3D composites
त्रि-आयामी संयोजन जटिल त्रि-आयामी संरचनाओं में व्यवस्थित धागे या टो से निर्मित फाइबर प्रीफॉर्म का उपयोग करते हैं। इन्हें 3डी बुनाई प्रक्रिया, 3डी बुनाई प्रक्रिया, 3डी ब्रैडिंग प्रक्रिया या छोटे रेशों के 3डी परत से बनाया जा सकता है। मिश्रित सामग्री बनाने के लिए 3डी प्रीफॉर्म पर एक राल लगाया जाता है। जटिल यांत्रिक गुणों को प्राप्त करने के लिए त्रि-आयामी संयोजनों का उपयोग अत्यधिक इंजीनियर और उच्च तकनीकी अनुप्रयोगों में किया जाता है। त्रि-आयामी यौगिकों को तनावों और उपभेदों पर प्रतिक्रिया करने के लिए ऐसे तरीकों से तैयार किया जाता है जो एकल दिशा वाले टो, या 2 डी बुने हुए मिश्रण, सैंडविच संयोजन या ढेर किए गए टुकड़े टुकड़े वाली सामग्री से बनी पारंपरिक समग्र सामग्री के साथ संभव नहीं हैं। त्रि-आयामी बुने हुए कपड़े ऐसे कपड़े हैं जिन्हें काफी मोटाई के साथ लगभग शुद्ध आकार में बनाया जा सकता है। एक भाग बनाने के लिए परतों की कोई आवश्यकता नहीं है, क्योंकि एक एकल कपड़ा पूर्ण त्रि-आयामी सुदृढीकरण प्रदान करता है। 3-डी बुना हुआ कपड़ा 2-डी बुनाई प्रक्रिया का एक प्रकार है, और यह दोहरे और तीन बुने हुए कपड़े बनाने की बहुत पुरानी तकनीक का विस्तार है। 3डी बुनाई 10 सेमी मोटाई तक के कपड़ों के उत्पादन की अनुमति देती है। मोटाई की दिशा में रखे गए रेशों को 3डी बुने हुए कपड़ों के लिए जेड-यार्न, वार्प वीवर या बाइंडर यार्न कहा जाता है। कपड़े की एक से अधिक परत एक ही समय में बुनी जाती है, और इस प्रक्रिया के दौरान अलग-अलग परतों के ज़ेड-यार्न इंटरलेस वार्प और वूफ यार्न होते हैं। बुनाई प्रक्रिया के अंत में, एक एकीकृत 3डी बुनी हुई संरचना, जिसकी काफी मोटाई होती है, का उत्पादन किया जाता है। त्रि-आयामी बुनी संरचनाएँ 3डी इकाई कोशिका और 3डी ऑर्थोगोनल संरचनाओं दोनों में लगभग 50 प्रतिशत फाइबर आयतन अंशों के साथ समग्र सामग्री बना सकती हैं। बहुत मोटे बुने हुए रूप बनाने के लिए कोण-इंटरलॉक त्रि-आयामी बुनी हुई संरचनाएं भी आम हैं। इंटरलॉक संरचनाओं में धागे को धागे की एक परत से दूसरी परत में बुना जा सकता है और फिर एक दूसरे के साथ आसन्न परतों को बंद करने के लिए मूल परत पर वापस लाया जा सकता है। जटिल इंटरलॉक संरचनाओं में धागे को कई परतों में जोड़ने के लिए निर्दिष्ट बिंदुओं पर कई परतों में बुना जा सकता है। परत परिसीमन के लिए अपने उत्कृष्ट प्रतिरोध के कारण इन संरचनाओं को टुकड़े टुकड़े वाली सामग्री पर बहुत लाभ होता है। जैक्वार्ड बुनी तकनीकों जैसे द्विभाजन का उपयोग करके, 3डी बुने हुए पूर्वरूपों को एक मानक आई-बीम से लेकर एक जटिल साइन-कर्व आई-बीम, विमान एयरफॉयल और कई अन्य आकारों तक लगभग अंतहीन आकारों में बनाया जा सकता है। रेसिन ट्रांसफर मोल्डिंग के साथ तैयार किए गए 3डी बुने हुए कंपोजिट का उत्पादन 26 फीट से अधिक लंबा किया गया है। 3डी बुने हुए कंपोजिट का उपयोग विभिन्न इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों के लिए किया जाता है, जिसमें इंजन रोटर, रॉकेट नोज कोन और नोजल, इंजन माउंट, एयरक्राफ्ट फ्रेमवर्क, टी-और एक्स-शेप पैनल, एयरक्राफ्ट विंग्स के लिए अग्रणी किनारे और सिविल इंफ्रास्ट्रक्चर के लिए आई-बीम शामिल हैं। 3डी बुने हुए कपड़ों का वर्गीकरण कई प्रकार के 3डी बुने हुए कपड़े हैं जो व्यावसायिक रूप से उपलब्ध हैं; उन्हें उनकी बुनाई तकनीक के अनुसार वर्गीकृत किया जा सकता है। 3डी बुने हुए इंटरलॉक कपड़े, पारंपरिक 2डी बुनाई करघे पर उत्पादित 3डी बुने हुए कपड़े हैं, जो उचित बुनाई डिजाइन और तकनीकों का उपयोग करते हैं, इसमें या तो बुनाई/जेड-धागा कपड़े की सभी मोटाई से गुजर सकता है या परत से परत तक जा सकता है। 3डी ऑर्थोगोनल बुने हुए कपड़े, एक विशेष 3डी बुनाई करघे पर उत्पादित 3डी बुने हुए कपड़े हैं। इस तरह के कपड़े बनाने की प्रक्रिया का पेटेंट मोहम्मद और झांग ने कराया था। 3डी ऑर्थोगोनल बुने हुए कपड़े की वास्तुकला में धागे के तीन अलग-अलग सेट होते हैं; वार्प यार्न (वाई-यार्न), वेफ्ट यार्न (एक्स-यार्न), और (जेड-यार्न)। जेड-धागे को प्रीफॉर्म की मोटाई की दिशा में रखा जाता है। 3डी ऑर्थोगोनल बुने हुए कपड़े में वार्प और वेफ्ट धागे के बीच कोई अंतर नहीं होता है और वे एक दूसरे के सीधे और लंबवत होते हैं। दूसरी ओर, जेड-धागे वेफ्ट धागे के ऊपर वाई-दिशा के साथ इंटरलेसिंग (ऊपर और नीचे) करके वार्प और वेफ्ट परतों को जोड़ते हैं। इंटरलेसिंग कपड़े के ऊपर और नीचे की सतह पर होती है। लाभ 3डी बुने हुए कपड़े उन अनुप्रयोगों में बहुत उपयोगी हैं जहां समग्र संरचना को समतल से बाहर लोडिंग के अधीन किया जाता है, जेड-धागे द्वारा प्रदान की गई अतिरिक्त ताकत के लिए धन्यवाद मोटाई आयाम के माध्यम से। इस प्रकार यह परिसीमन का बेहतर प्रतिरोध कर सकता है, जो कि समतल से बाहर बलों के कारण परतों का पृथक्करण है। 3डी बुने हुए कपड़ों में उच्च गठन क्षमता होती है, जिसका अर्थ है कि वे जटिल समग्र डिजाइनों के मामले में आसानी से मोल्ड का आकार ले सकते हैं। 3डी बुने हुए कपड़ों में अत्यधिक छिद्रपूर्ण संरचना होती है, जो राल डालने के समय को कम करती है। 3डी ऑर्थोगोनल बुने हुए कपड़ों में कम या कोई यार्न क्रिम्प नहीं होता है (बुनाई से पहले और बाद में यार्न की लंबाई में अंतर); इसलिए, फाइबर के यांत्रिक गुणों का लगभग पूरी तरह से वार्प और वेफ्ट दिशाओं में उपयोग किया जाता है। इस प्रकार, यह इन दिशाओं में उच्च प्रदर्शन वाले रेशों की अधिकतम भार वहन क्षमता से लाभान्वित हो सकता है। बुनाई प्रक्रिया के दौरान 3डी बुने हुए कपड़ों के आकार को तीनों दिशाओं में छोटा किया जा सकता है, जिससे आई-बीम और स्टिफनर जैसे शुद्ध आकार के कपड़ों का उत्पादन होता है। इसका मतलब है कि इन पूर्वरूपों को बिना किसी अतिरिक्त श्रम कार्य के सीधे सांचे में रखा जा सकता है। एक भाग बनाने के लिए परत बनाने की कोई आवश्यकता नहीं है, क्योंकि एकल कपड़े में काफी मोटाई होती है जो पूर्ण त्रि-आयामी सुदृढीकरण प्रदान करती है। 3डी बुने हुए कपड़े को विभिन्न आकारों में ढाला जा सकता है और इसका उपयोग प्रतिस्थापन ऊतक बनाने के लिए जैविक अनुप्रयोगों में किया जा सकता है 3डी ब्रेडेड कम्पोजिट्स "3डी ब्रेडेड फैब्रिक्स तकनीक अच्छी तरह से स्थापित 2-डी ब्रेडिंग तकनीक का एक विस्तार है जिसमें कपड़े का निर्माण दो या दो से अधिक धागे प्रणालियों को आपस में जोड़कर एक अभिन्न संरचना बनाने के लिए किया जाता है। 2डी कम्पोजिट लैमिनेट्स से संबंधित समस्याओं को दरकिनार करने के प्रयास में 1960 के दशक के अंत में विकसित किया गया, फिर भी एक ही समय में ब्रेडिंग प्रक्रिया के लाभों को बनाए रखा। मिश्रित पूर्वरूपों के रूप में उपयोग की जाने वाली ब्रेडेड संरचनाओं के अन्य प्रतिस्पर्धी प्रक्रियाओं, जैसे कि फिलामेंट वाइंडिंग और बुनाई, पर कई फायदे हैं। फिलामेंट घाव कंपोजिट की तुलना में ब्रेडेड कंपोजिट में बेहतर कठोरता और थकान की ताकत होती है। बुने हुए कपड़ों में ऑर्थोगोनल इंटरलेसमेंट होता है जबकि ब्रैड्स का निर्माण 10 से 858 तक के कोणों की एक विस्तृत श्रृंखला पर किया जा सकता है। त्रि-अक्षीय ब्रैड बनाने के लिए ब्रैडिंग प्रक्रिया में अक्षीय धागे का एक अतिरिक्त सेट पेश किया जा सकता है (चित्र। 1) त्रि-अक्षीय ब्रैड अधिक स्थिर होते हैं और लगभग समस्थानिक गुण प्रदर्शित करते हैं। ब्रैड का उत्पादन या तो निर्बाध ट्यूबों के रूप में किया जा सकता है या एक निरंतर सेल्फवेज के साथ सपाट कपड़े के रूप में किया जा सकता है। फाइबर निरंतरता के कारण ब्रैडेड प्रीफॉर्म के साथ उत्पादित कंपोजिट ब्रॉडक्लॉथ कंपोजिट की तुलना में बेहतर ताकत और दरार प्रतिरोध प्रदर्शित करते हैं; फिर से फाइबर निरंतरता के कारण, ड्रिल किए गए छेदों (Fig.2) के साथ कंपोजिट ड्रिल किए गए छेदों की तुलना में लगभग 1.8 गुना ताकत प्रदर्शित करते हैं। दो मुख्य प्रकार के 3डी ब्रेडर हैं, हॉर्न गियर और ट्रैक और कॉलम प्रकार। हॉर्न गियर प्रकार 3डी ब्रेडर वाहक प्रणोदन के लिए बड़ी संख्या में पारंपरिक हॉर्न गियर का उपयोग करते हैं। हॉर्न गियर को एक वर्ग में व्यवस्थित करके, विभिन्न प्रकार के क्रॉस-सेक्शन के साथ 3डी ठोस ब्रैड (जैसे. एच खंड) का उत्पादन किया जा सकता है। 3डी ब्रेडेड कम्पोजिट्स के अनुप्रयोग प्रोपेलर ब्लेड, प्रणोदन शाफ्ट, प्रोपेलर ट्रस सेक्शन डेकिंग, लैंडिंग पैड ऑटो बॉडी, चेसिस, ड्राइव शाफ्ट बायोमेडिकल डिवाइस 3डी सिलाई कंपोजिट्स उच्च शक्ति वाले धागे के साथ मोटाई की दिशा में लैमिनेट्स की सिलाई 3डी कंपोजिट्स के उत्पादन के लिए एक सरल, कम लागत वाली विधि साबित हुई है। सिलाई प्रक्रिया में मूल रूप से उच्च तन्यता शक्ति वाले धागे को सिलना शामिल है (जैसे। कांच, कार्बन या केवलर), एक असंरक्षित प्रीप्रेग लैमिनेट या सूखे कपड़े के माध्यम से एक औद्योगिक सिलाई मशीन का उपयोग किया जाता है। अध्ययनों में सिलाई के कारण इन-प्लेन मैकेनिकल गुणों में सुधार की सूचना दी गई है, जबकि अन्य सिलवाए गए लैमिनेट्स के लिए इकट्ठे किए गए अपरिवर्तित या अवक्रमित properties.The डेटा से पता चलता है कि तनाव, संपीड़न, लचीलापन, कतरनी और खुले छेद की ताकत में बिना सिलवाए वाले लैमिनेट्स के सापेक्ष सिलाई से 20 प्रतिशत तक सुधार या गिरावट आती है। मानक सिलाई प्रक्रिया के लिए यह वैकल्पिक विधि पहली बार 1980 के दशक के अंत में पेश की गई थी और इसे एज़्टेक्स कंपनी द्वारा जेड-फाइबर तकनीक के रूप में व्यावसायिक रूप से विकसित किया गया था। "इस तकनीक में पहले से ठीक किए गए सुदृढीकरण तंतुओं को एक थर्मोप्लास्टिक फोम में एम्बेड करना शामिल है जिसे फिर एक प्रीप्रेग, या सूखे कपड़े, ले-अप और वैक्यूम बैग के ऊपर रखा जाता है।" 12 तापमान और दबाव बढ़ने पर फोम ढह जाएगा, जिससे फाइबर को धीरे-धीरे ले-अप में धकेल दिया जा सकता है। जेड-पिनिंग के संबंध में 3डी सुदृढीकरण समग्र लैमिना के विभिन्न प्लियों के बीच एक यांत्रिक कड़ी पेश करने के लिए आवश्यक है, यह कड़ी जेड-पिनिंग में एक कठोर कार्बन फाइबर रॉड है। जेड-पिन (मोटाई दिशा-जेड में एम्बेडेड छोटे व्यास का कार्बन फाइबर) कंपोजिट उच्च मोटाई कठोरता और ताकत प्रदान करने का एक साधन है जो 2डी बुने हुए कंपोजिट में नहीं है। एफ/ए-18 सुपर हॉर्नेट लड़ाकू विमान पर इनलेट डक्ट त्वचा पैनलों और हैट के आकार के स्टिफनरों को मजबूत करने के लिए 3डी जेड-पिन वाले यौगिकों का उपयोग। त्रि-आयामी रूपों में राल का अनुप्रयोग कई त्रि-आयामी रूपों को जटिल समग्र सामग्री में बदल दिया जाता है जब एक ठोस फाइबर प्रबलित मैट्रिक्स बनाने के लिए पूर्व रूप के भीतर एक राल लगाया जाता है और ठीक किया जाता है। 3डी प्रीफॉर्म के लिए राल अनुप्रयोग का सबसे आम रूप राल स्थानांतरण मोल्डिंग प्रक्रिया है जहां एक मोल्ड को एक प्रीफॉर्म के आकार में बनाया जाता है और फिर प्रीफॉर्म को अंदर रखा जाता है। मोल्ड को बंद कर दिया जाता है और फिर मैट्रिक्स सामग्री के राल को विशेष तापमान और दबाव में इंजेक्ट किया जाता है, फिर ठीक होने दिया जाता है। इसके बाद सांचे को 3डी मिश्रित सामग्री के बाहरी भाग से हटा दिया जाता है। 3डी कम्पोजिट्स बनाम 2डी कम्पोजिट्स का यांत्रिक मूल्यांकन 3डी बुने हुए कम्पोजिट की सूक्ष्म संरचना मुख्य रूप से फाइबर वास्तुकला द्वारा बुने हुए प्रीफॉर्म और बुनाई प्रक्रिया के लिए निर्धारित की जाती है, और कुछ हद तक 3डी बुनाई प्रक्रिया के दौरान अनजाने में consolidation.Various प्रकार के दोष पैदा हो जाते हैं जो संभवतः 3डी कम्पोजिट के इन-प्लेन, मोटाई और प्रभाव गुणों को कम कर सकते हैं। शोध में पाया गया है कि विभिन्न 3डी मिश्रित सामग्रियों का परीक्षण करना कि ". ताकत एक समतुल्य द्वि-आयामी (2डी) सामग्री के समान या थोड़ी अधिक है"। 2डी कम्पोजिट की तुलना में, विमान के साथ यांत्रिक गुणों को महत्वपूर्ण रूप से कम किए बिना 3डी कम्पोजिट के साथ प्रभाव प्रतिरोध, प्रभाव के बाद संपीड़न (सी. ए. आई.) और परिसीमन नियंत्रण में काफी सुधार किया जाता है। संदर्भ समग्र सामग्री फाइबर-प्रबलित पॉलिमर