منسوجات و پوشش های بالستیکی، الیاف معدنی

قدیمی‌ترین و شناخته‌شده‌ترین لیف با کارایی بالا، لیف شیشه است. الیاف شیشه‌ای نسبتاً غیرانعطاف‌پذیر بوده و بنابراین برای کاربرد در بسیاری از منسوجات مناسب نمی‌باشند. با این وجود مشخص شده است که از آن ها می‌توان در محدوده وسیعی از کاربردهای نهایی عایق‌سازی، پارچه های ضدحریق و مواد تقویت‌کننده در کامپوزیت‌های پلاستیکی و حتی در صنعت ارتباطات (فیبر نوری) استفاده کرد.

مواد و الیاف معدنی

1- الیاف شیشه

مدت کوتاهی پس از تجاری شدن الیاف نایلون در اواخر دهه 30، فایبرگلاس با محدوده وسیعی از کاربرد­ها به دنیا ارائه شد. فایبرگلاس در ابتدا برای مصارف صنعتی به عنوان شیشه E (آلومینو بوروسیلیکات) در دسترس قرار گرفت. این لیف شیشه‌ای نسبتاً گران، به طور وسیع به عنوان عایق الکتریکی و حرارتی استفاده شد و فاز تقویت‌کننده در (احتمالاً) اولین چند لایی بالستیک به نام Doron بوده است که در بخش آخر جنگ جهانی دوم معرفی شد. الیاف شیشه E نخست در شکل لایه‌های تک­جهته متقاطع، با 25 درصد رزین پلی استر به عنوان ماتریس استفاده شدند که سپس با ساختارهای دسته­الیاف بافته‌شده در پلی‌استر چقرمه و رزین‌های فنولی جایگزین شد. پس از مدتی Owens-Corning الیاف شیشه S-2 را معرفی کردند که از منگنز آلومینوسیلیکات تشکیل شده و استحکام کششی و چقرمگی بسیار بیشتری دارد و به سرعت کاربرد بهبود یافته‌ای به عنوان مواد زرهی با جایگزینی مستقیم به جای شیشه E در معماری های مشابه پیدا کرد.

با اینکه امروزه الیاف شیشه S-2 بسیار گران‌تر از شیشه E هستند، اما همچنان یکی از ارزانترین الیاف تقویت‌کننده در صفحات بالستیک می‌باشند. الیاف S-2 در پارچه های بافته‌شده از دسته الیاف، در مقادیر بسیار زیاد برای لایه‌های بالستیکی با ماتریس پلی‌استر، وینیل‌استر، اپوکسی و فنولیک به کار گرفته می‌شوند. محتوای رزین نوعاً بین 20 تا 30 درصد وزنی است. لایه های الیاف S-2 به عنوان آسترهای ورقه­ ای در ادوات جنگی، کشتی‌های نیروی دریایی و هواپیماهای ارتش ایالات متحده به کار می‌روند. از این مواد همچنین در صفحات محافظت‌کننده در پشت کاشی های سرامیکی با کارایی بالا در سیستم های زرهی سبک استفاده می‌‎شود.

2- الیاف آلومینا

مشخص شده که این الیاف با ویژگی‌های فشاری و حرارتی به شکل چندلایی و در جایی که استحکام فشاری و یا دمای بالا مد نظر است عملکرد مطلوبی دارند. آلومینیوم سخت‌شده، منگنز و سرب نمونه‌هایی از محدوده مواد قابل ترکیب با الیاف آمومینا در کامپوزیت‌های ماتریس فلزی مقاوم به سایش هستند. این الیاف نیز کاربردهای بالستیکی دارند اما به دلیل دانسیته بالا، استحکام کششی کم و قیمت بالا به میزان قابل توجهی در زره های بالستیکی به کار گرفته نمی‌شوند. ویژگی‌های الیاف آلومینای تجاری در جدول 1 آورده شده است.

جدول1: انواع الیاف آلومینا، سازندگان و ویژگی های آن ها

3- الیاف سیلیکون کارباید

این الیاف به وسیله نشست بخارات شیمیایی و یا با پیرولیز پیش ماده تهیه می‌شوند. این الیاف گران‌قیمت هنگامی استفاده می‌شوند که مقاومت حرارتی بسیار بالایی (تا C° 1200 در اتمسفرهای گوناگون) مورد نیاز است. کاربرد الیاف تجاری نیکالون (شرکت Hercules) در کامپوزیت‌های بسیار گران قیمت بالستیکی که تحت نام SiC-SiC (سیلیکون کارباید-سیلیکون کارباید) شناخته می‌شوند، مورد ارزیابی قرار گرفته‌اند. این کامپوزیت‌ها در اثر نفوذ بخار شیمیایی بتا SiC به عنوان ماتریسی که الیاف تقویت‌کننده سیلیکون کاربایدی نیکالون را در بر گرفته است، تهیه می‌شوند. البته به دلیل دسترسی محدود به این الیاف و همچنینی قیمت بالای آن‌ها، الیاف سیلیکون کارباید عملاً برای تولید انبوه زره، گزینه مطرحی نیستند. استحکام کششی ویژه این الیاف بیشتر از الیاف شیشه E است اما در ازدیاد طول حدود 1% تا حدودی رفتار شکننده از خود نشان می‌دهند.

الیاف تجاری پیوسته و چندفیلامنتی نیکالون از پلی دی‌متیل‌سیلان به دست می‌آیند، با این وجود سایر پلیمرهای ارگانو‌سیلیکون نیز برای ساخت الیاف سیلیکون کارباید مورد استفاده قرار می‌گیرند. پلی‑دی­متیل‌سیلان در ابتدا در شرایط تقطیر قرار می‌گیرد تا اجزاء با وزن مولکولی کم در آن جدا شوند و سپس پلیمر با وزن مولکولی متوسط g/mol 1500 در دمای °C 280 ذوب‌ریسی شده و در هوا و در دمای °C 200 پخت می‌شود. سپس این الیاف به منظور ارتقاء خواص مکانیکی، در جو نیتروژن و یا خلاء، تا دمای بین 800 تا °C 1500 حرارت داده می‌شوند. ویژگی های مکانیکی بهینه در حدود °C 1250 به دست می‌آید. الیاف نیکالون دارای مدول GPa 200 و استحکام کششی GPa 8/2 هستند.

الیاف سیلیکون کارباید پیوسته را می‌توان به وسیله نشست بخار شیمیایی (CVD) نیز تهیه کرد. در این روش، الیاف سوبسترای تنگستن یا کربن همراه با بخارات CH₃SiHCl₂، C₂H₅SiCl₃ یا CH₃SiCl₃ مورد استفاده قرار می‌گیرند. مثلاً الیاف سیلیکون کاربید با مدول GPa 400 و استحکام کششی GPa 5/3 در یک راکتور لوله ای شیشه‌ای و با استفاده از این فرایند بر روی سوبسترای تک رشته‌ای کربن (که خود از ذوب­ریسی قیر بدست آمده‌است) ساخته شده است. تجزیه سطح این لیف در دمای °C 700 صورت می­گیرد تا الیاف پیوسته بتا-SiC بر روی سوبسترا تشکیل شود. سیلیکون کارباید دارای ویژگی‌های حرارتی و پایداری ترمواکسایشی مطلوبی است و عایق الکتریسیته خوبی است. در کاربردهای کامپوزیتی، این الیاف را می‌توان برای تقویت پلیمرها، فلزات و مواد سرامیکی به کار گرفت. انواع الیاف سرامیکی، سازندگان آن­ها و مقایسه ویژگی‌های آنها در جدول 2 آمده است.

جدول2: انواع الياف سراميکی و ويژگی­های آن ها

5- الیاف بور

الیاف بور یکی دیگر از الیاف مدول بالاست که کاربرد های خاص دارد. الیاف بور نیز به وسیله نشست بخارات شیمیایی بر روی فیلامنت تنگستن ساخته می شوند و بنابراین بسیار گران هستند. از این الیاف در جایی که سختی فشاری بالایی مورد نیاز است، استفاده می شود. چگالی بور g/cm³ 34/2 و چگالی الیاف آن با مغزی تنگستن و قطر 100 میکرومتر، حدود g/cm³ 6/2 می باشد. این الیاف استحکام کششی ویژه ای نزدیک به شیشه E داشته و ازدیاد طول کم آن نیز مشابه با الیاف نکستل (الیاف آلومینا بوریا سیلیکا) است که تصور می شود کاربرد آن را در چند لایی های بالستیکی محدود کند. از طرفی ظرفیت تولید این الیاف در مقایسه با الیاف آرامیدی، شیشه و پلی اتیلن نسبتاً کم است که دلیل دیگری برای کاربرد کم آن ها در سیستم های زرهی جدید است.

ویژگی های الیاف بور با قطرهای متفاوت در جدول3 مشاهده می شود.

جدول3: ویژگی های الیاف بور با مغزی تنگستن در قطرهای متفاوت