مروری بر کامپوزیتها
سازندگان، طراحان و مهندسین، توانایی مواد کامپوزیت را جهت تولید محصولاتی با کیفیت بالا، با دوام و ارزان تشخیص داده اند. مواد کامپوزیت در محصولات زیادی در زندگی روزمره ما یافت می شوند، از اتومبیلهایی که بر آن سوار می شویم تا قایقها، چوبهای اسکی و گلف که در تعطیلات آخر هفته استفاده می کنیم. علاوه بر این، کامپوزیتها در بسیاری از کاربردهای صنعتی حساس، هوا فضا و نظامی استفاده می شوند.
در بازاری که تقاضا برای محصول همواره در حال افزایش است، مواد کامپوزیت در کاهش هزینه ها و افزایش کارآیی، ثابت کرده اند که موثر می باشند. کامپوزیتها، مشکلات را حل می کنند، سطح کارآیی را بالا می برند و توسعه محصولات جدید را قادر می سازند. در ایالات متحده، ساخت کامپوزیتها، یک صنعت 25 میلیون دلاری در سال است و یکی از معدود صنایعی است که در آن نسبت به دیگر رقبای خارجی کمی پیشرفته تر است.
بیش از 3000 مرکز در ارتباط با ساخت قطعات و توزیع مواد کامپوزیت در آمریکا وجد دارند. این امکانات، بیش از 236000 نفر را به کار گمارده است. علاوه بر آن حدود 250000 نفر در ارتباط با تجارت این صنعت شامل، تهیه کنندگان مواد، فروشندگان تجهیزات و دیگر پرسنل پشتیبانی کننده، مشغول به کار می باشند.
در حدود 90% کامپوزیتهای تولید شده از الیاف شیشه و رزین پلی استر و وینیل استر استفاده می شود. 65% کامپوزیتها با استفاده از روش قالبگیری باز ساخته می شوند و 35% باقیمانده با استفاده از روشهای قالبگیری بسته یا پیوسته تولید می شوند.
کامپوزیتها به طور گسترده ای به عنوان پلاستیکهای تقویت شده شناخته می شوند. به طور ویژه، کامپوزیتها، الیاف تقویت کننده ای در ماتریس پلیمری هستند.غالبا، الیاف تقویت کننده، فایبر گلاس می باشند گر چه الیافی با استحکام بالا نظیر آرامید و کربن در کاربردهای پیشرفته به کار برده می شوند.
ماتریس پلیمری، رزین ترموستی نظیر پلی استر، وینیل استر و رزینهای اپاکسی به عنوان ماتریس انتخابی می باشند. رزینهای خاصی نظیر فنولیک، پلی اوره تان و سیلیکون برای کاربردهای ویژه استفاده می شوند. اغلب پلاستیکهای خانگی، نظیر پلی اتیلن، اکریلیک، نایلون و پلی استیرن به عنوان ترمو پلاستیکها شناخته می شوند. این مواد می توانند حرارت دیده و شکل بگیرند و با دوباره حرارت دیدن مجددا به حالت مایع برگردند. کامپوزیتها معمولا از رزینها ترموستی که ابتدا به صورت پلیمرهای مایع می باشند استفاده می کنند و در حین فرآیند قالبگیری به شکل جامد تبدیل می شوند. این فرآیند به عنوان اتصال متقاطع که غیر قابل بازگشت شناخته می شوند. به این دلیل در مواد کامپوزیت، مقاومت شیمیایی و حرارتی و خواص فیزیکی و دوام سازه ای شان نسبت به ترمو پلاستیکها افزایش یافته است.
به دلیل فواید مواد کامپوزیت، رشد کاربردهای جدید در بازارهایی نظیر حمل و نقل، ساختمان، مقاومت به خوردگی، سازه های دریایی، سازه های خیلی قوی، محصولات مصرفی، وسایل برقی، هواپیما و هوا فضا، وسایل و تجهیزات تجاری در حال تقویت است.
مزایای استفاده از مواد کامپوزیت عبارتند از:
استحکام بالا: مواد کامپوزیت برای نیازهای استحکامی خاص در یک کاربرد می توانند طراحی شوند. مزیت بارز کامپوزیتها نسبت به سایر مواد، توانایی استفاده کردن از تعداد زیادی از ترکیبهای رزینها و تقویت کننده ها و بنابراین رسیدن به خواست مشتری از نظر خواص مکانیکی و فیزیکی سازه می باشد.
سبکی: کامپوزیتها، موادی را ارائه می دهند که می توانند برای هم استحکام بالا و هم وزن کم طراحی شوند. در حقیقت کامپوزیتها جهت تولید سازه هایی با بالاترین نسبت استحکام به وزن شناخته شده برای بشر به کار برده می شوند.
مقاومت به خوردگی: کامپوزیتها، مقاومت طولانی مدتی را در کار در محیطهای شیمیایی و دمایی ارائه می دهند. کامپوزیتها، موادی منتخب برای قطعاتی که در معرض محیط های باز، کاریردهای شیمیایی و دیگر شرایط محیطی می باشند، هستند.
انعطاف پذیری طراحی: کامپوزیتها نسبت به دیگران مواد این مزیت را دارند که می توانند با شکلهای پیچیده نسبت به هزینه کم، قالبگیری شوند. انعطاف پذیری در ایجاد شکلهای پیچیده، به طراحان آزادی عمل می دهد که نشانی از موفقیت کامپوزیتهاست.
بادوام بودن: سازه های کامپوزیتی عمری با دوام و طولانی را دارا هستند. این خصوصیت با حداقل نیازمندی های تعمیر و نگهداری توام گشته است. طول عمر کامپوزیتها در کاربردهای حساس مزیت به شمار می رود. در نیم قرن توسعه کامپوزیتها، سازه های کامپوزیتی به گونه ای خوب طراحی شده اند که هنوز کاملا فرسوده نشده اند. امروزه، صنعت کامپوزیتها به عنوان یک ارائه دهنده اصلی مواد به رشد خود ادامه می دهد به صورتی که بیشتر طراحان، مهندسین و سازندگان، از مزایای این مواد همه کاره مطلع شده شده اند.
صنعت کامپوزیتها
صنعت کامپوزیتها، عموما توسط بازارهایی که از محصولات کامپوزیتها استفاده می کنند مشخص می گردد. کامپوزیتها توسط هزاران سازنده محصولاتی که در سه مقوله قرار دارند استفاده می شوند: کامپوزیتهای مصرفی، کامپوزیتهای صنعتی و کامپوزیتهای پیشرفته.
کامپوزیتهای مصرفی
صنعت کامپوزیتها به مدت بیش از 50 سال جا افتاده است و محصولات مصرفی نظیر، قایقها، اتومبیلها و محصولات بازسازی شده از اوایل دهه 1950 ساخته شده اند.
گرچه غالبا، و نه همیشه، کامپوزیتهای مصرفی شامل محصولاتی می باشند که به یک پرداخت تزئیناتی نیاز دارند ( نظیر قایقها، وسایل بازسازی شده، پوشش حمامها و وسائل ورزشی ) در بسیاری از حالتها، پرداخت تزئیناتی، یک پوشش شناخته شده به عنوان ژل کت درون قالب است. کامپوزیتهای مصرفی، بخش عمده ای از کل محصولات بازار به خود اختصاص می دهند.
کامپوزیتهای صنعتی
تنوع وسیعی از محصولات کامپوزیتی در کاربردهای صنعتی، جاهایی که مقاومت به خوردگی و عملکرد در محیطهایی با شرایط بد را می طلبد مصرف می شوند. به طور کلی، رزینهای در حد متوسط نظیر ایزوفتالیک و وینیل استر برای مشخصه های مقاوم در قبال خوردگی مورد نیاز می باشند و الیاف شیشه ( فایبر گلاس ) تقریبا همواره به عنوان الیاف تقویت کننده به کار می روند. در بسیاری حالتها، پرداختهای تزئینی، دومین خواسته عملکردی محصولات می باشند.
کامپوزیتهای صنعتی
تنوع وسیعی از محصولات کامپوزیتی در کاربردهای صنعتی، جاهایی که مقاومت به خوردگی و عملکرد در محیط هایی با شرایط بد را می طلبد مصرف می شوند. به طور کلی، رزینهای در حد متوسط نظیر ایزوفتالیک و وینیل استر برای مشخصه های مقاوم در قبال خوردگی مورد نیاز می باشند و الیاف شیشه تقریبا همواره به عنوان الیاف تقویت کننده به کار می روند. در بسیاری حالتها، پرداختهای تزئینی، دومین خواسته عملکردی محصولات می باشند.
کامپوزیتهای صنعتی
تنوع وسیعی از محصولات کامپوزیتی در کاربردهای صنعتی، جاهایی که مقاومت به خورندگی و عملکرد در محیطهایی با شرایط بد می طلبد مصرف می شوند. به طور کلی، رزینهای در حد متوسط نظیر ایزوفتالیک و وینیل استر برای مشخصه های مقاوم در قبال خورندگی مورد نیاز می باشند و الیاف شیشه تقریبا همواره به عنوان الیاف تقویت کننده به کار می روند. در بسیاری حالتها، پرداختهای تزئینی، دومین خواسته عملکردی محصولات می باشند.
کامپوزیتهای پیشرفته
این بخش از صنعت کامپوزیتها با استفاده از سیستمهای رزینی با عملکردی بالا و گران قیمت و الیاف تقویت کننده ای با استحکام بالا و سفتی بالا مشخص می گردند. صنعت هوا فضا شامل انواع هواپیماهای نظامی و تجاری مشتری اصلی برای کامپوزیتهای پیشرفته می باشد. این مواد همچنین برای استفاده در ابزارهای ورزشی جاهایی که عملکرد بالایی نیاز هست نظیر چوبهای گلف، راکتهای تنیس، چوبهای بلند ماهی گیری و کمانهای تیراندازی و جاهایی که خواصی نظیر نسبت استحکام بالا به وزن کم مد نظر است به عنوان مواد پیشرفته استفاده می شوند.
هر چند رزین اپکسی و الیاف تقویت کننده آرامید، کربن یا گرافیت در این بخش از بازار حاکم هستند، تعداد دیگری از رزینهای اگزوتیک و الیاف استفاده شده در کامپوزیتهای پیشرفته نیز وجود دارند.
کامپوزیتها چه هستند؟
کلمه کامپوزیت می تواند در چند جای مختلف به کار برده شود و تعریف آن می تواند در محدوده ای از یک حالت عمومی تا حالتی خیلی خاص به کار رود. ترکیب چند عکس به داخل یک تصویر به عنوان یک عکس کامپوزیتی شناخته می شود که ترکیبی از اجزاء مختلف ست. مواد کامپوزیت هم، ترکیبی از اجزاء مختلف هستند.
تعریف جامع یک کامپوزیت عبارت است از: دو ماده غیر یکسان که در صورت ترکیب، ماده حاصله از تک تک مواد قوی تر می شود. کامپوزیتها می توانند هم به صورت طبیعی و هم به صورت مصنوعی باشند.
چوب مثال خوبی از یک کامپوزیت طبیعی است.
چوب ترکیبی از الیاف سلولزی و لیگنین می باشد. الیاف سلولزی استحکام را ایجاد می کنند و لیگنین چسبی است که الیاف را به هم می چسباند و پایدار می کند. بامبو، یک سازه کامپوزیتی چوبی بسیار کارآمد می باشد.
اجزاء آن عبارتند از: سلولز و لیگنین، همانگونه که در دیگر چوبها نیز هست. ضمنا بامبو تو خالی است و این امر باعث می شود که سازه ای سفت و خیلی سبک باشد. چوبهای بلند ماهی گیری کامپوزیتی و بدنه چوبهای گلف، کپی این طرح طبیعی می باشند.
تخته چند لایه، یک کامپوزیت ساخت بشر است که ترکیب مواد طبیعی و مصنوعی می باشد. این لایه های نازک چوب با چسبی به هم چسبانده می شوند و تشکیل صفحاتی تخت از چوب لایه گذاری شده، که از چوب طبیعی قوی تر هستند را می دهند.
ترکیبات دیگری از مواد طبیعی ساخت بشر وجود دارند که کامپوزیتهای مفید را تشکیل می دهند. مصریان باستان کامپوزیتها را ساختند. آجرهای خشتی مثالهای خوبی هستند. ترکیبی از کاه و گل کامپوزیتی را تشکیل می دهند که هم از گل و هم از کاه به تنهایی، قوی تر است.
این یک ماده کامپوزیتی کلاسیک است که در آن اشتراک مساعی بین مواد وجود دارد. در این حالت، اشتراک مساعی به معنای این است که ترکیب مواد قوی تر است و از تک تک مواد بهتر عمل می کند. بتن صلب هست و استحکام فشاری خوبی دارد در حالی که فولاد استحکام کششی بالایی دارد.
نتیجه این است که این سازه هم از نظر کشش و هم از نظر فشار قوی می باشد. محصول کامپوزیتی دیگری که ما با آن خیلی آشنا هستیم، تایر لاستیکی است. تایر اتومبیل ترکیبی است از مخلوط لاستیک و تقویت کننده ای نظیر فولاد، نایلون، آرامید یا دیگر الیاف.
لاستیک به عنوان ماتریس عمل می کند و تقویت کننده را در جای خود نگاه می دارد. ماتریس، چسبی است که الیاف را در جای خود نگاه می دارد. در حالی که تعریف جامع کامپوزیتها دقیق است، خیلی عمومی است.
یک تعریف ویژه از کامپوزیت برای اهداف ما چنین است:
ترکیبی از الیاف تقویت کننده و یک ماتریس پلیمری.
چرا کامپوزیتها متفاوتند؟
کامپوزیتها خواص مختلفی نسبت به سایر مواد دارا هستند. برای مثال فلزات، استحکام یکسانی در همه جهات دارند. کامپوزیتها می توانند طبق خواست مشتری جهت گیری شده یا در یک جهت خاص بیشترین استحکام را داشته باشند. اگر کامپوزیتی در یک جهت باید در قبال خمش مقاومت کند، بیشتر الیاف می توانند در جهت 90 عمود بر نیروی خمش قرار گیرند. این کار، سازه ای خیلی سفت را در یک جهت ایجاد می کند. آنچه واقعا اتفاق می افتد این است که بیشتر ماده می تواند به طوری که موثرتر است به کار برده شود.
در عوض در فلزات، اگر استحکام بزرگ تری در یک جهت خواسته شده باشد، ماده باید به طور کلی ضخیم تر ساخته شود که وزن را اضافه می کند.
آیا سوالی دارید؟ 
