معرفی مواد کامپوزیت، انواع کامپوزیت‌ها و کاربردهای آن

Introduction of Composite Materials

1- معرفی مواد کامپوزیتی
کامپوزیت به‌عنوان ماده‌ای تعریف می‌شود که از ترکیب دو یا چند ماده مختلف به‌صورت ماکروسکوپی تشکیل می‌شود که از نظر خصوصیات متفاوت بوده و در یکدیگر حل نمی‌شوند. ترکیب اجزای مختلف در کامپوزیت‌ها خواص منحصربه‌فردی را به مواد کامپوزیت ارائه می‌دهد که با خواص هر کدام از اجزای سازنده متفاوت است. نمونه‌ای از مواد کامپوزیتی آجرهای گلی ساختمانی هستند که از قدیم‌الایام مورداستفاده قرار می‌گرفتند و که از ترکیب کاه‌گل به وجود می‌آمدند. تولید این مواد کامپوزیتی سبب شد تا ماده حاصل شده نسبت به ماده اولیه سازنده آن، از استحکام کششی خوبی برخوردار شود.
به‌طورکلی، مواد کامپوزیت از سه جزء اصلی ماتریس (به‌عنوان فاز پیوسته)، تقویت‌کننده (به‌عنوان فاز پیوسته یا غیرپیوسته) و ناحیه سطح مشترک میان این دو بخش تشکیل شده است. برای هزاران سال، مواد کامپوزیت نقش مهمی در زندگی بشر ایفا کرده‌اند که از تمدن‌های اولیه برای ساختن خانه‌ها شروع شده و پیشرفت‌های فناوری مدرن را ممکن می‌سازد. امروزه مردم از مواد کامپوزیتی متنوعی در زندگی روزمره خود استفاده می‌کنند که می‌توان به کاربرد این مواد در اکثر محصولات رایج از جمله پروژه‌های ساختمانی و مهندسی، کاربردهای پزشکی، انرژی و حمل‌ونقل، ورزش، هواپیما، خودرو و سایر زمینه‌ها اشاره کرد.

2- تکامل مواد کامپوزیتی
هزاران سال است که انسان‌ها از مواد کامپوزیتی استفاده می‌کنند. اولین کامپوزیت 1500 سال قبل از میلاد تولید شد و زمانی بود که مصریان و بین‌النهرینی‌ها از گل و کاه برای ساختن خانه‌های خود استفاده می‌کردند. همچنین مغولان اولین کمان را با استفاده از چوب، استخوان و چسب حیوانی ساختند. در طول جنگ جهانی دوم، مواد و محصولات کامپوزیتی تقویت شد و از آزمایشگاه به تولید واقعی منتقل شد. همچنین، توسعه قطعات از کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف، توسط بسیاری صنایع پذیرفته شد. در سال 1945، استفاده از کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف عمدتاً در کاربردهای نظامی بود. در سال 1946، اولین بدنه قایق کامپوزیتی FPR معرفی شد و در سال 1947 بدنه خودرو از مواد کامپوزیت ساخته شد و با موفقیت مورد آزمایش و استفاده قرار گرفت.

3- انواع مواد کامپوزیتی
شکل 1 شماتیکی از انواع مواد کامپوزیتی را نشان می‌دهد.

شکل 1 شماتیکی از انواع مواد کامپوزیتی

1-3 مواد ماتریسی
وظیفه اصلی ماده ماتریس در کامپوزیت پلیمری، عمل‌کردن این ماده به‌عنوان یک اتصال‌دهنده است و بار را بین اجزای تشکیل‌دهنده کامپوزیت‌ها منتقل می‌کند. از وظایف ماتریس شکل‌دهی به ماده کامپوزیت و تعیین کیفیت سطح کامپوزیت است. کامپوزیت‌های پلیمری معمولاً از دو نوع ماده ماتریس به نام‌های ماتریس‌های رزین ترموپلاستیک و ترموست استفاده می‌کنند. از آغاز تولید مواد کامپوزیتی، از هر دو ماده برای توسعه کامپوزیت‌ها استفاده شده است. معرفی و ویژگی‌های ماتریس رزین ترموپلاستیک و ترموست در جدول 1 آورده شده است.

2-3 تقویت‌کننده‌های فیبری در کامپوزیت‌ها
در کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف می‌توان از انواع الیاف به‌عنوان مواد تقویت شده استفاده کرد. انتخاب مواد تقویت شده به کاربرد نهایی کامپوزیت بستگی دارد. برخی از تقویت‌کننده‌های الیاف رایج مورداستفاده در کامپوزیت‌ها به شرح زیر است:

الف) الیاف شیشه
همان‌طور که از نام آن پیداست، الیاف شیشه از فرمولاسیون مبتنی بر سیلیس یا سایر فرمولاسیون‌های شیشه باحرارت دادن در دمای 1675 درجه سانتیگراد تولید می‌شوند. انواع مختلفی از الیاف شیشه بر اساس خواص آنها موجود است که عبارت‌اند از:
• الیاف شیشه نوع A (شیشه قلیایی): دارای مقاومت شیمیایی خوبی و خواص الکتریکی ضعیف است.
•الیاف شیشه نوع C (شیشه شیمیایی): دارای مقاومت شیمیایی بالایی است.
•الیاف شیشه نوع E (شیشه الکتریکی): عایق بسیار خوبی بوده و دارای مقاومت در برابر آب است.
• الیاف شیشه نوع S (شیشه سازه‌ای): خواص مکانیکی خوبی دارد.
• الیاف شیشه نوع D (شیشه الکتریکی): خواص الکتریکی خوبی دارد، اما خواص مکانیکی آن نسبت به الیاف شیشه نوع E و S کمتر است.

• الیاف شیشه E-CR (الیاف الکترونیکی): این الیاف در مقایسه با الیاف شیشه نوع E  دارای مقاومت الکتریکی، مقاومت شیمیایی، خواص مکانیکی خوب و مقاومت در برابر آب است.
• الیاف شیشه AR (شیشه مقاوم به مواد قلیایی): این الیاف، به‌صورت خاص در بتن استفاده می‌شوند؛ زیرا به بتن قدرت و انعطاف‌پذیری بالایی بخشیده و از ایجاد ترک‌ها جلوگیری می‌کنند.
• الیاف شیشه نوع M: این الیاف شامل بریلیم در ترکیب خود است، به‌طوری‌که انعطاف‌پذیری بهتری را نسبت به الیاف شیشه نوع  E فراهم می‌کنند.
•الیاف شیشه نوع Z: این نوع از الیاف، برای تولید اجزاء شفاف و کامپوزیت‌هایی که دارای مقاومت مکانیکی، مقاومت در برابر اشعه ماورای‌بنفش، اسید، قلیا، نمک، خراش، سایش و دما هستند، استفاده می‌شوند. همچنین این الیاف در فیلامنت پرینترهای سه‌بعدی نیز کاربرد دارند.

شکل 2 شماتیکی از الیاف شیشه

ب) الیاف کربن
الیاف کربن از اتم‌های کربن تشکیل شده است که به یکدیگر پیوند می‌خورند و یک زنجیره طولانی را تشکیل می‌دهند. الیاف کربن در مقایسه با الیاف شیشه بسیار سفت، محکم و سبک، دارای نسبت وزن به استحکام کم، ضریب انبساط حرارتی پایین و مقاومت خوب در برابر مواد شیمیایی و دماهای بالا هستند. الیاف کربن اولین‌بار در نزدیکی کلیولند ، اوهایو ، در سال 1958 اختراع شد. بر اساس مدول، استحکام و دمای عملیات حرارتی نهایی، الیاف کربن را می‌توان به دسته‌هایی طبقه‌بندی کرد که در جدول 2 آمده شده است.

جدول 2 طبقه‌بندی الیاف کربن

شکل 3 شماتیکی از الیاف کربن

پ) الیاف آرامید
الیاف کولار  از الیاف پلی‌آمید آروماتیک (آرامید) ساخته شده است که شرکت دوپونت  این نوع الیاف را در اوایل دهه 1970 در دسترس عموم قرارداد. الیاف کولار دارای استحکام بالا، مقاومت خوب در برابر سایش، مقاومت شیمیایی بالا، نارسانایی، اشتعال‌پذیری کم و یکپارچگی پارچه خوب در دماهای بالا هستند. الیاف آرامید به‌طورکلی در رنگ زرد موجود است و به طور گسترده در کاربردهایی که به استحکام بالا و وزن کم‌نیاز است، استفاده می‌شوند. الیاف کولار به دلیل مقاومت خوب در برابر ضربه، در کاربردهای بالستیک استفاده می‌شوند. بر اساس محل پیوند شیمیایی در ساختار این الیاف، الیاف آرامید را می‌توان به دو نوع طبقه‌بندی کرد که عبارت‌اند از:

1) متا - آرامید : پیوند شیمیایی در الیاف متا - آرامید به‌صورت زیگزاگی است و استحکام کششی فیبر متا - آرامید کمتر از پارا - آرامید  است. این الیاف از مقاومت حرارتی، شیمیایی و تشعشعی خوبی برخوردار هستند.
2) پارا - آرامید: الیاف پارا - آرامید، دارای ساختارهای پیوند شیمیایی در جهت بلند الیاف در یک راستا هستند. این نوع از الیاف دارای استحکام کششی بالایی می‌باشند. چنین الیافی به طور گسترده در کاربردهای سازه‌ای مهندسی عمران استفاده می‌شوند.

شکل 4 شماتیکی از الیاف آرامیدی

ت) الیاف طبیعی
کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف طبیعی به دلیل ویژگی‌های خوبشان در سال‌های اخیر برای مصارف بسیاری محبوب شده‌اند. باتوجه‌به سیاست‌های دولت و آگاهی زیست‌محیطی، استفاده از الیاف طبیعی در کامپوزیت پلیمری افزایش‌یافته است. الیاف طبیعی دارای چگالی کم، استحکام ویژه بالا و دارای عایق حرارتی و صوتی خوبی هستند. الیاف طبیعی یا از گیاهان یا حیوانات به دست می‌آید. این الیاف به دلیل خواص مکانیکی قابل‌مقایسه با الیاف شیشه نسبت به الیاف مصنوعی، در بخش‌های مختلف به‌عنوان مواد تقویت‌کننده برای تولید کامپوزیت‌ها و کاربرد در صنایعی مانند خودروسازی، ساختمان‌سازی و صنایع ورزشی استفاده می‌شوند. در جدول 3 طبقه‌بندی مناسبی برای الیاف طبیعی نشان‌داده‌شده است.

جدول 4 طبقه‌بندی الیاف طبیعی

4-   طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها بر اساس سازه تقویت‌کننده

شکل 5 طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها بر اساس سازه تقویت‌کننده را نشان می‎دهد.

5-کاربردهای کامپوزیت‌ها
مواد کامپوزیتی در صنایع مختلفی کاربرد دارند که عبارت‌اند از:
1) هوافضا: کاربرد در ساخت آنتن، رادار، سازه‌های ماهواره‌ای، بازتابنده‌های خورشیدی و غیره.
2) هواپیما: کاربرد در سطوح آئروفویل ، تیغه‌های کمپرسور، درهای محفظه موتور، تیغه‌های فن، شفت روتور در هلیکوپترها، تیغه‌های توربین، محورهای توربین، سازه‌های جعبه بال و غیره.
3) خودروها: کاربرد در بدنه خودرو، سپر، گلگیر، پانل درب، داشبورد، میل محرک، مخزن سوخت، سیلندر CNG، شاسی، گلگیر و غیره.
4) پره‌های توربین بادی: کاربرد در پره‌های روتور، مخروط دماغه، لوازم جانبی برای ژنراتورهای برق بادی و غیره.
5) کالاهای ورزشی: کاربرد در تجهیزات ورزشی مانند اسکی، تخته موج‌سواری، موج‌سواری، تخته‌های تنیس‌روی‌میز، تخته‌های بال، تنیس، بدمینتون، میله‌های ماهیگیری، چوب گلف، چوب‌های بیسبال، چوب هاکی، میله میله‌ای، شمشیر و غیره.

6- کامپوزیت‌ها در ATIRA
ATIRA در مارس 2011 توسط وزارت نساجی، دولت هند به‌عنوان مرکز تعالی در کامپوزیت‌ها اعلام شد.
ATIRA مرکز تعالی  را برای توسعه برنامه‌های کاربردی کامپوزیت‌های پیشرفته از طریق یک فرایند پیشرفته به‌منظور دستیابی به کاهش وزن، خواص مکانیکی بالا، رقابت‌پذیری برای هزینه و تقویت پایگاه دانش در کامپوزیت‌ها از طریق تحقیق، توسعه و آموزش ایجاد کرده است.

1-6 کارهای انجام شده در ATIRA (مواد کامپوزیت)
کارهای انجام شده در ATIRA (مواد کامپوزیت) به شرح زیر است:
1) محصولات ATIRA مبتنی بر الیاف کربن و رزین اپوکسی از طریق فرایند تزریق خلأ تولید می‌شوند. اجزای مختلفی برای سیستم‌های ارتباطی ماهواره‌ای توسعه‌یافته است.
2)سیستم‌های ارتباطی ماهواره‌ای نیز با استفاده از پیش‌آغشته‌سازی ماتریس اپوکسی با الیاف کربن توسعه یافته‌اند.
3) مواد هسته کربنی که برای ساخت پانل‌های ساندویچ همگن به‌منظور عملکرد بهتر در دست توسعه است.
4)الیاف طبیعی مانند جوت و کامپوزیت‌های مبتنی بر پنبه با استفاده از فرایند قالب‌گیری فشرده ساخته شدند. اینها در ساخت پارتیشن، درب و استفاده‌های مهندسی کاربرد دارند.
5) پروفیل‌های کامپوزیت مبتنی بر Pultrusion برای کاربردهای متنوع مانند ساخت‌وساز ساختمان، مبلمان، برج خنک‌کننده و غیره توسعه‌یافته است.
6) کامپوزیت‌های قالب‌گیری فشرده که بر پایه تقویت‌کننده‌های مصنوعی مانند الیاف شیشه، فیبر کربن، آرامید و غیره و همچنین تقویت‌کننده‌های طبیعی مانند الیاف پنبه، الیاف جوت و غیره برای کاربردهای متنوع ساخته شده‌اند.
7) فرایند مبتنی بر تزریق خلأ  که برای توسعه محصولات فضایی و هواپیما بر اساس تقویت‌کننده کربن، آرامید و اپوکسی تولید می‌شود. همچنین ساختار ساندویچی مبتنی بر لانه‌زنبوری آلومینیومی، هسته کربن و هسته کوارتز و غیره نیز توسعه‌یافته است.

2-6 امکانات ساخت و فراوری موجود در ATIRA
از امکانات ساخت و فراوری موجود در ATIRA عبارت‌اند از:
1 ساختارهای متقاطع Pultrusion باهدف ساخت سازه‌های متقاطع برای توسعه کاربردهای ساخت‌وساز ساختمان (نیازمند به دستگاه Pultrusion)
2) ورق‌های توسعه‌یافته مورداستفاده برای کاربردهای سازه‌ای با استفاده از روش قالب‌گیری تحت‌فشار
3) توسعه قطعات CFRP/GFRP برای استفاده در اجزای ماهواره‌ها با استفاده از روش تزریق خلأ
4) توسعه سیم‌ها و لوله‌ها با استفاده از الیاف کربن با استفاده از دستگاه بافندگی حلقوی
5) توسعه منسوجات برای ساخت پارچه‌هایی که در اجزای CFRP برای ISRO استفاده می‌شوند.

♦ منابع مرتبط :

https://atira.in/composite-materials-guide►

♦ لینک اشتراک گذاری :

https://B2n.ir/nassajyar1378►

♦ مطالب پیشنهادی :

- کامپوزیت‌های نساجی

- کاربردهای نانوکامپوزیت‌های سلولزی بر پایه پنبه

- احیای مجدد مجموعه سیستم های کامپوزیتی درنیر

- قابلیت پرسولیز در بازیافت کامپوزیت الیاف شیشه

- کامپوزیت های تقویت شده در نساجی برای کاربردهای پیشرفته

- کاربرد مواد کامپوزیت نساجی در صنعت هوافضا

-کامپوزیت چیست

- خواص کامپوزیت نساجی

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.