کامپوزیت
کامپوزیت ترکیب حداقل دو ماده است که یکی فاز تقویت کننده نامیده میشود و به شکل الیاف، ورقه و یا ذرات است و در فازدیگر که ماتریس خوانده میشود، محصور است. کامپوزیت ترکیبی است از دو ماده یا بیشتر (اجزای تقویت کننده – پر کنندهها- ماتریس نگهدارنده که دارای شکل یا ترکیب متفاوتی هستند.
به طور کلی میتوان گفت از مواد به صورت کامپوزیت استفاده میشود تا بتوان به خواص برتری نسبت به اجزای تشکیل دهنده دست یافت. در حالت کلی تقویت کنندهها دارای استحکام بالا و دانسیته پایین هستند. در حالی که ماتریس معمولاً مادهای با چغرمگی بالاست. اگر کامپوزیت به درستی طراحی و ساخته شود ترکیبی از استحکام تقویت کنندهها و چغرمگی ماتریس حاصل خواهد شد که در مواد رایج قابل دسترسی نیست.
انواع کامپوزیتها
- دسته بندی کامپوزیتها براساس اندازه اجزاء
- دسته بندی کامپوزیتها بر اساس شکل تقویت کننده
دسته بندی کامپوزیتها بر اساس اندازه جز
- کامپوزیتهای ماکروسکوپی
- کامپوزیتهای میکروسکوپی
- کامپوزیتهای هیبرید
کامپوزیتهای ماکروسکوپی
در این گروه اجزاء به اندازه کافی بزرگ هستند که بدون میکروسکوپ قابل دیدن باشند. بتن، بتن مسلح با فولاد و چوبهای چند لایه مثالهایی از این دسته موادند. باید توجه نمود که کامپوزیت میتواند ترکیبی از مواد کاملاً متفاوت باشد یا اینکه از یک جنس و صرفاً با تغییر جهتگیری مواد ساخته میشوند.
دسته بندی کامپوزیتهای ماکروسکوپی
- کامپوزیت های الیافی
- کامپوزیتهای ماتریس فلزی
- کامپوزیتهای ماتریس پلیمری
کامپوزیتهای الیافی
الیاف در این گروه تقریباً شبیه پارچه بافته شدهاند. رایجترین نوع این مواد کامپوزیت کربن است که برای کاربردهای دما بالا طراحی شده و بسیار گران قیمت است.
کامپوزیتهای ماتریس فلزی
این گروه نیز برای دماهای بالا طراحی شده است. کامپوزیت 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 که فقط توسط میکروسکوپ قابل دیدن هستند.
کامپوزیتهای هیبرید
این گروه با ترکیب بیش از دو نوع مواد ساخته میشوند. بتن مسلح شده با فولاد از این دسته مواد است. کامپوزیت هیبرید میتواند ترکیبی از تقویت کنندههای الیاف و ذرات را داشته باشد. نمونهای از این دست یک سیستم اپوکسی– گرافیت است که برای افزایش مقاومت به ضربه ذرات لاستیک به آن افزوده شده است. در این سیستم ذرات در واقع به عنوان ترکهای کند شده عمل میکند تا علیرغم ضعیف شدن ساختار سرعت رشد ترک کاهش یابد.
دسته بندی کامپوزیتها بر اساس شکل تقویت کننده
- کامپوزیت تقویت شده با ذرات
- کامپوزیت تقویت شده با الیاف
- کامپوزیت های ساختاری
کامپوزیتهای تقویت شده با ذرات
در این دسته از مواد ذرات برای افزایش مدول، کاهش نفوذپذیری و کاهش شکل پذیری ماتریس به آن افزوده میشوند. مواد به کار رفته در این گروه اکثراً ارزان قیمت بوده و فرایندهای ساخت آن نیز نسبتاً آسان است. نمونههایی از این نوع مواد عبارتند از لاستیک خودرو که ترکیب ذرات و ماتریس پلیمر الاستومر پلی ایزو بوتلین است. نمونه دیگر چدن کروی است که سمانتیت به شکل کروی درآمده تا قابلیت ماشینکاری ماده را بهبود بخشد. نمونه دیگر بتن است که شن و ماسه،نقش ذرات را دارند که برای افزایش استحکام کششی، فشاری و برشی سیمان به آن افزوده شدهاند.
کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف
الیاف تقویت کننده میتوانند از جنس فلز، سرامیک، شیشه یا پلیمرهای تبدیل شده به گرافیت که بعنوان الیاف کربن شناخته میشود، باشند. پیوندهای کوالانسی قوی در طول الیاف باعث داشتن مدول بسیار بالا در این راستا میشود. انجام صحیح فرایندهای روی الیاف بسیار مشکل است و موجب نسبتاً گران شدن این دسته از مواد میشود. نمونهای از این دسته کامپوزیتها بدنههای بسیار گران قیمت دوچرخههای time – trial است که از ترکیب پلیمری ترموست با الیاف کربن ساخته شده است. نمونه دیگر این دسته مواد بدنه اتومبیلهای مسابقه است که از ترکیب پلیمرهای ترموست و الیاف شیشه ساخته میشود.
طول الیاف راستای الیاف نسبت به یکدیگر، 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 کامپوزیتهای الیاف کوتاه، بالا است و اشکال پیچیدهای را میتوان با آن تولید کرد که با تقویتکنندههای پیوسته امکان 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 نازک 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.