کامپوزیت
كامپوزیت تركیب حداقل دو ماده است كه یكی فاز تقویت كننده نامیده میشود و به شكل الیاف، ورقه و یا ذرات است و در فازدیگر كه ماتریس خوانده میشود، محصور است. كامپوزیت تركیبی است از دو ماده یا بیشتر (اجزای تقویت كننده – پر کنندهها- ماتریس نگهدارنده که دارای شکل یا ترکیب متفاوتی هستند.
به طور كلی میتوان گفت از مواد به صورت كامپوزیت استفاده میشود تا بتوان به خواص برتری نسبت به اجزای تشكیل دهنده دست یافت. در حالت كلی تقویت كنندهها دارای استحكام بالا و دانسیته پایین هستند. در حالی كه ماتریس معمولاً مادهای با چغرمگی بالاست. اگر كامپوزیت به درستی طراحی و ساخته شود تركیبی از استحكام تقویت كنندهها و چغرمگی ماتریس حاصل خواهد شد كه در مواد رایج قابل دسترسی نیست.
انواع کامپوزیتها
- دسته بندی كامپوزیتها براساس اندازه اجزاء
- دسته بندی كامپوزیتها بر اساس شكل تقویت كننده
دسته بندی کامپوزیتها بر اساس اندازه جز
- كامپوزیتهای ماكروسكوپی
- كامپوزیتهای میكروسكوپی
- كامپوزیتهای هیبرید
کامپوزیتهای ماکروسکوپی
در این گروه اجزاء به اندازه كافی بزرگ هستند كه بدون میكروسكوپ قابل دیدن باشند. بتن، بتن مسلح با فولاد و چوبهای چند لایه مثالهایی از این دسته موادند. باید توجه نمود كه كامپوزیت میتواند تركیبی از مواد كاملاً متفاوت باشد یا اینكه از یک جنس و صرفاً با تغییر جهتگیری مواد ساخته میشوند.
دسته بندی کامپوزیتهای ماکروسکوپی
- كامپوزیت های الیافی
- كامپوزیتهای ماتریس فلزی
- كامپوزیتهای ماتریس پلیمری
کامپوزیتهای الیافی
الیاف در این گروه تقریباً شبیه پارچه بافته شدهاند. رایجترین نوع این مواد كامپوزیت كربن است كه برای كاربردهای دما بالا طراحی شده و بسیار گران قیمت است.
کامپوزیتهای ماتریس فلزی
این گروه نیز برای دماهای بالا طراحی شده است. كامپوزیت بورون – آلومینیوم مثالی از این گروه است. اینگروه نیز قیمتهای نسبتاً بالایی دارند.
کامپوزیتهای ماتریس پلیمری
این گروه دارای تنوع بسیار بالایی است و انواع بسیارمتفاوتی از الیاف و رزین در آن استفاده میشود. این گروهبه مراتب ارزانتر از دو گروه قبلی هستند.
کامپوزیتهای میکروسکوپی
در این گروه اجزاء به اندازهای ریز هستند كه فقط توسط میكروسكوپ قابل دیدن هستند.
کامپوزیتهای هیبرید
این گروه با تركیب بیش از دو نوع مواد ساخته میشوند. بتن مسلح شده با فولاد از این دسته مواد است. كامپوزیت هیبرید میتواند تركیبی از تقویت كنندههای الیاف و ذرات را داشته باشد. نمونهای از این دست یك سیستم اپوكسی– گرافیت است كه برای افزایش مقاومت به ضربه ذرات لاستیك به آن افزوده شده است. در این سیستم ذرات در واقع به عنوان تركهای كند شده عمل میكند تا علیرغم ضعیف شدن ساختار سرعت رشد ترك كاهش یابد.
دسته بندی کامپوزیتها بر اساس شکل تقویت کننده
- كامپوزیت تقویت شده با ذرات
- كامپوزیت تقویت شده با الیاف
- كامپوزیت های ساختاری
کامپوزیتهای تقویت شده با ذرات
در این دسته از مواد ذرات برای افزایش مدول، كاهش نفوذپذیری و كاهش شكل پذیری ماتریس به آن افزوده میشوند. مواد به كار رفته در این گروه اكثراً ارزان قیمت بوده و فرایندهای ساخت آن نیز نسبتاً آسان است. نمونههایی از این نوع مواد عبارتند از لاستیك خودرو كه تركیب ذرات و ماتریس پلیمر الاستومر پلی ایزو بوتلین است. نمونه دیگر چدن كروی است كه سمانتیت به شكل كروی درآمده تا قابلیت ماشینكاری ماده را بهبود بخشد. نمونه دیگر بتن است كه شن و ماسه،نقش ذرات را دارند كه برای افزایش استحكام كششی، فشاری و برشی سیمان به آن افزوده شدهاند.
کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف
الیاف تقویت كننده میتوانند از جنس فلز، سرامیك، شیشه یا پلیمرهای تبدیل شده به گرافیت كه بعنوان الیاف كربن شناخته میشود، باشند. پیوندهای كوالانسی قوی در طول الیاف باعث داشتن مدول بسیار بالا در این راستا میشود. انجام صحیح فرایندهای روی الیاف بسیار مشكل است و موجب نسبتاً گران شدن این دسته از مواد میشود. نمونهای از این دسته كامپوزیتها بدنههای بسیار گران قیمت دوچرخههای time – trial است كه از تركیب پلیمری ترموست با الیاف كربن ساخته شده است. نمونه دیگر این دسته مواد بدنه اتومبیلهای مسابقه است كه از تركیب پلیمرهای ترموست و الیاف شیشه ساخته میشود.
طول الیاف راستای الیاف نسبت به یكدیگر، درصد الیاف و توزیع آن تاثیر مستقیم بر خواص نهایی دارد. راستا و طول الیاف برحسب اندازه و نوع تنشها و همچنین سطح هزینه قابل قبول طراحی میشود. سرعتهای تولید برای كامپوزیتهای الیاف كوتاه، بالا است و اشكال پیچیدهای را میتوان با آن تولید كرد كه با تقویتكنندههای پیوسته امكان پذیر نیست.
استحکام کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف
الیاف دارای مدول بسیار بالایی در راستای طولشان هستند ولی در جهت عمود بر آن بسیار ضعیف هستند، لذا اگر همه الیاف هم جهت باشند مدول حاصله بستگی به جهت اندازه گیری دارد.
نحوه ساخت کامپوزیتها
روشهای متعددی برای ساخت کامپوزیتهای پلیمری وجود دارد. هر روشی برای ترکیبهای خاصی از محصول، بازار و مواد خام مناسب است. تمام کامپوزیتها در موارد ذیل مشترک هستند.
- در تمام آنها میزان مناسبی از رزین، پرکنندههای تقویت کننده و الیاف به کار رفته است.
- در تمام آنها یک سیال یا یک ماده خمیری شکل به فرم نهایی در میآید.
- در تمام آنها عمل پلیمریزاسیون در حین پخت صورت میگیرد.
- در تمامی آنها مخلوطی از رزین، تقویت کننده و مواد دیگر به فرم یک جامه صلب در میآیند.
کاربرد کامپوزیتها در صنعت ساختمان
صنعت ساختمان یکی از بزرگترین بازارهای کامپوزیتهای الیاف طبیعی به شمار میآید. استفاده از کامپوزیتهای الیاف طبیعی به عنوان جانشینهای مناسب چوب و آهن در ساخت و ساز به شدت در حال گسترش است. در ساخت پارتیشنها، سقفهای کاذب، حصارها نردهها، کفها و نمای دیوارها به خوبی میتوان از این نوع کامپوزیتها استفاده کرد. در کشورهای آسیایی ساخت کیوسکها، خانههای پیش ساخته، خوابگاهها، سایبانها و پناهگاهها به کمک این کامپوزیتها مورد استقبال فراوان واقع شده است.
این کامپوزیتها در مقایسه با فایبر گلاس و آهن بسیار ارزانتر بوده و بسیار سبکتر است. کامپوزیتهای الیاف طبیعی مصرف شده در ساختمان را با انواع فرایندهای شکل دهی میتوان به سهولت تولید نمود. این الیاف به راحتی میتوانند به صورت پروفیلهای پالتروژنی که در ساخت قابها به کار میروند، شکل داده شوند. همچنین پانلهای تولید شده به روش تزریق رزین میتوانند به عنوان جانشینهای مناسبی برای فیبرهای چوبی و صفحات MDF مطرح شوند. به کمک فرایند پرس گرم نیز میتوان تختههای بسیار نازك با ضخامتهای گوناگون را تهیه نمود که در ساخت روکشهای تزئینی کاربرد دارد.
سطوح این کامپوزیتها نیز مشابه چوب بوده و به کمک یک لایه جلا دهنده براقی ویژهای پیدا میکنند. امروزه استفاده از کامپوزیتهای الیاف طبیعی به عنوان روکشهای تزئینی شکیل در بسیاری از کشورها دنبال میشود.
