کامپوزیت چیست؟
کامپوزیت مخلوط فیزیکی از دو یا چند ماده مختلف است که این مواد خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خودرا حفظ کرده و مرز مشخصی را با یکدیگر تشکیل می دهند. این مخلوط در مجموع و با توجه به برخی معیارها، خواص بهتری از هریک از اجزای تشکیل دهنده خودرا دارا می باشد.
حتما شما هم تا به حال با واژه‌هایی مانند فایبر‌گلاس یا کامپوزیت مواجه شده‌اید. این مواد امروزه کاربردهای وسیعی در صنایع مختلف پیدا کرده‌اند. برای شروع بد نیست بدانیم که فایبرگلاس نوعی بسیار متداول از کامپوزیت است. اما کامپوزیت چیست؟

رشد فزاینده تکنولوژی در سال‌های اخیر باعث شد تا دیگر موادی که در دسترس بشر بود برای پوشاندن جامه حقیقت بر رویاهای مدرن کافی نباشد و از این رو تلاش برای رسیدن به مواد جدید آغاز شد؛ مثلا در بیشتر کاربردهای مهندسی، اغلب به تلفیق خواص مواد نیاز داریم. مواد که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند، مقاومت سایشی و UV خوبی داشته باشند و ....

اما از آنجا که نمی‌توان ماده‌ای یافت که همه خواص مورد نظر را دارا باشد، باید به دنبال چاره‌ای دیگر بود: ساخت و استفاده از کامپوزیت‌ها.

اولین کامپوزیت ها
از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به کاه گل وآجرهای گلی که در ساخت آن ها از تقویت کننده کاه استفاده می شده است اشاره کرد. چون گل بعد از خشک شدن ترک می‌خورد، مقداری کاه به آن افزودند تا حفره‌ها را پُر کند و مانع از ترک خوردن گل شود.
شاید هم اولین کامپوزیت را مصری‌ها ساخته باشند. آن ها به چوب بدنه قایق هایشان مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن چوب باد نکند.



ساختار کامپوزیت

کامپوزیت‌ از دو قسمت تشکیل شده‌است:

1) قسمت زمینه
ماده ای که در یک سری از خواص مکانیکی نقص دارد.ماده زمینه تقویت کننده را احاطه کرده است، به طوری که نگذارد ماده تقویت‌کننده پراکنده شود؛ همچنین محافظت از ماده تقویت‌کننده در برابر عوامل شیمیایی را بر عهده دارد .

2) قسمت تقویت‌کننده
تقویت‌کننده‌ها موادی هستند که به صورت تکه‌تکه، در یک زمینه پیوسته وارد می‌شوند تا خواص ماده زمینه را بهتر بهبود بخشند.
مواد زمینه را نرم انتخاب می‌کنند، وقتی نیرو به کامپوزیت وارد می‌شود، توسط زمینه به مادة تقویت‌کننده انتقال داده شود تا مادة تقویت‌کننده نیرو را تحمل کند.
مقدار ماده‌ای که به عنوان زمینه استفاده می‌شود معمولا بیشتر از قسمت تقویت‌کننده است.
در مثال کاهگل،گل نقش فاز زمینه و کاه نقش تقویت کننده را بازی می کند.
تقویت‌کننده‌ها می‌توانند به صورت یک صفحه، یک رشته ( نخ)، یا یک ذره (پودر) وارد حجم زمینه شوند و خواص آن را بهبود بخشند.



خواص کامپوزیت ها
وزن کم این مواد در عین بالا بودن نسبت مقاومت به وزنشان در مقایسه با موادی مانند فولاد باعث شده که مصرف آنها در صنایع روز به روز افزایش یابد. همچنین به علت وجود فاز زمینه مقاومت به خوردگی کامپوزیت بالاست.
روش های ساخت گوناگون و همچنین امکان تولید اشکال پیچیده و متنوع از دیگر مزایای مواد مرکب است.

کاربرد های کامپوزیت
با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیت‌ها و مقاومت بسیار خوب آنها در محیط‌های خورنده، این مواد، کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده‌اند که از آن جمله می‌توان به ساخت بدنه قایق ها و کشتی ها و تاسیسات فراساحلی اشاره داشت. استفاده از کامپوزیت‌ها در این صنعت، حدود 60 % صرفه‌جویی اقتصادی داشته است که علت اصلی آن مربوط به پایداری بالای این مواد است.

صنعت ساختمان پرمصرف‌ترین صنعت برای مواد کامپوزیتی است. استخرهای شنا ، وان حمام ، سینک ظرفشویی و دست‌شویی ، کف‌پوش ، نماپوش ، برج‌های خنک‌کننده،مخازن سوخت CNG و … همگی از مواد چند سازه ای هستند.

کامپوزیت چه مزایایی دارد؟

مهم‌ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازهایی که داریم، می‌توانیم خواص آنها را کنترل کنیم. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند:

• نسبت به وزن خود مقاومت مکانیکی بالایی دارند.

• مقاومت در برابر خوردگی آن‌ها بالاست.

• نسبت به فلزات خصوصیات مکانیکی بهتری دارند.

• به عنوان یک عایق حرارتی خواص خوبی دارند.

مجموعه این خصوصیات است که باعث کاربردهای گسترده کامپوزیت‌ها در صنایع نوین می‌شود. در ساخت بدنه جنگنده‌های رادارگریز از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. همچنین در ساخت قطعات هواپیما و پره نیروگاه بادی و پره هلیکوپتر از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. به‌طور کلی مواد کامپوزیتی به دلیل جرم بسیار کم و مقاومت بالا نسبت به فلزات، در صنعت هوا و فضا کاربرد وسیعی دارند.

خواص کامپوزیت‌ها به عوامل مختلفی از قبیل نوع مواد تشکیل دهنده و ترکیب درصد آن‌ها، شکل و آرایش تقویت‌کننده و اتصال ماتریکس و تقویت‌کننده به یکدیگر بستگی دارد.




كامپوزیتها موادی چند جزئی هستند كه خواص آنها در مجموع از هركدام از اجزاء بهتر است.ضمن آنكه اجزای مختلف، كارایی یكدیگر را بهبود می بخشند. اگرچه كامپوزیتهای طبیعی، فلزی و سرامیكی نیز در این بحث می گنجند، ولی در اینجا ما تنها به كامپوزیتهای پلیمری می پردازیم.


خواص كامپوزیتها به عوامل مختلفی از قبیل نوع مواد تشكیل دهنده و تركیب درصد آنها، شكل و آرایش تقویت كننده و اتصال دو جزء به یكدیگر بستگی دارد.

از نظر فنی، كامپوزیتهای لیفی، مهمترین نوع كامپوزیتها می باشند كه خود به دو دستهٔ الیاف كوتاه و بلند تقسیم می شوند. الیاف می بایست استحكام كششی بسیار بالایی داشته، خواص لیف آن (در قطر كم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع قسمت اعظم نیرو توسط الیاف تحمل می شود و ماتریس پلیمری در واقع ضمن حفاظت الیاف از صدمات فیزیكی و شیمیایی، كار انتقال نیرو به الیاف را انجام می دهد. ضمناَ ماتریس الیاف را به مانند یك چسب كنار هم نگه می دارد و البته گسترش ترك را محدود می كند. مدول ماتریس پلیمری باید از الیاف پایینتر باشد و اتصال قوی بین الیاف و ماتریس بوجود بیاورد. خواص كامپوزیت بستگی زیادی به خواص الیاف و پلیمر و نیز جهت و طول الیاف و كیفیت اتصال رزین و الیاف دارد. اگر الیاف از یك حدی كه طول بحرانی نامیده می شود، كوتاهتر باشند، نمی توانند حداكثر نقش تقویت كنندگی خود را ایفا نمایند.

الیافی كه در صنعت كامپوزیت استفاده می شوند به دو دسته تقسیم می شوند:

الف)الیاف مصنوعی
ب)الیاف طبیعی

كارایی كامپوزیتهای پلیمری مهندسی توسط خواص اجزاء آنها تعیین میشود. اغلب آنها دارای الیاف با مدول بالا هستند كه در ماتریسهای پلیمری قرار داده شدهاند و فصل مشترك خوبی نیز بین این دو جزء وجود دارد.

ماتریس پلیمری دومین جزء عمده كامپوزیتهای پلیمری است. این بخش عملكردهای بسیار مهمی در كامپوزیت دارد. اول اینكه به عنوان یك بایندر یا چسب الیاف تقویت كننده را نگه میدارد. دوم، ماتریس تحت بار اعمالی تغییر شكل میدهد و تنش را به الیاف محكم و سفت منتقل میكند.

سوم، رفتار پلاستیك ماتریس پلیمری، انرژی را جذب كرده، موجب كاهش تمركز تنش میشود كه در نتیجه، رفتار چقرمگی در شكست را بهبود میبخشد.

تقویت كنندهها معمولا شكننده هستند و رفتار پلاستیك ماتریس میتواند موجب تغییر مسیر تركهای موازی با الیاف شود و موجب جلوگیری از شكست الیاف واقع در یك صفحه شود.

بحث در مورد مصادیق ماتریسهای پلیمری مورد استفاده دركامپوزیتها به معنای بحث در مورد تمام پلاستیكهای تجاری موجود میباشد. در تئوری تمام گرماسختها و گرمانرمها میتوانند به عنوان ماتریس پلیمری استفاده شوند. در عمل، گروههای مشخصی از پلیمرها به لحاظ فنی و اقتصادی دارای اهمیت هستند.

در میان پلیمرهای گرماسخت پلیاستر غیر اشباع، وینیل استر، فنل فرمآلدهید(فنولیك) اپوكسی و رزینهای پلی ایمید بیشترین كاربرد را دارند. در مورد گرمانرمها، اگرچه گرمانرمهای متعددی استفاده میشوند، PEEK ، پلی پروپیلن و نایلون بیشترین زمینه و اهمیت را دارا هستند. همچنین به دلیل اهمیت زیست محیطی، دراین بخش به رزینهای دارای منشا طبیعی و تجدیدپذیر نیز، پرداخته شده است.

از الیاف متداول در كامپوزیتها می توان به شیشه، كربن و آرامید اشاره نمود. در میان رزینها نیز، پلی استر، وینیل استر، اپوكسی و فنولیك از اهمیت بیشتری برخوردار هستند. در بخشهای بعدی، رزینها و الیاف و روشهای شكل دهی كامپوزیتها را مورد بحث قرار داده ایم.