مواد کامپوزیتی نساجی: طبقه‌بندی و کاربردهای آن‌ها

Textile Composite Materials (TCM): Classification and Applications

 
1- مواد کامپوزیت نساجی
مواد کامپوزیتی نساجی، مواد مهندسی شده‌ای هستند که از دو یا چند ماده متفاوت ساخته شده‌اند که دارای اثر هم‌افزایی در خواص هستند. به طور معمول، کامپوزیت‌ها از یک ماتریس و یک یا چند ماده تقویت‌کننده (بسته به کاربرد نهایی آن کامپوزیت) تشکیل شده‌اند. مواد کامپوزیتی اغلب قوی‌تر از مواد معمولی بوده و وزن کمتری دارند. توسعه فناوری توانمند برای مواد کامپوزیتی نساجی می‌تواند در صنعت منسوجات، پوشاک و غیره استفاده شود.

 
شکل 1 کامپوزیت‌هایی حاوی لایه‌هایی از مواد تقویت‌کننده

 
کامپوزیت‌ها به دلیل وزن سبک، استحکام بالا، انعطاف‌پذیری در طراحی و عمر طولانی، روزبه‌روز جایگزین مواد فلزی معمولی می‌شوند. همچنین این مواد به دلیل خواص ویژه در مقاومت در برابر خوردگی و استحکام و سختی بالا، جایگزین مواد معمولی در چندین زمینه کاربردی مانند هوافضا، خودرو، حمل‌ونقل، ورزش و سایر کاربردهای خاص می‌شود. این محصولات به‌خصوص برای کاربردهای هوانوردی به دلیل استحکام نسبتاً بالا، خواص یکنواخت‌تر و کاهش هزینه ساخت موردتوجه قرار گرفته‌اند. به‌طورکلی کامپوزیت‌ها را می‌توان به دلایلی برتر از به مواد فلزی دانست که عبارت‌اند از:
• استحکام بالا
• وزن سبک
• عمر طولانی
• تولید به شکل نهایی
• استفاده از طراحی‌های متنوع در تهیه محصول نهایی
کامپوزیت‌ها از دو جزء اصلی به نام ماتریس (رزین) و تقویت‌کننده (الیاف و یا پارچه‌ها) تشکیل شده‌اند که در ادامه به بررسی هر کدام پرداخته می‌شود.

1-1 ماتریس
ماتریس ماده اصلی تشکیل‌دهنده کامپوزیت‌ها است که عمدتاً مسئول ارائه خواص مکانیکی کامپوزیت‌ها است. درصد به‌کاررفته ماتریس در کامپوزیت ممکن است تا 70 درصد حجمی باشد. ماتریس‌ها اغلب شامل رزین‌ها (پلیمر مصنوعی) هستند تا هدف اصلی یعنی اتصال ماتریس و تقویت‌کننده را  فراهم کنند.

2-1 طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها
کامپوزیت‌ها معمولاً بر اساس ماده تشکیل‌دهنده ماتریس طبقه‌بندی می‌شوند. همچنین یک کامپوزیت را می‌توان بر اساس نوع رزین و تقویت‌کننده نیز طبقه‌بندی کرد.

1-1-1 طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها بر اساس رزین
کامپوزیت‌ها بر اساس نوع رزین به دودسته از کامپوزیت‌های ترموپلاستیک  و ترموست  طبقه‌بندی می‌شوند.

الف) کامپوزیت‌های ترموپلاستیک
این نوع از مواد کامپوزیتی با رزین ترموپلاستیک مانند پلی‌استر، HDPE و غیره تهیه می‌شوند. این مواد به دلیل ویسکوزیته بالا به‌عنوان مواد با تکنولوژی بالا، کمتر مورداستفاده قرار می‌گیرند که باعث ایجاد مشکل در هنگام نفوذ به تقویت‌کننده می‌شوند.

ب‌) کامپوزیت‌های ترموست
در این کامپوزیت‌ها از پلیمرهای ترموست مانند اپوکسی ، پلی‌استر غیراشباع  و وینیل استر  به‌عنوان رزین استفاده می‌شود. این نوع از کامپوزیت‌ها اغلب در کاربردهای خودروسازی، دریایی، هوانوردی و هوافضا استفاده می‌شوند.

2-1-1 طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها بر اساس تقویت‌کننده‌ها
تقویت‌کننده‌های مورداستفاده در هنگام ساخت کامپوزیت ممکن است به‌صورت لایه‎ای باشند که برای به‌دست‌آوردن ضخامت معین با هم ترکیب می‌شوند. همچنین این مواد می‌توانند به‌صورت پارچه ضخیم بافته شده باشند؛ بنابراین کامپوزیت‌های تقویت‌کننده را می‌توان به دودسته کامپوزیت‌های لایه‌ای  و کامپوزیت‌های سه‌بعدی بافته‌شده، تقسیم کرد.

الف) کامپوزیت‌های لایه‌ای
در این نوع از کامپوزیت‌ها، لایه‌های تقویت‌کننده در یک الگوی خاص روی‌هم چیده می‌شوند تا خواص موردنیاز در قطعه کامپوزیت نهایی، به دست آید. به این لایه‌ها لایه یا لمینت  می‌گویند. لایه‌ها می‌توانند از مواد تقویت‌کننده تشکیل شوند که انواع آن‌ها عبارت‌اند از:
• بدون بافت
• تابیده‌شده
• تقویت‌شده با الیاف
• مت
• دوبعدی بافته‌شده
• الیاف تک جهته

ب‌)  کامپوزیت‌های سه‌بعدی بافته‌شده
این کامپوزیت‌ها دارای تقویت‌کننده از نوع پارچه بافته شده سه‌بعدی یا دوبعدی به‌صورت چندلایه هستند. همچنین، این کامپوزیت‌ها از نظر ضخامت در مقایسه با کامپوزیت‌های لایه‌ای بسیار بهتر هستند.
2-  کاربرد کامپوزیت‌های نساجی
کامپوزیت‌های تقویت شده با مواد نساجی در صنایع مختلفی کاربرد دارند که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌شود.

1) کامپوزیت‌های نساجی برای کاربرد در لباس‌های محافظ و لوازم جانبی
کامپوزیت‌های نساجی برای ساخت لباس‌های محافظ و لوازم جانبی (دستکش، سرپوش، کفش و غیره) مناسب بوده تا بتوانند در برابر خطرات آب‌وهوایی، یعنی دمای بسیار سرد یا گرم، شوک و یا ضربه بالا، ایجاد خواص بازدارنده شعله و یا در برابر مواد شیمیایی سمی محافظت کنند. مواد محافظ شامل دو یا چند ماده لیفی با ماهیت متفاوت است که با چسبندگی مناسبی به یکدیگر متصل شده‌اند تا عملکرد نهایی برای رسیدن به هدف موردنظر را ایجاد کنند. لباس و لوازم جانبی محافظ کامپوزیتی، دارای عملکرد بالا در ایجاد راحتی و ظرفیت بالایی در جذب رطوبت هستند. به جهت توسعه و پیشرفت منسوجات محافظ کامپوزیتی، امروز تمرکز اصلی بر تولید لباس‌های محافظ در برابر خطرات آب‌وهوایی، لباس‌های محافظ در برابر ضربه زیاد، ایجاد بازدارنده شعله یا مواد شیمیایی سمی در منسوجات، است.

2) کامپوزیت‌های نساجی برای کاربرد در لباس‌های فضایی
کامپوزیت‌های نساجی مرزهای خود را از استفاده روزمره، به کاربردهای هوافضا گسترش داده است. لباس فضایی یکی از این نمونه‌هاست که برای کاربرد در فضا استفاده می‌شود. در فضا محیط طبیعی وجود ندارد و فضانوردان با تشعشعات مضر، فشار کم و دمای بالا مواجه می‌شوند. ازاین‌رو، تولید منسوجات فضایی از الیاف نساجی غیر قابل‌اشتعال و با کارایی بالا موردنظر است. این منسوجات برای محافظت از فضانوردان و راحت نگه‌داشتن آن‌ها با ارائه خنک‌کننده، هوای تمیز و سیستم‌های فشار داخل لباس طراحی شده‌اند. لباس فضایی باید سبک، انعطاف‌پذیر، محکم، دارای عایق حرارتی و مقاوم در برابر حرارت باشد.
همان گونه که کت‌وشلوار از چندین لایه تشکیل شده است و هر لایه عملکردهای متفاوتی دارد، لباس‌های فضایی نیز بدین‌گونه هستند. در منسوجات فضایی، لایه داخلی با تکنیک بافندگی برای راحتی فضانورد ساخته شده است. لایه دوم و سوم عمدتاً از پارچه الاستیک پلی‌اورتان  و پارچه نایلونی با روکش اورتان برای متعادل‌کردن فشار (داخلی و خارجی) ساخته شده است. همچنین بالای این لایه‌ها هفت‌لایه برای عایق حرارتی قرار داده شده است. لایه‌های بیرونی از الیاف کولار  و نومکس  برای محافظت در برابر بارهای الکتریکی، ذرات، تشعشعات فرابنفش و شهاب‌سنگ‌ها ساخته شده‌اند که تهدیدهایی برای فضانوردان در فضا محسوب می‌شوند. شهاب‌سنگ‌ها قطعات بسیار کوچکی از فلز و سنگ هستند و با سرعت بالا حرکت می‌کنند و به‌راحتی می‌توانند به بدن نفوذ کنند؛ بنابراین لباس فضایی باید بتواند در برابر ضربه و استرس ناشی از این قطعات و ذرات مقاومت کند.

3) کامپوزیت‌های نساجی برای کاربرد در صنعت هوافضا
استحکام ویژه عالی، سختی بالا و وجود ساختارهایی با وزن سبک، همیشه موردنیاز مواد اولیه برای کاربردهای هوافضا و صنایع دفاعی هستند. انتخاب الیاف با کارایی بالا و جهت‌دهی الیاف در جهت موردنیاز، مهندسان مواد را قادر می‌سازد تا کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف و دارای خواص مکانیکی بهینه طراحی کنند. علاوه بر این، اشکال ترکیبی و مقاومت عالی در برابر خستگی و خوردگی، کامپوزیت‌ها را از طریق تکنیک‌های متفاوت تولید کامپوزیت نساجی، مناسب‌تر و قابل توجه‌تر کرده است؛ بنابراین، هواپیماهای تجاری مانند بوئینگ 787، دریم لاینر  و ایرباس A350 XWB دارای تعداد زیادی (از نظر وزن و همچنین حجم) از قطعات کامپوزیتی هستند. شکل 2 کاربرد گسترده کامپوزیت‌های نساجی در صنعت هوافضا را نشان می‌دهد.


4)    کامپوزیت‌های نساجی برای کاربرد در پزشکی و مواد مهندسی
کامپوزیت‌های نساجی برای ساخت منسوجات پزشکی و کاربردهای مواد مهندسی نیز مناسب هستند. علاوه بر انتخاب الیاف و یا نخ مناسب، فرایندهای متنوع در صنعت نساجی، مانند نوع بافندگی پیشرفته و دوخت، امکان تولید کم‌وبیش از اندازه کامپوزیت‌های نساجی پیچیده را برای کاربردهای صنعتی مختلف فراهم می‌کند. برای کاربرد کامپوزیت‌ها در منسوجات پزشکی، کامپوزیت‌های نساجی باید دارای خواص ویژه‌ای مانند وزن سبک، مدیریت رطوبت خوب، نرم، راحت و غیره باشند تا در کاربردهای پزشکی، مانند حفظ قسمت‌های بدن، پروتز مصنوعی و غیره مورداستفاده قرار گیرند. برای کاربرد صنعتی نیز کامپوزیت‌های نساجی باید دارای خواصی مانند وزن سبک، پایدار و بادوام در برابر استرس، مقاوم در برابر آب‌وهوا و غیره باشند. لازم به ذکر است که برای حمایت از توسعه کامپوزیت‌های نساجی جهت استفاده در منسوجات پزشکی و مواد مهندسی، باید به طراحی و توسعه کامپوزیت‌ها برای کاربردهای پزشکی، مانند ریخته‌گری پارچه‌های پزشکی، حفظ قسمت‌های بدن، پشتیبانی از راه‌رفتن، اندام‌های مصنوعی و غیره و همچنین طراحی و توسعه کامپوزیت‌های نساجی برای تولید مواد و یا قطعات مهندسی، مانند ژئوتکستایل ، تیغه پروانه شامل تیغه و پوسته توربین بادی، محفظه موتور، عایق‌ها، فیلترها، ساختار کشتی دریایی و غیره توجه شود.

5) کامپوزیت‌های نساجی برای کاربرد در صنعت فضا
کامپوزیت‌ها نقش مهمی در ساخت سازه‌های فضایی مانند موشک و ماهواره‌ها دارند. سازه‌های فضایی به وزن کم، سختی زیاد، ضریب انبساط حرارتی پایین و پایداری ابعادی نیاز دارند. این خواص می‌تواند توسط کامپوزیت‌ها ارائه شود. حوزه‌های کاربرد کامپوزیت‌ها در سیستم‌های موشکی شامل جعبه موتور موشک، نازل و ساختارهای بین مرحله‌ای، سطوح کنترل و اجزای ساختاری هدایت‌کننده است. الیاف شیشه نوع E، شیشه نوع S، آرامید و گرافیت کربن به طور گسترده در تولید سازه‌های کامپوزیتی فضایی و موشکی استفاده می‌شوند.
 

♦ منابع مرتبط :

textilelearner.net►

♦ لینک اشتراک گذاری :

 https://B2n.ir/nassajyar1368►

♦ 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

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.