مواد کامپوزیتی، از زمان ساخت اولین سازه‌ها گرفته تا کمک به پیشرفت تکنولوژی‌های امروزی، نقش مهمی در تاریخ بشر داشته‌اند. کامپوزیت‌ها زندگی روزمره ما را تحت تاثیر قرار داده‌اند. جالب است بدانید که این مواد دورریز ندارند! مثلا در یک کارخانه خودروسازی، می‌توان قطعات کامپوزیتی غیرقابل استفاده را آسیاب کرده و به عنوان پرکننده و تقویت‌کننده بتن، به کار برد. مصالح ساختمانی، کاربردهای پزشکی، صنایع نفت و گاز، هوافضا، حمل و نقل، ورزش و… در تمام این بخش‌ها، کاربرد محصولات کامپوزیتی غیرقابل چشم‌پوشی است. کشتی‌ها‌ی فضایی، بدون وجود کامپوزیت، احتمالا هیچوقت از زمین خارج نمی‌شدند.
کامپوزیت چیست؟
کامپوزیت یا همان مواد چند سازه‌ای یا کاهگل‌های عصر جدید، رده ای از مواد پیشرفته هستند که در آنها از ترکیب موادساده به منظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیل دهنده ویژگی خود را حفظ کرده در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی‌شوند. استفاده از این مواد در طول تاریخ نیز مرسوم بوده است مانند آجرهای گلی که در ساخت آنها از تقویت کننده کاه استفاده شده است. هنگامی که این دو باهم مخلوط شوند در نهایت آجر پخته بدست می‌آید که بسیار ماندگارتر و مقاوم تر از هر دو ماده اولیه یعنی گل و کاه است.
مزایای ساخت سازه کامپوزیت
- مقاومت زیادنسبت به خوردگی
- وجود روش های مختلف ساخت و امکان تولید اشکال پیچیده و متنوع
- وزن کم این مواد در عین بالا بودن نسبت مقاومت به وزن آنها (حتی تا ۱۵ برابر برخی از فولادها)
انواع الیاف شیشه
انواع e ،c ،s و کوارتز. ترکیب الیاف شیشه نوع e یا الکتریکی، از جنس آلومینوبور و سیلیکات کلسیم است و دارای مقاومت ویژه الکتریکی بالایی می‌باشد. الیاف شیشه نوع s، تقریباْْ ۴۰ درصد استحکام بیشتری نسبت به الیاف شیشه نوع e دارند. الیاف شیشه نوع C یا الیاف شیشه شیمیایی، دارای ترکیب بور و سیلیکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پایداری شیمیایی بیشتری به‌خصوص در محیط‌های اسیدی دارد. الیاف شیشه کوارتز، بیشتر در مواردی که خاصیت دی‌الکتریک پایین نیاز باشد، مانند پوشش آنتن‌ها و یا رادارهای هواپیما استفاده می‌شوند.
کاربردهای کامپوزیت در صنعت
- صنایع دریایی : ساخت بدنه کشتی و تاسیسات فرا ساحلی
- صنعت ساختمان : پوشش کف، نما، سقف و بدنه برج خنک کننده
- صنعت خودرو سازی : ساخت خودروهای سبک و در نتیجه کم مصرف
- صنعت هوا فضا : ساخت بدنه هواپیما، ساخت پره‌های توربین بادی و پره‌های هلی کوپتر
- صنعت نفت و گاز : به منظور ترمیم و تقویت سازه‌های فرسوده و ترمیم لوله‌های ترک خورده
انواع کامپوزیت‌ها
بر اساس نوع ماده‌ی زمینه، بر اساس نوع و شکل ماده تقویت‌کننده و با توجه به نوع ماتریس، کامپوزیت‌ها عمدتا در چهار گروه جای می‌گیرند:
- کامپوزیت‌های با زمینه فلزی (MMC): کاربرد این نوع کامپوزیت، در صنعت هوافضا بسیار بالاست. استفاده از فلز آلومینیوم به عنوان زمینه، که چگالی کمتری نسبت به آهن دارد، برای افزایش مقاومت آن، صورت می‌گیرد. درکامپوزیت‌های زمینه فلزی، از الیاف پیوسته کربن، کاربید، سیلیکون یا الیاف سرامیکی به عنوان تقویت‌کننده استفاده می‌شود.
- کامپوزیت زمینه سرامیکی (CMC): در ساختمان این محصول، الیاف سرامیکی یا کربنی، به وسیله ماتریس سرامیکی مانند کاربید سیلیکون، احاطه شده‌اند.
- کامپوزیت‌های کربن/کربن (CC): زمینه‌ی این کامپوزیت‌ها شامل کربن بوده و تقویت‌کننده‌ها، فیبرهای کربن سه بعدی، درشکل های تابیده و بافته شده هستند.
- کامپوزیت‌های با زمینه مواد آلی، پلیمری یا پلاستیکی تقویت‌شده (PMC): این کامپوزیت از الیاف کوتاه یا بلندی ساخته شده که توسط یک زمینه‌ی پلیمری آلی، به یکدیگر متصل شده‌اند. ویژگی اصلی این نوع کامپوزیت، پخش کردن بار میان الیاف، به وسیله ماتریس است.
یکی از پرکاربردترین کامپوزیت‌ها با زمینه‌ی پلیمری، فایبرگلاس نام دارد که ماده‌ی تقویت‌کننده در آن، شیشه است. درباره این کامپوزیت که با نام FRP (پلاستیک تقویت‌شده با الیاف) نیز شناخته می‌شوند. همچنین به دلیل ساختار شبکه‌ای و طولی که دارند گرما را فقط در جهت طولی منتقل می‌کنند و نه عرضی بنابراین به عنوان عایق گرما برای دیواره توربین، دریچه کامپوزیت و دریچه نانو کامپوزیت مناسب هستند.
بر اساس نوع ماده تقویت‌کننده، کامپوزیت‌ها عبارتند از
- کامپوزیت‌های تقویت‌شده به وسیله الیاف (FRC): کامپوزیت‌هایی که در آنها فاز پراکنده به شکل رشته است، اهمیت بیشتری در صنعت و تکنولوژی دارند. موادی که به عنوان الیاف تقویت‌کننده به کار می‌روند، با توجه به قطر و مشخصه مربوطه به سه دسته ویسکرها، رشته‌ها و سیم‌ها تقسیم می‌شوند. خواص مکانیکی این کامپوزیت‌ها به خواص رشته، مقدار نیروی منتقل شده از فاز ماتریس و درصد حجمی آن بستگی دارد. در این کامپوزیت‌ها هر چه رشته نازک‌تر باشد، استحکام آن بیشتر خواهد بود.
- کامپوزیت‌های تقویت شده به وسیله ذرات (PRC): این مواد کامپوزیتی، با توجه به مکانیزم مستحکم شدن یا تقویت شدن، به دو گروه درشت‌ذره و مستحکم شده با ذرات پراکنده، تقسیم می‌شوند.
- کامپوزیت‌های درشت‌ذره: در کامپوزیت‌های درشت‌ذره، فعل و انفعالات بین ذره و ماتریس، نمی‌تواند در مقیاس مولکولی یا اتمی رخ دهد و فاز تقویت‌کننده سفت‌تر از زمینه است. به نحوی که این ذرات، باعث توقف حرکت فاز زمینه در مجاورت خود می‌شوند.
- کامپوزیت‌های مستحکم شده با ذرات پراکنده: در این کامپوزیت‌ها، اندازه ذرات بین ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر بوده و فعل و انفعلات بین آنها، در مقیاس اتمی و مولکولی اتفاق می‌افتد. این عمل باعث افزایش استحکام، در این نوع کامپوزیت می‌شود.
- کامپوزیت‌های سبز: ماتریس و تقویت‌کننده این کامپوزیت‌ها از موادی ساخته می‌شوند که از نظر زیستی تجزیه‌پذیر بوده و در محیط زیست باقی نمی‌مانند. موادی مانند پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی، به عنوان فاز زمینه و الیاف گیاهی به عنوان تقویت‌کننده به کار می‌روند.
چرا از کامپوزیت استفاده کنیم؟
کاهش وزن یکی از دلایل اصلی استفاده از مواد کامپوزیت به جای مواد معمولی برای قطعات است. در حالی که کامپوزیت‌ها سبکتر هستند، اما می‌توانند از سایر مواد نیز قویتر باشند. به عنوان مثال، فیبر کربن تقویت شده میتواند تا پنج برابر قویتر از فولاد درجه ۱۰۲۰ باشد و تنها یک پنجم وزن داشته باشد و این مزایا برای اهداف ساختاری مناسب است. مزیت دیگر استفاده از کامپوزیت نسبت به نوع متریال معمولی مقاومت حرارتی و شیمیایی و همچنین خواص عایق الکتریکی است. بر خلاف مواد معمولی، کامپوزیت‌ها می‌توانند خواص متعددی داشته باشند که اغلب در یک ماده واحد یافت نمی‌شوند.