کامپوزیتها

تاریخ انتشار :1395/01/17

استفاده از کامپوزیت­ها از دهه 1940 آغاز شد و مثل بسیاری از فنون و تکنولوژی­های دیگر ابتدا کاربرد نظامی داشت و بیشتر در صنایع هوا و فضا استفاده می­شد. به گونه­ای که پس از جنگ جهانی دوم کاربرد پلیمرها و کامپوزیت­های پلیمری در صنایع موشک سازی در اروپای غربی و امریکا به میزان 80% افزایش یافت. ولی وزن کم و استحکام بالای آن باعث شد به سرعت در سایر زمینه­ها هم کاربرد پیدا کند. از جمله صنعت ساختمان­سازی، ساخت اسلحه­ها و شناورها (کشتی­ها و قایق­های تندرو و سازه­های دریایی) در صنعت ساختمان با این­که نخستین کاربرد سازه­ای کامپوزیت­ها در دهه 60 میلادی در چندین سازه در انگلستان و امریکا انجام شد ولی تا دهه 80 میلادی چندان توجهی به این مصالح نمی­شد. در اواسط سال 1980 دکتر مایزر در سوئیس چسباندن کامپوزیت­ها در مورد تیرهای بتونی و عرشه پلها را مورد آزمایش قرار داد. نتایج حاصله بسیار موفقیت آمیز بود. او هم­چنین ستون­ها و بسیاری دیگر از الماهای سازه­ها را با استفاده از کامپوزیت­ها دورپیچ کرد. متعقاب این مسئله مهندسین ژاپنی به سرعت دریافتند که این شیوه روش مناسبی برای مقاوم سازی سازه­ها در برابر زلزله­های شدید می­باشد. آن­ها نخستین بار کامپوزیت­ها را در تعمیر و تقویت سازه­ها وارد کردند.

اما کامپوزیت چیست؟ رشد فزاینده تکنولوژی در سال‌های اخیر باعث شد تا دیگر موادی که در دسترس بشر بود برای پوشاندن جامه حقیقت بر رویاهای مدرن کافی نباشد و از این رو تلاش برای رسیدن به مواد جدید آغاز شد، مثلا در بیشتر کاربردهای مهندسی اغلب به تلفیق خواص مواد نیاز داریم. موادی که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند، مقاومت سایشی و UV خوبی داشته باشند، اما از آنجا که نمی‌توان ماده‌ای یافت که همه خواص مورد نظر را دارا باشد، باید به دنبال چاره‌ای دیگر بود: ساخت و استفاده از کامپوزیت‌ها.

اگر مواد مهندسی را به سه دسته اصلی فلز، پلیمر و سرامیک طبقه‌بندی کنیم، کامپوزیت دسته چهارمی است که در واقع ترکیبی از 3 دسته دیگر است. موادی چند جزئی که خواص آنها در مجموع از هر کدام از اجزا بهتر است. ضمن آنکه اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می‌بخشند. استفاده از این مواد البته ایده جدیدی نیست، چینی‌ها و مصریان قدیم از جمله تمدن‌های باستانی بوده‌اند که برای اولین بار از مخلوط کاه‌گل و شن برای بناسازی استفاده کرده‌اند تا استحکام گل افزایش پیدا کند. مصریان با چسباندن لایه‌های نازک چوب و پارچه به یکدیگر و با استفاده از طناب، قایق‌های خود را در برابر متورم شدن دراثر نفوذ آب تقویت می‌کرده‌اند. اما استفاده از کامپوزیت‌های پیشرفته، از حدود نیمه دوم قرن بیستم آغاز شد. مهم‌ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازهایی که داریم، می‌توانیم خواص آنها را کنترل کنیم. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند:

نسبت به وزن خود مقاومت مکانیکی بالایی دارند.

مقاومت در برابر خوردگی آن‌ها بالاست.

نسبت به فلزات خصوصیات مکانیکی بهتری دارند.

به عنوان یک عایق حرارتی خواص خوبی دارند.

مجموعه این خصوصیات است که باعث کاربردهای گسترده کامپوزیت‌ها در صنایع نوین می‌شود. در ساخت بدنه جنگنده‌های رادار گریز از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. همچنین در ساخت قطعات هواپیما و پره نیروگاه بادی و پره هلیکوپتر از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. به ‌طور کلی مواد کامپوزیتی به دلیل جرم بسیار کم و مقاومت بالا نسبت به فلزات، در صنعت هوا و فضا کاربرد وسیعی دارند.

کامپوزیت شامل یک فاز زمینه (ماتریکس) و یک یا چند فاز تقویت‌کننده(پرکننده یا فیلر) است. البته ترکیب مواد در کامپوزیت یک ترکیب فیزیکی و ماکروسکوپی است، یعنی اجزای تشکیل‌دهنده یک کامپوزیت با هم به صورت شیمیایی ترکیب نمی‌شوند به طوری که اجزای تشکیل دهنده ماهیت شیمیایی و طبیعی خود را کاملا حفظ می­کنند و سطح مشترک مشخصی بین اجزا وجود دارد.

کامپوزیت‌های مهندسی را می‌توان از نظر فاز زمینه به 3 دسته CMC (کامپوزیت‌های با زمینهٔ سرامیکی)، PMC  (کامپوزیت‌های با زمینه پلیمری) و MMC (کامپوزیت‌های با زمینه فلزی) تقسیم‌بندی کرد.

اما از نظر فاز تقویت‌کننده کامپوزیت‌ها به 2 دسته کامپوزیت‌های تقویت‌شده با فیبر (FRC) و کامپوزیت‌های تقویت شده توسط ذرات (PRC) دسته‌بندی می‌شوند.

به عنوان مثال فایبرگلاس که یکی از پرکاربردترین کامپوزیت‌هاست، یک کامپوزیت با زمینه پلیمری است که توسط فیبرهای شیشه تقویت شده‌است. سیمان و بتن هم نمونه‌هایی از یک کامپوزیت سرامیکی هستند.

از نظر فنی، کامپوزیت­های لیفی، مهم­ترین نوع کامپوزیت­ها می­باشند که خود به دو دسته الیاف کوتاه و بلند تقسیم می شوند. الیاف می­بایست استحکام کششی بسیار بالایی داشته، خواص لیف آن (در قطر کم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع قسمت اعظم نیرو توسط الیاف تحمل می­شود و ماتریس پلیمری در واقع ضمن حفاظت الیاف از صدمات فیزیکی و شیمیایی، کار انتقال نیرو به الیاف را انجام می­دهد. ضمناَ ماتریس الیاف را به مانند یک چسب کنار هم نگه می­دارد و البته گسترش ترک را محدود می­کند. مدول کششی ماتریس پلیمری باید از الیاف پایین­تر باشد و اتصال قوی بین الیاف و ماتریس به وجود بیاورد. خواص کامپوزیت بستگی زیادی به خواص الیاف و پلیمر و نیز جهت و طول الیاف و کیفیت اتصال رزین و الیاف دارد. اگر الیاف از یک حدی (طول بحرانی) کوتاه­تر باشند، نمی­توانند حداکثر نقش تقویت کنندگی خود را ایفا نمایند.

 الیافی که در صنعت کامپوزیت استفاده می­شوند به دو دسته تقسیم می شوند:

الف)الیاف مصنوعی

ب)الیاف طبیعی

GRP نوعی از کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف شیشه است:

جی آر پی = پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه

GRP = GLASSFIBER RAINFORCED PLASTIC

با توجه با مزایایی که در مورد کامپوزیتها در بالا ذکر شد مصرف محصولات تولید شده با GRP نیز در حال گسترش می باشد که لوله های GRP یکی از این محصولات است.

ارسال نظر