نگاهی مختصر به کامپوزیت
فهرست مطالب
مقدمه
یک ماده کامپوزیت ترکیبی از دو ماده با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت است. هنگامی که آنها با هم ترکیب می‌شوند، ماده‌ای را ایجاد می‌کنند که دارای ویژگی‌هایی از جمله مقاومتهای بالاتر و یا از نظر وزنی سبکتر هستند . آنها همچنین می‌توانند استحکام و سفتی را بهبود بخشند. دلیل استفاده از آنها نسبت به مواد سنتی این است که خواص مواد پایه خود را بهبود می‌بخشند و در بسیاری از موقعیت ها قابل استفاده هستند.
ماهیت منحصربه‌فرد کامپوزیت‌ها آنها را برای کاربردهای با فناوری پیشرفته که نیاز به وزن سبکتر و استحکام بالاتری دارند، بسیار محبوب کرده است. رابط‌های پیوندی، چقرمگی ضربه/ شکست، کشش، فشار، خزش، شکست تنشی و قابلیت‌های برشی فوق‌العاده را نشان می‌دهند. سایر مزایای کامپوزیت‌ها عبارت‌اند از: مقاومت در برابر چرخه حرارتی، مقاومت در برابر شوک برودتی، انقباض کم، عایق الکتریکی، مقاومت در برابر مواد شیمیایی، مقاومت در برابر شوک مکانیکی و قابلیت سرویس در تغییرات دمایی شدید.
تاریخچه کامپوزیت
هزاران سال است که بشر از کامپوزیت‌ها استفاده می‌کند. در ۳۴۰۰ سال قبل از میلاد اولین کامپوزیت دست ساز توسط بین النهرینی‌ها در عراق مهندسی شد. باستانیان، نوارهای چوبی را در زوایای مختلف روی هم می‌چسباند تا تخته سه لا ایجاد کند. پس از آن، در حدود سال ۲۱۸۰ قبل از میلاد، مصریان شروع به ساختن ماسک‌های مرگ از کتان یا پاپیروس آغشته به گچ کردند. بعدها، هر دوی این جوامع شروع به تقویت مصالح خود با کاه کردند تا خشت گل، سفال و قایق را تولید کنند.
در سال ۱۲۰۰ پس از میلاد، مغول‌ها شروع به مهندسی کمان‌های کامپوزیت کردند که در آن زمان بسیار مؤثر بودند. آنها از چوب، بامبو، استخوان، تاندون گاو، شاخ و ابریشم با رزین کاج ساخته شده بودند.
پس از انقلاب صنعتی، رزین‌های مصنوعی با استفاده از فرایند پلیمریزاسیون شروع به شکل‌گیری کردند. در دهه ۱۹۰۰، این دانش جدید در مورد مواد شیمیایی منجر به ایجاد پلاستیک‌های مختلف مانند پلی استر، فنولیک و وینیل شد. سپس سنتتیک شروع به توسعه کرد، باکلیت توسط شیمیدان Leo Baekeland ایجاد شد. این واقعیت که الکتریسیته را رسانا نمی‌کرد و مقاوم در برابر حرارت بود به این معنی بود که می‌توان آن را به طور گسترده در بسیاری از صنایع مورد استفاده قرار داد.
دهه ۱۹۳۰ زمان فوق العاده مهمی برای پیشرفت کامپوزیت ها بود. الیاف شیشه توسط Owens Corning معرفی شد که اولین صنعت پلیمر تقویت شده با الیاف (fibre reinforced polymer- FRP) را نیز آغاز کرد. رزین های مهندسی شده در این دوران هنوز تا به امروز مورد استفاده قرار می‌گیرند و در سال ۱۹۳۶، رزین‌های پلی استر غیر اشباع به ثبت رسید. دو سال بعد، سیستم های رزین با کارایی بالاتر در دسترس قرار گرفتند.
اولین فیبر کربن در سال ۱۹۶۱ به ثبت رسید و سپس به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت. سپس، در اواسط دهه ۱۹۹۰، کامپوزیت‌ها به دلیل هزینه نسبتا ارزان در مقایسه با موادی که قبلاً استفاده می‌شد، شروع به رایج شدن فزاینده برای فرآیندهای تولید و ساخت و ساز کردند.
انواع مختلف کامپوزیت
برخی از مواد مرکب رایج عبارتند از:
- کامپوزیت ماتریکس سرامیکی (Ceramic matrix composite): سرامیکی که در یک ماتریکس سرامیکی پخش شده است. این سرامیک‌ها بهتر از سرامیک های معمولی هستند زیرا در برابر ضربه حرارتی و شکستگی مقاوم هستند.
- ماتریکس فلزی (Metal matrix composite): فلزی که در سراسر یک ماتریس پخش شده است.
- بتن تقویت شده (Reinforced concrete): بتن تقویت شده توسط ماده‌ای با مقاومت کششی بالا مانند میله‌های تقویت کننده فولادی.
- بتن تقویت شده با الیاف شیشه (Glass fiber reinforced concrete): بتنی که در ساختار الیاف شیشه‌ای با محتوای زیرکونیا بالا ریخته می‌شود.
- بتن شفاف (Translucent concrete): بتنی که فیبرهای نوری را در بر می‌گیرد.
- چوب مهندسی شده (Engineered wood): چوب ساخته شده در ترکیب با سایر مواد ارزان قیمت. یک مثال می‌تواند تخته خرده چوب باشد. یک ماده تخصصی مانند روکش نیز در این کامپوزیت یافت می‌شود.
- تخته سه لا (Plywood): چوب مهندسی شده با چسباندن بسیاری از لایه های نازک چوب به یکدیگر در زوایای مختلف تهیه می‌شود.
- بامبو مهندسی شده (Engineered bamboo): نوارهایی از الیاف بامبو که به هم چسبیده اند تا یک تخته بسازند. این یک کامپوزیت مفید است زیرا مقاومت فشاری، کششی و خمشی بالاتری نسبت به چوب دارد.
- پارکت (Parquetry): مربعی از قطعات چوبی که اغلب از کنار هم قرار گرفتن چوب سخت ایجاد می‌شوند. این نوع کامپوزیت به عنوان یک قطعه تزئینی و یا کفپوش به فروش می‌رسد.
- چوب پلاستیک(Wood-plastic composite): الیاف چوب یا پودر ریخته‌شده در پلاستیک.
- الیاف چوبی چسبیده با سیمان یا بتن (Cement-bonded wood fibre): قطعات چوب معدنی ریخته شده در سیمان و یا بتن. این کامپوزیت دارای خواص عایق و آکوستیک است.
- فایبرگلاس (Fiberglass): الیاف شیشه ترکیب شده با پلاستیک که نسبتاً ارزان و انعطاف پذیر است.
- پلیمر تقویت شده با فیبر کربن (Carbon Fiber reinforced polymer): مجموعه فیبر کربن در پلاستیک که نسبت استحکام به وزن بالایی دارد.
- کامپوزیت لانه زنبوری (Composite honeycomb): مجموعه‌ای از کامپوزیت‌ها در چندین شش ضلعی برای تشکیل شکل لانه زنبوری.
- کاغذ با روکش پلاستیکی (Plastic coated paper): کاغذ با روکش پلاستیکی برای افزایش دوام. نمونه ای از موارد استفاده از این کامپوزیت در کارت‌های بازی است.
- فوم‌های ترکیبی (Syntactic foams): مواد سبکی که از پر کردن فلزات، سرامیک‌ها یا پلاستیک‌ها با میکروبالون‌ها ایجاد می‌شوند. این بالن‌ها با استفاده از شیشه، کربن یا پلاستیک ساخته می‌شوند.
- کامپوزیت اپوکسی: کامپوزیت‌های اپوکسی نوعی از مواد پلیمری هستند که از رزین اپوکسی برای ایجاد یک ماتریس پلیمری استفاده می‌کنند که با الیاف یا سایر پرکننده‌ها تقویت می‌شود. این امکان ساخت قطعات با دوام طولانی با نسبت استحکام به وزن بسیار بالا را فراهم می‌کند. چگالی کم کامپوزیت های اپوکسی در مقایسه با فلزات همچنین باعث صرفه جویی قابل توجهی در مصرف سوخت در کاربردهای هوافضا و خودرو می‌شود.
در مقایسه با مصالح ساختمانی سنتی – فلز، بتن، چوب و غیره – کامپوزیت‌های پلیمری مبتنی بر اپوکسی در برابر فرسودگی ناشی از خوردگی، پوسته شدن یا پوسیدگی مقاوم‌تر هستند. اپوکسی در هنگام پخت، مقاومت شیمیایی خوبی از خود نشان می‌دهد و امکان ساخت لوله های کامپوزیت را برای استفاده با مواد شیمیایی و آب فراهم می‌کند. همچنین اپوکسی را می‌توان به راحتی برای مطابقت با ویژگی‌های فیزیکی مورد نیاز در سرویس طراحی کرد. در حالی که به طور کلی به عنوان مواد محکم و سفت در نظر گرفته می‌شوند، کامپوزیت های اپوکسی می‌توانند به راحتی برای افزایش چقرمگی در برابر ضربه و دستیابی به انعطاف پذیری در صورت لزوم اصلاح شوند.
مزایا
- هزینه کم در مقایسه با فلزات
- انعطاف پذیری طراحی
- مقاومت در برابر طیف وسیعی از عوامل شیمیایی
- وزن کم
- دوام
- عایق الکتریکی
- مقاومت های مکانیکی بالاتر
- دوست دار محیط زیست: از آنجایی که امروزه اکثر تولیدکنندگان کامپوزیت از مواد بازیافتی برای محصولات خود استفاده می‌کنند، تقاضای کمتری برای قطع درختان وجود دارد. برخی از انواع کامپوزیت های چوب پلاستیک نیز می‌توانند برای ایجاد کامپوزیت‌های کاملا جدید بازیافت شوند.
کاربردها
کاهش وزن یکی از دلایل اصلی استفاده از مواد کامپوزیتی به جای مواد معمولی برای قطعات است. در حالی که کامپوزیت‌ها سبکتر هستند، می‌توانند از سایر مواد نیز قوی‌تر باشند، برای مثال، فیبر کربن تقویت‌شده می‌تواند تا پنج برابر قوی‌تر از فولاد درجه ۱۰۲۰ و تنها یک پنجم وزن آن باشد، که آن را برای اهداف ساختاری عالی می‌کند.
مزیت دیگر استفاده از کامپوزیت نسبت به مواد معمولی مقاومت حرارتی و شیمیایی و همچنین خواص عایق الکتریکی است. برخلاف مواد معمولی، کامپوزیت‌ها می‌توانند خواص متعددی داشته باشند که اغلب در یک ماده یافت نمی‌شوند.
کامپوزیت های تقویت شده با الیاف، مانند پلاستیک تقویت شده با الیاف ( FRP)، در طراحی و ساخت محصولات نهایی برای تجاری سازی استفاده فزاینده‌ای پیدا کرده‌اند.
از کاربردهای این مواد می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- تجهیزات الکتریکی
- سازه‌های هوافضا
- زیر ساخت
- لوله‌ها و مخازن
- خودرو: در پنل‌ها، قاب‌ها و سایر بخش‌ها
- کامپوزیت ها برای کاربرد در محیط‌های خورنده مانند کارخانه های فرآوری شیمیایی، تبدیل خمیر و کاغذ، پالایشگاه های نفت و گاز و تاسیسات تصفیه آب ایده آل هستند. کاربردهای متداول عبارتند از فن، توری، مخازن، کانال، هود، پمپ و کابینت.
- خانه‌ها را می‌توان با استفاده از تیرهای چند لایه پلاستیکی قاب بندی کرد.
گردآوری، ترجمه و تالیف: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر – نسیم مهین عبدالله زاده
منابع:
دیدگاهتان را بنویسید