایش داد. لازم به ذکر است چون محیط بی اثر (جو نیتروژن یا آرگون) هست کربن نمی سوزد تا به گاز کربن دی اکسید تیدیل شود.

 

گرافیتاسیون: با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب ارتجاعی و اعمال این مرحله در محدوده دمایی ۳۰۰۰ – ۱۵۰۰ درجه سلسیوس، موجب بهبود درجه جهتگیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و  ا فزایش اندازه کریستالها  و در نیجه باعث بهبود  ویژگی‌های مکانیکی می‌شود[4].

انواع الیاف کربن: تنوع در فرایند گرافیتاسیون می تواند منجر به الیاف با مقاومت کششی بالا( 2600 درجه) یا مدول بالا(3000درجه) و یا حد واسط ای دوتا شود.الیاف کربن بر اساس مدولشان به چند  دسته  high strength(HS), intermediate modulus (IM), high modulus (HM) and ultra-high modulus (UHM) تقسیم میشوند. که قطر رشته الیاف بین 5تا 7 میکرون هست[2].

انواع فیبر کربن همراه خصوصیات مکانیکی در کنار کشور سازنده در جدول زیر خلاصه  شده اند[2].

 

مقایسه الیاف کربن با سایر ترکیبات

بررسی خصوصیات پایه[2]:

بررسی کاملتر خواص سه نوع الیاف[2]: کربنی، آرامیدی و الیاف شیشه...A: عالی B: متوسط C: بد

بررسی قیمت:

 

نتیجه گیری

الیاف کربن به دلیل سبک بودن و خواص مکانیکی منحصر به فرد، امروزه  نقش بسیار مهمی به عنوان تقویت کننده(Reinforcement)  کامپوزیت ها ایفا می کنند. بدلیل تکنولوژی بالای تهیه این الیاف معدود کشورهایی توانایی تهیه این گونه الیاف به ویژه الیاف با مقاومت کششی و مدول بالا برخوردارند. امروزه کامپوزیت این الیاف جایگاه بسیار ویژه ای در صنایع دست بالا را به خودشان اختصاص داده اند و به مرور زمان با ارزان تر شدن تهیه این الیاف صنایع پایین دستی نیز توانایی بهره برداری از آن را خواهند داشت.

منابع

1. Carbon fiber and their composites, Peter Morgan, 2005

2. Guide to composites

   3.DOI 10.1007/s12274-011-0192-z

4. www.carbon-fiber.com  

  5. http://edu.nano.ir/paper/221

   6. http://edu.nano.ir/paper/65

    7. http://yon.ir/sTTO7

8.   doi:10.3390/ma2042369

پی نوشت:

http://yon.ir/akV3J

پیش ماده پن در کشور ما فعلا تحریم هست و تولید داخل ندارد  برای همین آخرین خبر از کارخانه تولیدی حاکی از این هست که کارخانه با یک سوم ظرفیت فعاله.

ایمیل: m.taginejad.ch.iut.ac.ir

ادامه دارد...

[ayaran 505]

بخش دوم

کامپوزیت الیاف کربن

مقدمه

کامپوزیت ها ترکیباتی  هستند که حداقل از ترکیب دو ماده مختلف به وجود می آیند تا در کنار هم باعث ایجاد خواصی بشوند که متفاوت از خواص هر کدام از اجزای سازنده اش است. هر کامپوزیتی از دو بخش تشکیل میشود: ماتریکس و تقویت کننده. ماتریکس یا زمینه بخش بزرگ کامپوزیت را شامل می شود و تقویت کننده به مقدار کمی برای تغییر(بهبود) خواص ماتریکس با روش های متنوعی به آن اضافه می شود. تقویت کننده ها امروزه معمولا الیاف هستند. کامپوزیت ها بر اساس ماتریکسشان به سه دسته پایه فلزی، سرامیکی و پلیمری تقسیم می شوند. کامپوزیت ها با زمینه پلیمری معمولا رایجترند و رزین های پایه پلیمری به عنوان زمینه و انواع مختلفی از الیاف مثل الیاف کربن، آرامیدها و الیاف شیشه به عنوان تقویت کننده به کار برده می شوند. کامپوزیت ها با زمینه فلزی بیشتر در صنعت خودروسازی کاربرد دارند و آلومینیوم به عنوان زمینه و فیبرهایی از قبیل سیلکون کاربید به عنوان تقویت کننده استفاده می شوند. کامپوزیت ها زمینه سرامیکی بیشتر برای محیط ها با دمای بسیار بالا ( خروجی موتورها) کاربرد دارند و از سرامیک به عنوان زمینه و از الیاف کوتاه یا موادی مثل نیترید بور به عنوان تقویت کننده استفاده می شود[1].

کامپوزیت ها با زمینه پلیمری: سیستم های رزینی از قبیل اپوکسی ها و یا پلی استرها به دلیل خواص مکانیکی پایینتر مثلا نسبت به فلزات به تنهایی استفاده کمی در تولیدات مختلف دارند اما این توانایی را دارند که در فرم های پیچیده شکل بگیرند. موادی از قبیل شیشه، آرامید و بورون دارای مقاومت فشاری و کششی بالایی هستند اما در حالت جامد(solid form) این ویژگی ها نمایان نمی شوند این به این خاطر هست هنگام تنش، ترک های سطحی تصادفی سبب می شود هر ماده ای پایین تر از نقطه تئوری شکستش(breaking point) ترک بردارد و از بین برود. برای حل این مشکل مواد به شکل الیاف تولید می شوند بنابراین اگر چه ترک های سطحی یکسانی ایجاد می شود اما این ترکها در تعداد کمی از الیاف محصور میشوند و قدرت واقعی ماده به قدرت نظری اش نزدیک می شود. بنابراین یک دسته از الیاف ماده عملکرد بهتری از ماده (نسبت به صورتهای دیگر ماده) را نشان می دهند. با این حال الیاف فقط در جهت طول (و نه عرض) خود مقاومت کششی قوی نشان می دهند، مثل یک طناب معمولی. وقتی سیستم های رزینی با تقویت کننده هایی از قبیل فیبر کربن و شیشیه ترکیب می شوند خواص منحصر به فردی را به نمایش میگذارند. زمینه رزین بین تک تک الیاف لود شده و کامپوزیت الیاف مورد نظر را شکل داده و الیاف را از آسیب های ناشی از ضربه و سایش محافظت می کند. استحکام بالا، سختی، سهولت شکل دادن و ساخت اشکال پیچیده ، مقاومت بالا در برابر عوامل محیطی در کنار چگالی پایین، کامپوزیت ها را به مواد کاربردی بی بدیلی در صنایع مختلف تبدبل کرده است[1,2].

خصوصیات یک کامپوزیت حد واسط بین خصوصیات زمینه و تقویت کننده هست

خصوصیات کامپوزیت با چهار عامل زیر تعیین می شود

1-خصوصیات الیاف

2- خصوصیات رزین

3- نسبت الیاف به رزین در کامپوزیت

4-ژئومتری(هندسه) و جهت گیری الیاف در کامپوزیت

هر کامپوزیتی باید در برابر 4 عامل کشش، تراکم، خمیدگی و shearing مقاومت کند[1].

کشش(Tension): پاسخ کامپوزیت به کشش بیشتر وابسته به سختی کششی و مقاومت الیاف در برابر کشش هست.

تراکم(Compression): چسبندگی و سفتی رزین عامل کلیدی هست. نقش رزین نگه داشتن الیاف مثل ستون راست و مانع از خمشدگی آنهاست.

Shear: باعث ایجاد لغزش در صفحات مجاور می شود. رزین نقش اصلی را دارد و باعث انتقال تنش در سراسر کامپوزیت می شود. برای مقابله با این تنش رزین باید چسبندگی خوبی با الیاف تقویت کننده داشته باشد. این تنش جهت بررسی کامپوزیت های چند لایه مورد بررسی قرار میگیرد.

خمیدگی (flexure): ترکیبی از سه عامل بالا هست پس هم رزین و هم الیاف نقش کلیدی دارند.

استحکام و مدول بالای فیبرهای کربن سبب شده تا از آن به عنوان تقویت کننده برای پلیمرها، فلزات، کربن ها، سرامیک ها استفاده شود. تقویت کننده کاربردی به پیوند قوی بین تقویت کننده و ماتریکس مخصوصا برای الیاف کوتاه نیاز دارد. برای کامپوزیت های یک جهته ( الیاف همگی در یک راستا) استحکام کششی طولی مستقل از پیوند بین فیبر و زمینه هست، اما استحکام کششی عرضی و قدرت خمشی(برای خم شدن در جهات طولی و عرضی) با افزایش پیوند بین فیبر و زمینه افزایش پیدا می کند. باید در نظر داشت که افزایش بیش از حد پیوند بین فیبر و زمینه باعث شکنندگی کامپوزیت می شود. مکانیسم پیوند بین فیبر و زمینه شامل پیوندهای شیمیایی( "احتمالا منظور پیوندهای کوولانسی هست"، مترجم)، پیوندهای واندروالس و در هم تنیدگی(interlocking) مکانیکی هست. پیونهای شیمیایی را می توان با اصلاح شیمیایی الیاف و یا با عملیات سایزینگ( پوشش دهی الیاف) افزایش داد[2].

استحکام کششی کامپوزیت الیاف کربن در مقایسه با سایر ترکیبات[1]:

مدول کششی کامپوزیت الیاف کربن در مقایسه با سایر ترکیبات:

کامپوزیت الیاف کربن در صنایع نظامی:

کاربردهای بسیار متنوعی برای کامپوزیت الیاف کربن می توان در نظر گرفت که بدلیل سبکی جایگاه بسیار ویژه ای در صنایع نظامی دارند. بتن مسلح، بال و بدنه هواپیماهای تجاری و نظامی ، کوادکوپترها، پره های توربین های بادی و ... که به چند مورد بصورت مختصر در ادامه پرداخته میشود.لازم هست به نکته ای اشاره شود، بر خلاف تصور عامه الیاف کربن به دلیل استحکام پایین در برابر ضربه( جدول پست قبل high Impact strength) به تنهایی نمی توانند در جلیقه های ضد گلوله مورد استفاده قرار بگیرند. برای ضربه گیری از الیاف آرامیدی به ویژه کولار( تنها و یا همراه ترکیبات مختلف)  استفاده می شود.

هلمت های آینده: در آزمایش موفقیت آمیزی  که در آمریکا انجام گرفته از فیبر کربن(AS4) با زمینه پلی فنیلن سولفید (PPS) به عنوان پوسته خارجی و از الیاف آرامیدی کولار49 به عنوان پوسته بالستیکی((ballistic shell استفاده شده و نتایج  رضایت بخشی بدست آمده است[3].

رزم ناوها و کشتی ها: کشتی M80 Stiletto بزرگترین کشتی هست که تماما از مواد کامپوزیتی بسیار پیشرفته توسط نیروی دریایی ایالات متحده و با هدف انتقال نیروهای ویژه در سریعترین زمان ممکن توسعه یافته هست. بدنه اصلی بیشتر از الیاف کربن ساخته شده و باعث کاهش وزن کشتی به 45 تن شده است و قادر هست با سرعت 60 نات تا محدوده 900 کیلومتری به صورت فول لود (20تن) حرکت کند[4].

شفت با کاربردهای متنوع و لوله تفنگ:

نتیجه گیری: بر حسب نیاز و تقاضای صنایع مختلف کامپوزیت ها با ویژگی های متنوعی سنتز شده اند که از این میان کامپوزیت الیاف کربن به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند نسبت به بقیه کامپوزیت ها در صنایع نظامی، آینده بسیار پرکاربردی خواهند داشت.

منابع:

1. Guide of composites

2.  Carbon fiber composites, Deborah D.L. Chung

3. https://www.compositesworld.com/articles/future-combat-helmet-promising-prototype

4. https://www.compositestoday.com/category/military

پی نوشت: مطالب ارایه شده ترجمه صرف نیستند.

ادامه دارد...

[ayaran 505]

زره مایع(Armor Liquid)

مقدمه:

سیال ها تر کیباتی هستند که میتوانند جاری شوند و اگر بخواهیم تعریف دقیقتری از نظر علم مکانیک داشته باشیم ترکیباتی که در برابر تنش برشی تغییر شکل ممتد بدهند به عنوان سیال در نظر گرفته می شوند، مثل مایعات و گازها. تمام سیال‌ها ویژگی روان شدن (گرانروی) را دارند و بر خلاف جامدات در برابر تغییر شکل مقاومت نمی‌کنند (به اصطلاح رایج «شکل ظرفی را که در آن قرار دارند به خود می‌گیرند».) یکی دیگر از ویژگی های سیالات چسبندگی و یا لزجت می باشد.لزجت یک مقیاس عددی از مقاومت سیال در برابر جریان است وعامل پیوستگی ذرات سیال می باشد. هر چقدر سیالی لزج تر باشد، ویژگی های سیال گونه آن کمتر است (به طور مثال سخت تر روان می گردد نظیر عسل). سیال ها در یک نگاه کلی تر به سیالات ایده آل و غیر ایده آل تقسیم بندی می شوند. سیالات ایده آل به صورت واقعی وجود خارجی ندارند و برای ساده سازی محاسبات در نظر گرفته می شوند در سیالات نیوتونی تنش برشی میان لایه ها صفر در نظر گرفته می شود به این مفهوم که لایه ها می توانند بدون هیچ مقاومتی روی هم حرکت کنند و هیچ چسبندگی بین لایه ها وجود ندارد و از گرانروی ماده چشم پوشی می شود. سیالات غیر ایده آل خود به دو دسته سیالات نیوتونی و غیر نیوتونی تقسیم بندی می شوند. سیال نیوتنی، سیالی است مانند آب که رابطه تنش آن در مقابل کرنش به صورت خطی بوده و امتداد آن از مبدا مختصات عبور می کند، به این مفهوم که گرانروی سیال نیوتونی مستقل از نیروی وارده بر آن است. سیال غیر نیوتنی، سیالی است که گرانروی آن با نرخ کرنش وارد بر آن تغییر می‌کند. در نتیجه چنین سیالاتی فاقد گرانروی معین هستند. مانند: صابون‌های مایع و لوازم آرایشی، خمیردندان ، غذاهایی مانند کره، پنیر، مربا، کچاپ، مایونز، سوپ و ماست، مواد طبیعی مانند ماگما، گدازه، آدامس و عصارها مانند عصارهٔ وانیل، سیالات بیولوژیکی مانند خون، بزاق و مایع سینوویال (مایع مفصلی)، امولسیون مانند سس مایونز . سیالات غیر نیوتونی نیز خود به چند دسته : سیال دیلاتانت، سیال شبه پلاستیک و پلاسیک بینگهام تقسیم می شوند.

 

دیلاتانت که shear thickening fluid (STF) نیز شناخته می شود ماده ای هست که با افزایش تنش برشی(shear strain) گرانروی ماده افزایش پیدا می کند. این رفتار معمولا در مواد خالص مشاهده نمی شود بلکه می تواند در سوسپانسیون ها اتفاق بیفتد. این رفتار می تواند توسط فاکتورهای مختلفی از قبیل اندازه، شکل و توزیع ذرات معلق در سوسپانسیون کنترل شود.ترکیب  اوبلک(oobleck) که از ترکیب آب و نشاسته ذرت بدست می آید در این دسته بندی قرار می گیرد. شبه پلاستیک ها عکس رفتار دیلاتانت ها را نشان می دهند.

وقتی هیچ تنشی اعمال نشود نیروهای دافعه موجود بین ذرات به قدر کافی زیاد هست که باعث میشود در مایع شناور باشند اما وقتی تنش اعمال می شود نیروهای بین ذره ای از بین رفته و مولکول های مایع از محل تنش دور شده و ذرات بصورت توده در می آیند که هیدروکلاستر نامیده می شوند. هیدروکلاسترها باعث افزایش گرانروی در لحظه اعمال تنش میشوند(تبدیل به ماده جامد می شوند ). پس از رفع تنش دوباره نیروهای بین مولکولی باعت از هم پاشیدن هیدروکلاسترها می شوند و ماده به صورت مایع در می آید(برگشت پذیر). اما برخی دیلاتانت ها برگشت ناپدیرند. هر چقدر سرعت تنش بالاتر باشد ماده گرانرویش بیشتر شده و سخت تر می شود. سرعت سخت شدن در حدود 10⁴ – 10⁵ بر ثانیه هست. رفتار stf در حالت معمولی و هنگام تنش در شکل زیر ملاحظه می شود.

 

 

 

 

 

 

STFترکیبی از ذرات معلق شده در حلال است. ذرات استفاده شده می توانند ار مواد محتلف ساخته شده باشند از قبیل SiO₂ یا اکسیدهای دیگر، کلسیم کربنات یا پلیمرها از قبیل پلی استایرن، پلی متیل متا آکریلات و یا پلی مرهای دیگر. ذرات با اشکال کروی، بیضوی و دیسکی شکل و با اندازه کمتر از 100 میکرون می تواند استفاده شود. حلال ها نیز می تواند حلال آبی با یا بدون افزودن نمک هایی از قبیل سدیم کلرید و یا حلال های آلی از قبیل اتیلن گلیکول ، گلیسرین و یا حلال های پایه سیلکونی از قبیل روغن سیلکون و یا ترکیبی از حلال های مختلف باشد.

درجلیقه های ضد گلوله معمولا از الیاف کولار( یک نوع الیاف آرامیدی) به تنهایی و یا در کنار یک صفحه سرامیکی استفاده می شود الیاف کولار به دلیل حضور پیوندهای هیدروژنی در زنجیره ساختاریشون دارای خصوصیت ضربه گیری ومقاومت کششی بسیار بالایی هستند. امروزه خاصیت ضربه گیری این الیاف را می توان با دیلاتانت ها تقویت کرد.

الیاف کولار

طی تحقیقی ک توسط جناب لی و همکارانش در سال 2003 انجام شد از ذرات سیلکا معلق شده در اتیلن گلیکون با قطرذرات در حدود446 میکرومتر با کسر حجمی 0.57 استفاده شد. تحقیقات نشان داد که سرعت تبدیل شدن(مایع به جامد) در حدود 10⁴-10⁵ بر ثانیه هست و همچنین این تبدیل شدن برگشت پذیر هست و پس از رفع تنش بلافاصله به حالت مایع برمیگردد. همچنین از الیاف کولار با چگالی سطحی(areal density) 180g/m² جهت کامپوزیت سازی استفاده شد. جهت ساخت کامپوزیت، STF در الیاف کولار تا حد اشباع آغشته شد و جهت سهولت کار  اتانول به اتیلن گلیکول اولیه اضافه شد تا STF راحتتر با کولار آغشته بشود. بعد از کامپوزیت سازی نمونه در آون در دمای 80 درجه به مدت 20 دقیقه گذاشته شد تا اتانول از ساختار حذف شود. شماتیکی از نمونه آماده شده در شکل مشاهده می شود دو تکه آلومینیوم 5.08*5.08 جهت کپسوله کردن نمونه (هدف) استفاده شد. الیاف کولار با ابعاد 4.76*4.76 بریده شد و با  مقدارهای مختلف STF (2و4و8 میلی لیتر)برای هر لایه با آن آغشته می شود و جهت ممانعت از ریخته شدن داخل کیسه(پلی اتیلن) مهرموم میشوند.

تست های بالستیک:

تستهای بالستیک توسط  smooth helium gas gun و در دمای اتاق (25 درجه) و با استاندارد ناتو انجام گرفته است(شکل زیر). سرعت ضربه ( impact velocity) هم در حدود 244متر بر ثانیه محاسبه شده است.

نمونه ای از نمونه های تهیه شده

همانطور که در جدول یک ملاحظه می شود 4 لایه کولار آغشته با دو میلی لیتر STF (نمونهA)عمق نفوذ کمتری نسبت به 10 لایه کولار خالی یا وزن تقزیبا برابر دارد.

همچنین با توجه به جدول دو نمونه A نسبت به نمونه D که شامل 4لایه کولار آغشته به 4میلی لیتر اتیلن گلیکول هست با وزن کمتر عمق نفوذ کمتری دارد.

 جدول شماره 3 به ما نشان میدهد در کنار حجم STF و تعداد لایه کولار به کار برده شده نوع قرارگیری لایه ها هم نقش مهمی دارد به طوری که با شرایط یکسان و فقط تفاوت در نحوه قرارگیری،نمونهE  از نمونهF عمق نفوذ کمتر و در نتیجه جذب انرژی بالاتری برخوردار است.

جدول شماره چهار نشان میدهد با افزایش حجم STF به کار برده شده در 4 لایه کولار عمق نفوذ به شدت کمتر می شود.

در ادامه کار جهت بررسی سلیکا خشک در مقاومت نمونه ها به برخی از نمونه ها مقدار متفاوتی از سیلکا خشک اضافه شده که نتایج نشان میدهد اثر محسوسی نداشته و STF سیال گونه اثر بهتری از STF تقویت شده با سلیکا خشک دارد . نتایج در جدول شماره 5 ارایه شده اند.

در جدول شماره 6 نحوه چیدمان لایه های کولاربا حجم های مختلفی از STF مقایسه شده است. در نهایت آغشته سازی 4 لایه کولار با STF های مختلف مورد بحث و بررسی قرارگرفته هست و همانطور که در جدول شماره 7 مشخص هست ذرات کربنات کلسیم معلق شده در حلال اتیلن گلیکول بهترین کارایی را نشان داده اند.

نتیجه گیری:

در ادوات نظامی مخصوصا تجهیزات انفرادی سبک بودن و بادوام بودن  لوازم  شرط اساسی بقاپذیری در صحنه رزم امروزی محسوب می شود. زره مایع در کنار الیاف کولار بدلیل سبک بودن، منعطف بودن و ضربه گیری موثر  مورد توجه قرار گرفته اند. حلال مورد استفاده ، اندازه ذرات، نوع ذرات، نسبت حجمی بین ذراتو حلال در STF و چیدمان قرار گیری الیاف و STF از عوامل کلیدی در کارایی زره مایع محسوب می شوند.

منابع:

http://yon.ir/aksaY

http://dilatantfluids.weebly.com/1-what-are-dilatant-fluids.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Dilatant

US 7,226,878 B2

US 3,649,426

پی نوشت:

http://yon.ir/8qJDI

تالیف و ترجمه صرفا برای میلیتاری می باشد.

ادامه دارد...

 

 

 

 

 

 

 

 

ویرایش شده در مرداد 97 توسط ayaran

[ayaran 505]

زره مایع 

بخش دوم

مقدمه: در پست قبلی به عوامل موثر در عملکرد یک زره مایع اشاره شد عواملی از قبیل نسبت حجمی بین ذرات و حلال ، شکل ذرات، اندازه ذرات، تسهیم متناسب اندازه ذرات و برهم کنش ذرات با همدیگر.

یافته ها نشان داده همه عوامل ذکر شده نقش باالقوه ای در رفتار دیلاتانت ها دارند. نسبت حجمی بین ذرات و حلال دارای بیشترین اثر گذاری هست که در حقیقت مقدار حجمی از حجم کل سیستم هست که توسط ذرات اشغال می شود. مایعی ویژگی های یک دیلاتانت را دارد که حداقل نسبت حجمی بین ذرات و حلال از یک مقدار مشخصی پایین تر نباشد. نسبت حجمی بین ذرات و حلال تقریبا باید 50 درصد حجم کل سیستم را شامل شود. نمودار یک ویسکوزیته را به عنوان تابعی از نرخ برشی( shear rate) برای سیلیکون کلوییدی ک در پلی اتیلن گلیکول پراکنده شده را نشان می دهد.

                             نمودار یک                                                                        نمودار دو

 

همانطور که مشاهده می شود برای نسبت حجمی بین ذرات و حلال برابر با 62درصد ویسکوزیته ب سرعت در نرخ برشی 10s^-1 افزایش پیدا می کند حال اینکه برای کسر حجمی برابر با 57درصد نرخ برشی در 300s^-1 ویسکوزیته سریعا افزایش پیدا می کند(ب حالت جامد تبدیل می شود).بنابراین افزایش کسر حجمی ذرات در دیلاتانت ها نرخ برشی بحرانی را کاهش می دهد.(زمان لازم برای پاسخگویی سریعتر اتفاق می افتد.م). نمودار دو اثر  شکل ذرات را نشان می دهد از میان اشکال مختلف ذرات با شکل میله ای اثر گذاری بالاتری دارند به طوری که ویسکوزیته در نرخ برشی 200s^-1  سریعا افزایش می یابد حال آنکه برای ذرات کروی ویسکوزیته به صورت آرام در300s^-1 افزایش می یابد.

اندازه ذرات نیز نقش بسزایی ایفا می کنند بطوری که با افزایش اندازه ذرات نرخ برشی بحرانی(critical shear rate) کاهش می یابد. نمودار سه اثر اندازه میانگین ذرات با کسر حجمی تقریبا پنجاه درصد را بروی نرخ برشی بحرانی نشان می دهد(ذرات درشت تر هیدروکلاستر ها را سریعتر ایجاد می کنند در نتیجه زمان پاسخگویی ب ضربه کوتاه تر است. م).

  

                         نمودار سه                                                                                       نمودار چهار

 

جناب لی و همکارانش از ذرات سیلیکا با ابعاد 300،100و500با کسرحجمی جامد 65درصد در هر سه نمونه استفاده کردند آنها دریافتند که افزایش اندازه ذرات نرخ برشی بحرانی را کاهش می دهد. (نمودار چهار)

نمودار پنج اثر تسهیم متناسب اندازه ذرات در رفتار یک دیلاتانت را نشان می دهد. تسهیم نامتناسب اندازه ذرات باعث افزایش نرخ برش بحرانی می شود. نمودار ویسکوزیته خاک رس A با اندازه ذرات9 میکرومتر و رس B با اندازه ذرات هفت دهم را نشان می دهد که با نسبت های مختلفی مخلوط شده اند. در مخلوط دو خاک رس با اندازه ذرات متفاوت با نسبت 85:15 و نسبت 50:50افزایش ویسکوزیته مشاهده نمیشود

                                 نمودار 5

منبع:

10.1080/10408436.2011.613493

[ayaran 505]

بخش اول

مواد منفجره نیتروژن دار

مقدمه

استفاده از نیتروژن در مواد منفجره یک تناقض آشکار هست چرا که مولکول گاز نیتروژن یکی از پایدارترین پیوندها که تا حالا کشف شده است را دارد. اگر نیتروژن ماده منفجره هست پس چرا اتمسفر که عمدتا از نیتروژن هست در معرض انفجارهای ویرانگر نیست؟

چه چیزی باعث می شود که نیتروژن یک جز جادویی به حساب بیاید؟

حدود 78 درصد از هوا را نیتروژن تشکیل می دهد در هوا مولکول های  نیتروژن از دو اتم  تشکیل شده است که از طریق پیوند سه گانه (جز قوی ترین پیوند ها ) به هم متصل اند. این پیوند سه گانه باعث میشود که گاز نیتروژن غیر فعال باشد بدلیل اینکه شکستن چنین پیوندی بسیار سخت است.اما پیکره مواد منفجره از نیتروژن و عناصری از قبیل اکسیژن و هیدروژن تشکیل شده است که از طریق پیوند های ضعیف تر به هم ملحق شده اند. بنابراین انرژی کمتری برای شکستن این پیوند ها لازم است. وقتی شکسته می شوند اتم های نیتروژن آزاد شده و از طریق پیوند های مستحکم سه گانه به هم متصل شده و پایدار می شوند.

پیوند یک گانه‹ پیوند دوگانه ‹ پیوند سه گانه

اما چرا این باعث انفجار میشود؟

از لحاظ ترمودینامیکی شکسته شدن پیوند نیازمند انرژی هست در حالی که تشکیل پیوند باعث آزاد شدن انرژی می شود. پیوندهای قوی وقتی شکسته و یا تشکیل می شوند انرژی زیادی تجمیع و یا آزاد می شود بنابراین انرژی کل ایجاد شده بوسیله برهمکنش، بین پیوند قوی قدیمی و پیوند جدید شکل یافته مبادله می شود. انفجار ترکیبات حاوی نیتروژن از طریق آزاد شدن انرژی عظیمی به هنگام تشکیل مولکول های نیتروژن از طریق پیوند های سه گانه(N₂) اتفاق می افتد. تشکیل یک پیوند سه گانه انرژی بیشتری آزاد می کند و لازم است که سه باند یگانه نیتروژن شکسته شود . نکته اینجاست که شما پیوند های ضعیفی را شکسته و پیوند های بسیار قوی ایجاد می کنید. فاکتور دوم که باعث میشود ترکیبات حاوی نیتروژن مواد منفجره ای باشند این هست که فرم جدیدی که مولکول ها تشکیل میدهند به صورت گاز هست که سریع گسترش می یابد و موج ضربه ای (Shock wave)ایجاد می کند.

موج انفجار

آیا فسفر هم می تواند منفجره باشد؟

فسفر در جدول تناوبی دقیقا در گروه نیتروژن و زیر آن قرار می گیرد و بنابراین شیمی یکسانی دارند. مثل نیتروژن فسفر می تواند پیوند های سه گانه تشکیل دهد اما بسیار کمتر و کم انرژی تر  از هم نوع خود، بنابراین  هنگام تشکیل ، انرژی در حد اندازه های نیتروژن نمیتواند ایجاد کند.

شیمی یکسان فسفر و نیتروژن

مواد منفجره چطور کار می کنند؟

در قلب هر انفجار،بر هم کنش های اکسایش- کاهش هستند که ردوکس حرارت زا (exothermic redox)نامیده می شوند. برهم کنش های ردوکس واکنش هایی هستند که در آنها تبادل الکترون اتفاق می افتد. اکسایش و کاهش به تنهایی انجام پذیر نیستند. چون یک ماده نمی‌تواند کاهیده شود مگر آن که هم‌زمان ماده‌ای دیگر، اکسیده گردد، ماده کاهیده شده، عامل اکسایش است و بنابراین عامل اکسنده نامیده می‌شود و ماده‌ای که خود اکسید می‌شود، عامل کاهنده می‌نامیم. همچنین در هر واکنش، مجموع افزایش اعداد اکسایش برخی عناصر، باید برابر مجموع کاهش شماره اکسایش عناصر دیگر باشد. در مورد مواد منفجره، این معامله اکسوترمی است، به این معنی که پس از اتمام، گرما آزاد می شود. به عنوان مثال، مخلوطی از نیترات پتاسیم، کربن و گوگرد در مقادیر مناسب، به معنی باروت شناخته می شود. واکنش شیمیایی هنگامی رخ می دهد که مخلوط در معرض گرما و یا حتی یک جرقه قرار بگیرد. گونه های اکسیداسیون کربن و گوگرد هستند، در حالی که نیترات پتاسیم کاهش می یابد. این واکنش، از نظر شیمیایی، باعث انفجار انرژی در قالب گرما و نور می شود. با این حال، واکنش اکسوترمی یک انفجار را تضمین نمی کند. دلیل زنگ زدن آهن نیز یک واکنش ردوکس حرارت زا هست. کلید ایجاد انفجار فقط یک واکنش اکسترومی نیست، بلکه واکنش باید سریع باشد. زنگ زدگی، آهن را منفجر نمی کند، زیرا فرآیند بسیار آهسته و طولانی است.

هنگامی که یک فرد انفجار را به صورت فیزیکی، شیمیایی یا الکترونیکی هدایت می کند، انتقال فازی از جامد یا مایع به گاز صورت میگیرد. گرما آزاد شده در واکنش، دمای این گاز را افزایش می دهد. با این حال، ماهیت سریع این واکنش به این معنی است که انتقال و در نتیجه گسترش این گاز بسیار زیاد است. یک گرم TNT تقریبا یک لیتر گاز را در ثانیه تولید می کند که افزایش هزار برابر حجم است! بنابراین، انرژی و فشار که تقریبا بلافاصله آزاد می شود، به عنوان یک موج شوک سریع که به اندازه کافی قدرتمند است که به راحتی مردم، درختان و ماشین ها را نابودکند، ایجاد میشود.

ادامه دارد...

منبع

https://www.scienceabc.com/innovation/why-do-explosives-have-nitrogen-in-them.html

ویرایش شده در اسفند 97 توسط ayaran