کامپوزیت به موادی گفته می شود که در ساختار آن از بیش از یک جزء استفاده شده باشد. که در این مواد اجزاء مختلف خواص فیزیکی-مکانیکی خود را حفظ کرده و در نهایت ماده ای حاصل می شود که دارای خواص بهینه ای می باشد. که این خواص بهینه در تک تک مواد موجود در ساختار کامپوزیته به صورت مجزاء وجود ندارد.

يك كامپوزيت شامل يك يا چند فاز غير پيوسته در يك فاز پيوسته است. فاز غير پيوسته معمولا سخت تر و قوي تر از فاز پيوسته است لذا به آن فاز تقويت كننده گويند. تقويت كننده ها اشكال گوناگوني دارند و مي توانند ذره اي، پولكي، ليفي و صفحه اي باشند. فاز پیوسته، زمینه نامیده می شود. عمدتاً در يك كامپوزيت، سه ناحيه متمايز شامل: فاز پيوسته، فاز غيرپيوسته و فصل مشترك اين دوفاز وجود دارد كه تعيين كننده خواص و رفتار كامپوزيت مي باشند.

تاریخچه کامپوزیت

با تعريف فوق، كامپوزيت ها در اصل از زمان هاي قديم مورد توجه بشر بوده اند. از نمونه هاي قديمي كاربرد اين نوع مواد مي توان به كاه گل و يا موميايي اشاره نمود. تاريخچة كامپوزيت ها را مي توان بصورت ذيل خلاصه نمود.

  • سازه های کاه گلی (۱۵۰۰ سال قبل از میلاد)
  • كمان چند لايه اي، ساخته شده از تاندون حيوانات، چوب و ابريشم (۱۰۰۰ سال قبل از میلاد)
  • آغشته كردن سطوح پارچه اي هواپيماها با لاك محلول رزيني، ۱۹۱۰ میلادی
  • فنلي تقويت شده با پارچه، ۱۹۳۰ میلادی
  • ثبت اختراع پلي استر، ۱۹۳۶ میلادی
  • فروش الياف شيشه توسط شركت، Owens Corning ،۱۹۳۸ میلادی
  • ساخت پلاستيك هاي تقويت شده با الياف شيشه در پايگاه هوايي Wright Patterson ،۱۹۴۲ میلادی
  • ساخت الياف كربن توسط شركت، Union Carbide  ۱۹۵۹ میلادی
  • ثبت اختراع الياف كربن بر پاية PAN، توسط Shido ژاپن، ۱۹۶۱ میلادی
  • ساخت الياف پيوستة سراميك و بُر، ۱۹۶۵ میلادی
  • ساخت الياف كولار، ۱۹۷۱ میلادی
  • ساخت الياف پلي اتيلن با جرم مولكولي فوق سنگين، ۱۹۸۵ میلادی
  • تولد مجدد الياف طبيعي، ۱۹۹۰ میلادی

طبقه بندی کامپوزیت ها

 

کامپوزیت ها از دو بخش عمده که اصطلاحا فاز نامیده می شوند، تشکیل شده است :

الف ) فاز پیوسته یا ماتریس

ب ) فاز ناپیوسته یا تقویت کننده

بسته به نوع مواد به کار رفته در ساختار کامپوزیت ها و نیز فرایند تولید، آنها دارای انواع مختلفی هستند. اما پرکاربردترین نوع کامپوزیت ها در صنایع مختلف از جمله: خودرو سازی، صنایع هوایی، کشتی سازی، صنایع ریلی و راه آهن و نیز ساختمان سازی، کامپوزیت های پلیمری هستند که فاز پیوسته یا زمینه اصلی آنها را یک پلیمر تشکیل می دهد. تعدادی از ویژگی های اصلی کامپوزیت ها که سبب کاربرد پر رونق آنها شده است عبارتند از :

1-                 وزن مخصوص کم

2-                 پایداری حرارتی خوب

3-                 توانایی بالا در جذب انرژی ها

4-                 ظرفیت دمپینگ بالا

5-                 سهولت در تولید

6-                 مقاومت خستگی خوب

كامپوزيت ها را از جهات مختلف مي توان طبقه بندي نمود . هدف از تهيه بسياري از كامپوزيت ها بهبود خواص مكانيكي نظير استحكام، سفتي (مدول)، چقرمگي و كارآيي در دماي بالا مي باشد. لذا طبيعي است كه مطالعه آنها بر اساس مكانيسم تقويت كنندگي مشترك صورت پذيرد. مكانيسم تقويت كنندگي بستگي به شكل هندسي تقويت كننده دارد، بنابراين بهتر است كه طبقه بندي آنها بر اين اساس صورت پذيرد. در برخي موارد، كامپوزيت ها را از نظر نوع زمينه آنها نيز طبقه بندي مي نمايند. از اين ديدگاه، كامپوزيت ها به سه دسته:

كامپوزيت هاي پليمري، كامپوزيت هاي فلزي، كامپوزيت هاي سراميكي و کامپوزیت های کربن-کربن تقسيم مي شوند.

  1. کامپوزیتهای زمینهپلیمری (PMCs): در کاربردهای تجاری، این دسته از کامپوزیت‌ها رتبه بالایی در مقایسه با دیگر انواع کامپوزیت‌ها دارند. مواد تقویت کننده فیبرهایی (رشته هایی) از بور، کربن و گرافیت هستند. بیشتر از کربن-گرافیت یا فیبرهای آرامید (aramid) استفاده می شود که از اصلی ترین فیبرهای تجاری هستند. زمینه از مواد گرما نرم (thermo- plastic)، اپوکسی و مواد گرما سخت (thermo- set) است. ترمو پلاستیک ها، مزایایی مانند خواص مکانیکی و سایشی خوب دارند و رزین های اپوکسی نیز از مهم ترین مواد، برای ایجاد زمینه پلیمری هستند.
  2. کامپوزیت‌های زمینه فلزی (MMCs) : این دسته که جزء مواد ساختمانی پیشرفته محسوب می شوند، از تقویت کننده های غیرفلزی در یک زمینه فلزی تشکیل شده اند. کامپوزیت‌های زمینه فلزی عمدتا در کاربردهای مهندسی استفاده می شوند، در مواردی که دمای کاری در محدوده ۲۵۰ تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد است. مواد زمینه شامل مس، آلومینیم، تیتانیم و سوپر آلیاژها بوده و مواد تقویت کننده شامل: کاربید سیلسیم، بور، مولیبدن و آلومینا هستند.
  3. کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی (CMCs): این دسته نیز جزء مواد ساختمانی پیشرفته محسوب می شوند که از تقویت کننده های فلزی/ غیرفلزی در یک زمینه سرامیکی تشکیل شده اند. کامپوزیت‌های زمینه فلزی عمدتا در کاربردهای مهندسی استفاده می شوند، در مواردی که دمای کاری در محدوده ۸۰۰ تا ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد است.
  4. کامپوزیتهای کربن/کربن (CCs): این دسته از کامپوزیت‌ها عمدتا برای قطعاتی که بایستی در شرایط دمایی سخت کار کنند، توسعه یافته اند. زمینه کربن است و تقویت کنندها شامل، فیبرهای سه بعدی کربن در فرم های تابیده و بافته شده هستند. کامپوزیت‌های کربن/کربن، به علت اینکه در شرایط دمایی سخت، توانایی حفظ استحکام و حتی افزایش استحکام را دارند، در گستره وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند از صنایع موشکی و نظامی گرفته تا هوا فضا.

از مزایای کامپوزیت‌های کربن/کربن، به موارد ذیل می توان اشاره کرد:

مقاومت در دماهای بسیار بالا (۱۹۳۰ تا ۲۷۶۰ درجه سانتیگرا).

افزایش استحکام با افزایش دما (تا ۱۹۳۰ درجه سانتیگراد).

استحکام و سخت پایی بالا

مقاوت خوب در برابر شوک حرارتی

شکل‌‌ ۱ محدوده دمای کاری را برای انواع مختلف کامپوزیت‌ها نشان می دهد.

 

 

Various composites operating temperatures

شکل 1

  • طبقه بندی بر مبنای شکل و هندسه تقویت کننده

در این نوع طبقه بندی، مکانیزم استحکام دهی، قویا به هندسه و شکل تقویت کننده بستگی دارد.

  1. کامپوزیت‌های تقویت شده با ذرات ریز (particulate)
  2. کامپوزیت‌های تقویت شده با ورقه/ ویسکر (flake/whisker)
  3. کامپوزیت‌های تقویت شده با رشته (fiber)

انواع تقویت کننده ها به شرح ذیل هستند:

  • تقویت کننده رشته ای یا فیبری: سطح مقطع تقویت کننده فیبری، می تواند در اشکال دایره ای، مربع یا شش گوشه باشد و قطر آنها در بازه ۰٫۰۰۰۲۵ تا ۰٫۰۱۲۵ سانتیمتر است. طول یا نسبت طول به قطر (L/D ratio) برای فیبرهای ناپیوسته تا صد برابر و برای فیبرهای پیوسته می تواند بسیار بزرگتر باشد.
  • تقویت کننده ذره ای: این نوع تقویت کننده که ذراتی ریز هستند، با به تاخیر انداختن حرکت نابجایی ها در کامپوزیت زمینه فلزی، موجب استحکام دهی زمینه می شوند. اگر اندازه ذرات از یک میکرون بزرگتر باشد، استحکام دهی ناشی از این ذرات، به علت تقسیم نیرو در زمینه است.
  • تقویت کننده ورقه ای: این تقویت کننده ها به شکل صفحاتی مسطح هستند.

کامپوزیت های پلیمری به نوبه خود به دو دسته عمده تقسیم بندی می شوند:

  • کامپوزیت های تقویت شده با الیاف (fiber reinforced composites) که به کامپوزیت های لیفی هم مشهور هستند. در این نوع از کامپوزیت ها الیاف فاز تقویت کننده هستند، که در کاربردهای سازه ای بسیار پرمصرف می باشند.
  • کامپوزیت های ذره ای (particulate composite)، در این نوع از کامپوزیت ها فاز تقویت کننده را ذرات تشکیل می دهند. این نوع از کامپوزیت ها در قطعات با اصطکاک زیاد، مورد استفاده قرار می گیرند.

تعدادی از پرکاربردترین های رزین های مورد استفاده در کامپوزیت های پلیمری عبارتند از:

  • رزین های اپوکسی مانند دی گلایکول اترهای بیسفنول
  • رزین های پلی استر غیر اشباع مانند وینیل استر
  • رزین های فنولیک مانند ریسول ها

رزین های مورد استفاده در صنعت کامپوزیت شامل دو دسته عمده می باشند: رزین های گرما سخت (thermo sets) و رزین های گرمانرم (thermoplastics). ماتریس پلیمری می تواند از گرمانرم ها مانند آکریلیک، نایلون، پلی استایرن، پلی اتیلن، پلی اتراتر کتون و.. یا از گرما سخت ها مانند رزین های اپوکسی، پلی استر، فنولیک یا پلی آمید تشکیل شده باشد. گرمانرم ها تبدیل به پلیمرهای خطی با پیوندهای شیمیایی ضعیف (واندروالس) می شوند، گرماسخت ها پس از پلیمریزاسیون تبدیل به شبکه ی سه بعدی با اتصالات عرضی می شوند. اگرچه رزین های گرماسخت در دمای اتاق شکننده هستند و بر خلاف گرمانرم ها،  تحت گرمایش هم، به علت پیوندهای شیمیایی قوی، نمی توان آنها را دوباره شکل داد، اما آنها مقاومت کششی و مدول بالاتر،  مقاومت شیمیایی خوب و حلالیت عالی،  پایداری حرارتی و ابعادی، مقاومت خزش خوب و خواص خستگی عالی دارند. همچنین فرایند آنها به علت ویسکوزیته پایینشان (حدود 50-200 برابر آب)، ساده است. بنابراین ترجیحا در فرایند تولید کامپوزیت ها از آنها استفاده می شود.

پرکاربردترین نوع الیاف مورد استفاده در کامپوزیت ها الیاف شیشه هستند. علاوه بر الیاف شیشه از انواع مختلف الیاف کربن، گرانیت، کولار، آزبست، آرامید و سایر الیاف طبیعی نیز در این صنعت استفاده می شود. الیاف اصلی ترین المان در کامپوزیت های لیفی هستند که بالاترین کسر حجمی را در ساختار کامپوزیت دارند. انتخاب صحیح نوع، مقدار و جهت ریزش الیاف بسیار مهم بوده و تاثیر زیادی در خصوصیاتی نظیر : جرم مخصوص، استحکام کششی،  مدول کششی، استحکام فشاری، استحکام خستگی، قیمت و خواص الکتریکی و حرارتی دارند. مزایای استفاده از الیاف شیشه در صنعت کامپوزیت عبارتند از : قیمت نسبتا پائین، استحکام کششی بالا، مقاومت شیمیایی بالا، خواص عایقی حرارتی و الکتریکی بالا. و معایب آنها عبارتند از : شکنندگی پایین، مقاومت خستگی نسبتا پایین، مدول نسبتا پایین در مقایسه با دیگر الیاف و مقاومت کم سایشی.

مباحث مربوط به هر کدام از اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت ها، بسیار مفصل بوده و لازم است که در مقالات جداگانه به هر کدام از آنها به تفصیل پرداخته شود.