समग्र और समग्र सामग्री निर्माण

सरल रूप से परिभाषित, समग्र या समग्र सामग्री विभिन्न भौतिक या रासायनिक गुणों के साथ दो या एकाधिक सामग्रियों से युक्त सामग्री हैं, लेकिन जब वे संयुक्त होते हैं तो वे एक ऐसी सामग्री बन जाती हैं जो घटक सामग्री से भिन्न होती है। हमें यह इंगित करने की आवश्यकता है कि संरचना में घटक सामग्री अलग और अलग रहती है। एक मिश्रित सामग्री के निर्माण में लक्ष्य एक ऐसा उत्पाद प्राप्त करना है जो इसके घटकों से बेहतर हो और प्रत्येक घटक की वांछित विशेषताओं को जोड़ता हो। उदाहरण के तौर पे; ताकत, कम वजन या कम कीमत एक समग्र डिजाइन और उत्पादन के पीछे प्रेरक हो सकती है। हम जिस प्रकार के कंपोजिट की पेशकश करते हैं, वे कण-प्रबलित कंपोजिट, फाइबर-प्रबलित कंपोजिट हैं जिनमें सिरेमिक-मैट्रिक्स / पॉलीमर-मैट्रिक्स / मेटल-मैट्रिक्स / कार्बन-कार्बन / हाइब्रिड कंपोजिट, स्ट्रक्चरल और लैमिनेटेड और सैंडविच-स्ट्रक्चर्ड कंपोजिट और नैनोकम्पोजिट शामिल हैं।

 

कंपोजिट मैटेरियल मैन्युफैक्चरिंग में हम जो फैब्रिकेशन तकनीक तैनात करते हैं, वे हैं: पल्ट्रूज़न, प्रीप्रेग प्रोडक्शन प्रोसेस, एडवांस्ड फाइबर प्लेसमेंट, फिलामेंट वाइंडिंग, सिलवाया फाइबर प्लेसमेंट, फाइबरग्लास स्प्रे ले-अप प्रोसेस, टफटिंग, लैंक्साइड प्रोसेस, जेड-पिनिंग।
कई मिश्रित सामग्री दो चरणों से बनी होती है, मैट्रिक्स, जो निरंतर है और दूसरे चरण को घेरती है; और फैलाव चरण जो मैट्रिक्स से घिरा हुआ है।
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इससे आपको नीचे दी गई जानकारी को बेहतर ढंग से समझने में मदद मिलेगी। 

 

• कण-प्रबलित सम्मिश्र: इस श्रेणी में दो प्रकार होते हैं: बड़े-कण सम्मिश्रण और फैलाव-मजबूत सम्मिश्र। पूर्व प्रकार में, परमाणु या आणविक स्तर पर कण-मैट्रिक्स इंटरैक्शन का इलाज नहीं किया जा सकता है। इसके बजाय सातत्य यांत्रिकी मान्य है। दूसरी ओर, फैलाव-मजबूत कंपोजिट में कण आमतौर पर दसियों नैनोमीटर रेंज में बहुत छोटे होते हैं। बड़े कण मिश्रित का एक उदाहरण पॉलिमर है जिसमें फिलर्स जोड़े गए हैं। भराव सामग्री के गुणों में सुधार करते हैं और कुछ बहुलक मात्रा को अधिक किफायती सामग्री के साथ बदल सकते हैं। दो चरणों के आयतन अंश समग्र के व्यवहार को प्रभावित करते हैं। धातु, पॉलिमर और सिरेमिक के साथ बड़े कण कंपोजिट का उपयोग किया जाता है। CERMETS सिरेमिक / धातु कंपोजिट के उदाहरण हैं। हमारा सबसे आम सेरमेट सीमेंटेड कार्बाइड है। इसमें कोबाल्ट या निकल जैसे धातु के मैट्रिक्स में टंगस्टन कार्बाइड कण जैसे दुर्दम्य कार्बाइड सिरेमिक होते हैं। इन कार्बाइड कंपोजिट का व्यापक रूप से कठोर स्टील के लिए काटने के उपकरण के रूप में उपयोग किया जाता है। कठोर कार्बाइड कण काटने की क्रिया के लिए जिम्मेदार होते हैं और उनकी कठोरता को तन्य धातु मैट्रिक्स द्वारा बढ़ाया जाता है। इस प्रकार हम एक ही सम्मिश्र में दोनों सामग्रियों के लाभ प्राप्त करते हैं। हमारे द्वारा उपयोग किए जाने वाले बड़े कण मिश्रित का एक अन्य सामान्य उदाहरण उच्च तन्यता ताकत, क्रूरता, आंसू और घर्षण प्रतिरोध के साथ एक समग्र प्राप्त करने के लिए वल्केनाइज्ड रबर के साथ मिश्रित कार्बन ब्लैक पार्टिकुलेट है। एक फैलाव-मजबूत मिश्रित का एक उदाहरण धातु और धातु मिश्र धातु है जो बहुत कठोर और निष्क्रिय सामग्री के ठीक कणों के समान फैलाव द्वारा मजबूत और कठोर होता है। जब एल्यूमीनियम धातु मैट्रिक्स में बहुत छोटे एल्यूमीनियम ऑक्साइड फ्लेक्स जोड़े जाते हैं तो हम sintered एल्यूमीनियम पाउडर प्राप्त करते हैं जिसमें उच्च तापमान की ताकत बढ़ जाती है। 

 

• फाइबर-प्रबलित कंपोजिट्स: कंपोजिट की यह श्रेणी वास्तव में सबसे महत्वपूर्ण है। प्राप्त करने का लक्ष्य प्रति यूनिट वजन में उच्च शक्ति और कठोरता है। इन सामग्रियों के गुणों और उपयोगिता को निर्धारित करने में इन कंपोजिट में फाइबर संरचना, लंबाई, अभिविन्यास और एकाग्रता महत्वपूर्ण है। हमारे द्वारा उपयोग किए जाने वाले रेशों के तीन समूह हैं: मूंछें, रेशे और तार। व्हिस्कर्स बहुत पतले और लंबे सिंगल क्रिस्टल होते हैं। वे सबसे मजबूत सामग्रियों में से हैं। कुछ उदाहरण व्हिस्कर सामग्री ग्रेफाइट, सिलिकॉन नाइट्राइड, एल्यूमीनियम ऑक्साइड हैं। दूसरी ओर  FIBERS ज्यादातर पॉलिमर या सिरेमिक होते हैं और पॉलीक्रिस्टलाइन या अनाकार अवस्था में होते हैं। तीसरा समूह ठीक तार है जिसमें अपेक्षाकृत बड़े व्यास होते हैं और अक्सर स्टील या टंगस्टन होते हैं। तार प्रबलित समग्र का एक उदाहरण कार टायर है जो रबड़ के अंदर स्टील के तार को शामिल करता है। मैट्रिक्स सामग्री के आधार पर, हमारे पास निम्नलिखित कंपोजिट हैं:
पॉलिमर-मैट्रिक्स कंपोजिट्स: ये एक पॉलीमर रेजिन और फाइबर से बने होते हैं जो सुदृढीकरण घटक के रूप में होते हैं। इनमें से एक उपसमूह जिसे ग्लास फाइबर-प्रबलित पॉलिमर (GFRP) कहा जाता है, कंपोजिट में एक बहुलक मैट्रिक्स के भीतर निरंतर या असंतत ग्लास फाइबर होते हैं। ग्लास उच्च शक्ति प्रदान करता है, यह किफायती है, फाइबर में बनाना आसान है, और रासायनिक रूप से निष्क्रिय है। नुकसान उनकी सीमित कठोरता और कठोरता है, सेवा तापमान केवल 200 - 300 सेंटीग्रेड तक है। शीसे रेशा मोटर वाहन निकायों और परिवहन उपकरण, समुद्री वाहन निकायों, भंडारण कंटेनरों के लिए उपयुक्त है। वे सीमित कठोरता के कारण न तो एयरोस्पेस के लिए उपयुक्त हैं और न ही पुल बनाने के लिए। अन्य उपसमूह को कार्बन फाइबर-प्रबलित पॉलिमर (CFRP) कम्पोजिट कहा जाता है। यहाँ, बहुलक मैट्रिक्स में कार्बन हमारी फाइबर सामग्री है। कार्बन अपने उच्च विशिष्ट मापांक और शक्ति और उच्च तापमान पर इन्हें बनाए रखने की क्षमता के लिए जाना जाता है। कार्बन फाइबर हमें मानक, मध्यवर्ती, उच्च और अल्ट्राहाई तन्यता मोडुली प्रदान कर सकते हैं। इसके अलावा, कार्बन फाइबर विविध भौतिक और यांत्रिक विशेषताओं की पेशकश करते हैं और इसलिए विभिन्न कस्टम अनुरूप इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हैं। सीएफआरपी कंपोजिट को खेल और मनोरंजक उपकरण, दबाव वाहिकाओं और एयरोस्पेस संरचनात्मक घटकों के निर्माण के लिए माना जा सकता है। फिर भी, एक अन्य उपसमूह, अरामिड फाइबर-प्रबलित पॉलिमर कंपोजिट भी उच्च शक्ति और मापांक सामग्री हैं। वजन अनुपात के लिए उनकी ताकत बहुत अधिक है। अरामिड फाइबर को केवलर और नोमेक्स के व्यापारिक नामों से भी जाना जाता है। तनाव के तहत वे अन्य बहुलक फाइबर सामग्री की तुलना में बेहतर प्रदर्शन करते हैं, लेकिन वे संपीड़न में कमजोर होते हैं। अरामिड फाइबर सख्त, प्रभाव प्रतिरोधी, रेंगना और थकान प्रतिरोधी, उच्च तापमान पर स्थिर, मजबूत एसिड और बेस के अलावा रासायनिक रूप से निष्क्रिय होते हैं। खेल के सामान, बुलेटप्रूफ बनियान, टायर, रस्सियों, फाइबर ऑप्टिक केबल शीट्स में अरामिड फाइबर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अन्य फाइबर सुदृढीकरण सामग्री मौजूद हैं लेकिन कुछ हद तक उपयोग की जाती हैं। ये मुख्य रूप से बोरॉन, सिलिकॉन कार्बाइड, एल्यूमीनियम ऑक्साइड हैं। दूसरी ओर बहुलक मैट्रिक्स सामग्री भी महत्वपूर्ण है। यह समग्र के अधिकतम सेवा तापमान को निर्धारित करता है क्योंकि बहुलक में आमतौर पर कम पिघलने और गिरावट का तापमान होता है। पॉलिएस्टर और विनाइल एस्टर व्यापक रूप से बहुलक मैट्रिक्स के रूप में उपयोग किए जाते हैं। रेजिन का भी उपयोग किया जाता है और उनमें उत्कृष्ट नमी प्रतिरोध और यांत्रिक गुण होते हैं। उदाहरण के लिए पॉलीमाइड राल का उपयोग लगभग 230 डिग्री सेल्सियस तक किया जा सकता है। 
धातु-मैट्रिक्स सम्मिश्र: इन सामग्रियों में हम एक तन्य धातु मैट्रिक्स का उपयोग करते हैं और सेवा तापमान आम तौर पर उनके घटक घटकों से अधिक होता है। जब पॉलिमर-मैट्रिक्स कंपोजिट की तुलना में, इनमें उच्च ऑपरेटिंग तापमान हो सकता है, गैर-ज्वलनशील हो सकता है, और कार्बनिक तरल पदार्थों के खिलाफ बेहतर गिरावट प्रतिरोध हो सकता है। हालांकि वे अधिक महंगे हैं। सुदृढीकरण सामग्री जैसे कि मूंछ, कण, निरंतर और असंतत फाइबर; और मैट्रिक्स सामग्री जैसे तांबा, एल्यूमीनियम, मैग्नीशियम, टाइटेनियम, सुपरऑलॉय का आमतौर पर उपयोग किया जा रहा है। उदाहरण अनुप्रयोग एल्यूमीनियम ऑक्साइड और कार्बन फाइबर के साथ प्रबलित एल्यूमीनियम मिश्र धातु मैट्रिक्स से बने इंजन घटक हैं। 
सिरेमिक-मैट्रिक्स कंपोजिट्स: सिरेमिक सामग्री को उनकी उत्कृष्ट उच्च तापमान विश्वसनीयता के लिए जाना जाता है। हालांकि वे बहुत भंगुर होते हैं और फ्रैक्चर बेरहमी के लिए कम मूल्य रखते हैं। एक सिरेमिक के पार्टिकुलेट, फाइबर या व्हिस्कर को दूसरे के मैट्रिक्स में एम्बेड करके हम उच्च फ्रैक्चर बेरहमी वाले कंपोजिट प्राप्त करने में सक्षम होते हैं। ये एम्बेडेड सामग्री मूल रूप से कुछ तंत्रों द्वारा मैट्रिक्स के अंदर दरार के प्रसार को रोकती हैं जैसे कि दरार युक्तियों को विक्षेपित करना या दरार वाले चेहरों पर पुल बनाना। एक उदाहरण के रूप में, एल्यूमिना जो सीआईसी व्हिस्कर्स के साथ प्रबलित होते हैं, मशीनिंग हार्ड मेटल मिश्र धातु के लिए उपकरण आवेषण काटने के रूप में उपयोग किए जाते हैं। ये सीमेंटेड कार्बाइड की तुलना में बेहतर प्रदर्शन प्रकट कर सकते हैं।  
कार्बन-कार्बन कंपोजिट्स: सुदृढीकरण और मैट्रिक्स दोनों ही कार्बन हैं। उनके पास 2000 सेंटीग्रेड से अधिक उच्च तापमान पर उच्च तन्यता मोडुली और ताकत है, रेंगना प्रतिरोध, उच्च फ्रैक्चर क्रूरता, कम थर्मल विस्तार गुणांक, उच्च तापीय चालकता। ये गुण उन्हें थर्मल शॉक प्रतिरोध की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाते हैं। हालांकि कार्बन-कार्बन कंपोजिट की कमजोरी उच्च तापमान पर ऑक्सीकरण के प्रति इसकी भेद्यता है। उपयोग के विशिष्ट उदाहरण हैं हॉट-प्रेसिंग मोल्ड्स, उन्नत टरबाइन इंजन घटकों का निर्माण। 
हाइब्रिड कंपोजिट: एक ही मैट्रिक्स में दो या दो से अधिक विभिन्न प्रकार के फाइबर मिश्रित होते हैं। इस प्रकार गुणों के संयोजन के साथ एक नई सामग्री तैयार की जा सकती है। एक उदाहरण है जब कार्बन और ग्लास फाइबर दोनों को बहुलक राल में शामिल किया जाता है। कार्बन फाइबर कम घनत्व कठोरता और ताकत प्रदान करते हैं लेकिन महंगे हैं। दूसरी ओर कांच सस्ता है लेकिन कार्बन फाइबर की कठोरता की कमी है। ग्लास-कार्बन हाइब्रिड कंपोजिट मजबूत और सख्त है और इसे कम लागत पर निर्मित किया जा सकता है।
फाइबर-प्रबलित कंपोजिट का प्रसंस्करण: समान रूप से वितरित फाइबर के साथ निरंतर फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक के लिए एक ही दिशा में उन्मुख हम निम्नलिखित तकनीकों का उपयोग करते हैं।
पुल्ट्रसियन: निरंतर लंबाई और निरंतर क्रॉस-सेक्शन की छड़, बीम और ट्यूब निर्मित होते हैं। निरंतर फाइबर रोविंग्स को थर्मोसेटिंग रेजिन के साथ लगाया जाता है और स्टील डाई के माध्यम से खींचा जाता है ताकि उन्हें वांछित आकार में बनाया जा सके। इसके बाद, वे अपने अंतिम आकार को प्राप्त करने के लिए एक सटीक मशीनी इलाज मरने से गुजरते हैं। चूंकि क्योरिंग डाई को गर्म किया जाता है, यह रेजिन मैट्रिक्स को ठीक करता है। खींचने वाले सामग्री को मरने के माध्यम से खींचते हैं। सम्मिलित खोखले कोर का उपयोग करके, हम ट्यूब और खोखले ज्यामिति प्राप्त करने में सक्षम हैं। pultrusion विधि स्वचालित है और हमें उच्च उत्पादन दर प्रदान करती है। किसी भी लम्बाई के उत्पाद का उत्पादन संभव है। 
प्रीप्रेग उत्पादन प्रक्रिया: प्रीप्रेग एक निरंतर-फाइबर सुदृढीकरण है जो आंशिक रूप से ठीक किए गए बहुलक राल के साथ पूर्व-गर्भवती है। यह व्यापक रूप से संरचनात्मक अनुप्रयोगों के लिए उपयोग किया जाता है। सामग्री टेप के रूप में आती है और टेप के रूप में भेज दी जाती है। निर्माता इसे सीधे मोल्ड करता है और बिना किसी राल को जोड़ने की आवश्यकता के इसे पूरी तरह से ठीक करता है। चूंकि प्रीप्रेग कमरे के तापमान पर इलाज की प्रतिक्रियाओं से गुजरते हैं, इसलिए उन्हें 0 सेंटीग्रेड या कम तापमान पर संग्रहीत किया जाता है। उपयोग के बाद शेष टेप कम तापमान पर वापस जमा हो जाते हैं। थर्मोप्लास्टिक और थर्मोसेटिंग रेजिन का उपयोग किया जाता है और कार्बन, आर्मीड और ग्लास के सुदृढीकरण फाइबर आम हैं। प्रीप्रेग का उपयोग करने के लिए, कैरियर बैकिंग पेपर को पहले हटा दिया जाता है और फिर प्रीप्रेग टेप को टूल वाली सतह (ले-अप प्रक्रिया) पर बिछाकर निर्माण किया जाता है। वांछित मोटाई प्राप्त करने के लिए कई प्लाई लगाए जा सकते हैं। क्रॉस-प्लाई या एंगल-प्लाई लैमिनेट का उत्पादन करने के लिए फाइबर ओरिएंटेशन को वैकल्पिक करने के लिए अक्सर अभ्यास होता है। अंत में इलाज के लिए गर्मी और दबाव लगाया जाता है। प्रीप्रेग और ले-अप को काटने के लिए दोनों हाथ प्रसंस्करण के साथ-साथ स्वचालित प्रक्रियाओं का उपयोग किया जाता है।
फिलामेंट वाइंडिंग: एक खोखले  और आमतौर पर चक्रीय आकार का अनुसरण करने के लिए निरंतर प्रबलिंग फाइबर एक पूर्व निर्धारित पैटर्न में सटीक रूप से स्थित होते हैं। फाइबर पहले एक राल स्नान से गुजरते हैं और फिर एक स्वचालित प्रणाली द्वारा एक खराद का धुरा पर घाव कर दिया जाता है। कई घुमावदार दोहराव के बाद वांछित मोटाई प्राप्त की जाती है और इलाज या तो कमरे के तापमान पर या ओवन के अंदर किया जाता है। अब खराद का धुरा हटा दिया जाता है और उत्पाद को ध्वस्त कर दिया जाता है। फिलामेंट वाइंडिंग फाइबर को परिधीय, पेचदार और ध्रुवीय पैटर्न में घुमाकर बहुत अधिक शक्ति-से-भार अनुपात प्रदान कर सकता है। इस तकनीक का उपयोग करके पाइप, टैंक, केसिंग का निर्माण किया जाता है। 

 

• स्ट्रक्चरल कंपोजिट्स: आम तौर पर ये सजातीय और मिश्रित सामग्री दोनों से बने होते हैं। इसलिए इनके गुण इसके तत्वों के संघटक सामग्रियों और ज्यामितीय डिजाइन द्वारा निर्धारित किए जाते हैं। यहाँ प्रमुख प्रकार हैं:
LAMINAR COMPOSITES: ये संरचनात्मक सामग्री दो आयामी चादरों या पैनलों से बनी होती हैं जिनमें पसंदीदा उच्च शक्ति वाली दिशाएँ होती हैं। परतों को एक साथ ढेर और सीमेंट किया जाता है। दो लंबवत अक्षों में उच्च-शक्ति दिशाओं को बारी-बारी से, हम एक समग्र प्राप्त करते हैं जिसमें द्वि-आयामी विमान में दोनों दिशाओं में उच्च शक्ति होती है। परतों के कोणों को समायोजित करके कोई पसंदीदा दिशाओं में ताकत के साथ एक समग्र का निर्माण कर सकता है। आधुनिक स्की का निर्माण इस प्रकार किया जाता है। 
सैंडविच पैनल: ये संरचनात्मक कंपोजिट हल्के होते हैं लेकिन फिर भी उच्च कठोरता और ताकत होती है। सैंडविच पैनल में एल्यूमीनियम मिश्र धातु, फाइबर प्रबलित प्लास्टिक या स्टील जैसे कठोर और मजबूत सामग्री से बने दो बाहरी शीट होते हैं और बाहरी शीट के बीच में एक कोर होता है। कोर को हल्का होना चाहिए और अधिकांश समय में लोच का कम मापांक होता है। लोकप्रिय मुख्य सामग्री कठोर बहुलक फोम, लकड़ी और छत्ते हैं। सैंडविच पैनल व्यापक रूप से निर्माण उद्योग में छत सामग्री, फर्श या दीवार सामग्री के रूप में और एयरोस्पेस उद्योगों में भी उपयोग किए जाते हैं।  

 

• नैनोकंपोजिट्स: इन नई सामग्रियों में एक मैट्रिक्स में एम्बेडेड नैनोसाइज्ड कण होते हैं। नैनोकम्पोजिट्स का उपयोग करके हम रबर सामग्री का निर्माण कर सकते हैं जो हवा के प्रवेश के लिए बहुत अच्छी बाधाएं हैं, जबकि उनके रबर गुणों को अपरिवर्तित बनाए रखते हैं।