کامپوزیت چیست؟

حتمن شما هم تا به حال با واژه هایی مانند فایبرگلاس با کامپوزیت مواجه شده اید...

کامپوزیت به ماده‌ای اطلاق می‌شود که از دو فاز ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده باشد و از فاز دوم حداقل به اندازه ۵ درصد استفاده شده باشد. به ترکیب ماتریس با الیاف (یا ماده تقویت کننده) زیر ۵ درصد کامپوزیت گفته میشود.

• کامپوزیت به موادی گفته می‌شود که از یک فاز زمینه و یک تقویت کننده تشکیل شده باشند.
• تعریف انجمن متالورژی آمریکا : به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند ماده مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود.

کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده‌است. ماتریس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می‌دارد. تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می‌گردد. به طور کلی تقویت کننده می‌تواند به صورت فیبرهای کوتاه و یا بلند و پیوسته باشد.

دسته‌بندی کامپوزیت‌ از دیدگاه زیستی :

• کامپوزیت‌های طبیعی. مانند استخوان، ماهیچه، چوب و ...
• کامپوزیت‌های مصنوعی (مهندسی)

دسته‌بندی کامپوزیت‌های مهندسی از لحاظ فاز زمینه :

• کامپوزیت‌  با زمینه سرامیکی (CMC)
• کامپوزیت‌ با زمینه پلیمری (PMC)
• کامپوزیت‌ با زمینه فلزی (MMC)

دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از لحاظ نوع تقویت کننده :

• کامپوزیت‌ تقویت شده با فیبر (FRC)
• کامپوزیت‌ تقویت شده توسط ذرات (PRC)

کامپوزیت‌ سبز (کامپوزیت‌ زیست‌تجزیه‌پذیر) :

در اینگونه کامپوزیت‌ها، فاز زمینه و تقویت کننده، از موادی که در طبیعت تجزیه می‌شوند، ساخته می‌شوند. در کامپوزیت‌های سبز، معمولاً فاز زمینه از پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی و تقویت کننده ‌ها از فیبرهای گیاهی ساخته می‌شوند.

مراحل طراحی کامپوزیت :

• گرد آوری اطلاعات در خصوص کاربرد قطعه (نیروهای استاتیک، دینامیک و شرایط محیطی)
• مشخصات اولیه قطعه (مواد، ابعاد و چیدمان لایه ها)
• زمان و هزینه
• بررسی روش های محاسباتی (تحلیل و عددی)
• شناسایی روش های ساخت
• نحوه مونتاژ(روش های اتصال قطعات)

بهینه سازی(وزن کم، استحکام بالا و هزینه پایین

مزایای کامپوزیت :

مهم‌ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، می‌توان خواص آنها را کنترل کرد. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند :

• مقاومت مکانیکی بالا نسبت به وزن
• مقاومت بالا در برابر خوردگی
• خصوصیات خستگی عالی نسبت به فلزات
• خواص عایق حرارتی خوب
• به دلیل صلبیت بیشتر، تحت یک بارگذاری معین، خیز کمتری (بعضا ده‌ها برابر کمتر) نسبت به فلزات دارند.
• استحکام بالا
• نسبت حجم به وزن کم
• سبک بودن پاهی تا چندین برابر مستحکم تر از فولاد با وزنی با چندین برابر کمتر
  

  کاربرد کامپوزیت :

  فایبر گلاس یکی از پرکاربردترین کامپوزیت ‌هاست. فایبرگلاس یک کامپوزیت با زمینه پلیمری است که توسط فیبرهای شیشه تقویت شده ‌است. در ساخت بدنه جنگنده‌های رادار گریز از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. همچنین در ساخت قطعات هواپیما و پره نیروگاه بادی و پره هلیکوپتر از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. بطور کلی مواد کامپوزیتی (مواد مرکب) به دلیل داشتن جرم بسیار کم و مقاومت بالا نسبت به فلزات، در صنعت هوا و فضا کاربرد وسیعی دارند. هم چنین کامپوزیتهای کربن-اپوکسی از نوع کامپوزیت های استحکام بالا هستند که در صنایع نظامی کاربرد دارند.
  
  

  الیافی که در صنعت کامپوزیت استفاده می شوند به دو دسته تقسیم میشوند:

  الف)الیاف مصنوعی ب)الیاف طبیعی

  کارایی کامپوزیت های پلیمری مهندسی توسط خواص اجزاء آنها تعیین میشود. اغلب آنها دارای الیاف با مدول بالا هستند که در ماتریسهای پلیمری قرار داده شدهاند و فصل مشترک خوبی نیز بین این دو جزء وجود دارد.

  ماتریس پلیمری دومین جزء عمده کامپوزیت های پلیمری است. این بخش عملکردهای بسیار مهمی در کامپوزیت دارد. اول اینکه به عنوان یک بایندر یا چسب الیاف تقویت کننده را نگه میدارد. دوم، ماتریس تحت بار اعمالی تغییر شکل میدهد و تنش را به الیاف محکم و سفت منتقل میکند.

  سوم، رفتار پلاستیک ماتریس پلیمری، انرژی را جذب کرده، موجب کاهش تمرکز تنش میشود که در نتیجه، رفتار چقرمگی در شکست را بهبود میبخشد.

  نکته :

  تقویت کنندهها معمولا شکننده هستند و رفتار پلاستیک ماتریس میتواند موجب تغییر مسیر ترکهای موازی با الیاف شود و موجب جلوگیری از شکست الیاف واقع در یک صفحه شود.

  بحث در مورد مصادیق ماتریسهای پلیمری مورد استفاده درکامپوزیتها به معنای بحث در مورد تمام پلاستیکهای 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(فنولیک) اپوکسی و رزینهای پلی ایمید بیشترین کاربرد 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 کامپوزیتها می*وان به شیشه، کربن و آرامید اشاره نمود. در میان رزینها نیز، پلی استر، وینیل استر، اپوکسی و فنولیک از اهمیت بیشتری برخوردار هستند. در بخشهای بعدی، رزینها و الیاف و روشهای شکل دهی کامپوزیتها را مورد بحث قرار میدهیم.

  الیاف شیشه

  الیاف شیشه مشهورترین تقویت کننده مورد استفاده در صنعت کامپوزیت می باشد و انواع مختلفی از آن بصورت تجاری وجود دارند که برخی از آنها عبارتند از:

  E، S،C،ECR،AR. ترکیبات شیمیایی این الیاف با هم متفاوت است و هر کدام برای کاربرد خاصی مناسب است.

  تقریباَ ۹۰ درصد الیاف مورد استفاده در کامپوزیت های مهندسی الیاف شیشه می باشد. الیاف شیشه استحکام و سختی مناسبی دارد، خواص مکانیکی خود را در دماهای بالا حفظ می*کند، مقاومت رطوبت و خوردگی مناسبی دارد و نسبتاَ ارزان است . تقسیم بندی شش نوع الیاف شیشه و ترکیب درصدهای آن در زیر نشان داده شده است:

  Glass- Eمصارف عمومی

  glass- Rخواص مکانیکی بالاتر

  glass-S خواص مکانیکی بالاتر

  glass-c مقاومت شیمیایی مناسب

  glass-ECR مقاومت اسید و باز خوب

  glass-AR مقاومت اسید و باز خوب