کامپوزیت چیست؟

کامپوزیت یا ماده مرکب بصورت زیر تعریف میشود:
• در مهندسی مواداین اصطلاح معمولاً به موادی گفته میشود که یک فاز زمینه (ماتریکس) و یک تقویت کننده (پرکننده) تشکیل شده باشند.
• تعریف انجمن امریکا: به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند مادهٔ مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته میشود.[1]
کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس و تقویت کننده تشکیل شدهاست. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه میدارد. تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میگردد. به طور کلی تقویت کننده میتواند به صورت فیبرهای کوتاه و یا بلند و پیوسته باشد
•
دستهبندی کامپوزیتها از دیدگاه زیستی
• کامپوزیتهای طبیعی. مانند استخوان، ماهیچه، چوب و ...
• کامپوزیتهای مصنوعی(مهندسی)
دستهبندی کامپوزیتهای مهندسی از لحاظ فاز زمینه
• CMC (کامپوزیتهای با زمینهٔ سرامیک)
• PMC (کامپوزیتهای با زمینه ٔپلیمری)
• MMC (کامپوزیتهای با زمینهٔ فلزی)
دستهبندی کامپوزیتها از لحاظ نوع تقویت کننده
• FRC (کامپوزیتهای تقویت شده با فیبر)
• PRC (کامپوزیتهای تقویت شده توسط ذرات) کامپوزیتهای سبز(کامپوزیتهای تجزیهپذیر زیستی)
در اینگونه کامپوزیتها، فاز زمینه و تقویت کننده، از موادی که در طبیعت تجزیه میشوند،ساخته میشوند. در کامپوزیتهای سبز، معمولاً فاز زمینه از پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی و تقویت کنندهها از فیبرهای گیاهی ساخته میشوند [2]
مزایای مواد کامپوزیتی
مهمترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، میتوان خواص آنها را کنترل کرد. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند:
• مقاومت مکانیکی نسبت به وزن بالا
• مقاومت در برابرخوردگی فلزات بالا
• خصوصیات خستگی عالی نسبت به فلزات
• خواص عایق حرارتی خوب
• به دلیل صلبیت بیشتر، تحت یک بارگذاری معین، خیز کمتری(بعضا ده ها برابر کمتر) نسبت به فلزات دارند
کاربردها
فایبرگلاس یکی از پرکاربردترین کامپوزیتهاست. فایبرگلاس یک کامپوزیت با زمینهٔ پلیمری است که توسط فیبرهای شیشه تقویت شدهاست. در ساخت بدنه جنگنده های رادارگریز از کامپوزیتهااستفاده میشود. همچنین در ساخت قطعات هواپیما و پره ی نیروگاه بادی و پره ی هلیکوپتر از کامپوزیت ها استفاده می شود. بطور کلی مواد کامپوزیتی(مواد مرکب) به دلیل داشتن جرم بسیار کم و مقاومت بالا نسبت به فلزات، در صنعت هوا و فضا کاربرد وسیعی دارند.
•
منابع
1. ASM Handbook Vol. ۲۱, Composites, ASM International, 2001.
2. Bioinert, biodegradable and injectible polymeric matrix composites...,Joao F. Mano et al.-Composite Science and technology, ۶۴ (۲۰۰۴) ۷۸۹-۸۱۷
‎‎

در كامپوزيتهاي پليمري حداقل دو جزء مشاهده ميشود:

فاز تقويت كننده كه درون ماتريس پخش شده است.

فاز ماتريس كه فاز ديگر را در بر ميگيرد و يك پليمر گرماسخت يا گرمانرم ميباشد كه گاهي قبل از سخت شدن آنرا رزين مينامند.

خواص كامپوزيتها به عوامل مختلفي از قبيل نوع مواد تشكيل دهنده و تركيب درصد آنها، شكل و آرايش تقويت كننده و اتصال دو جزء به يكديگر بستگي دارد.

از نظر فني، كامپوزيتهاي ليفي، مهمترين نوع كامپوزيتها مي باشند كه خود به دو دستة الياف كوتاه و بلند تقسيم ميشوند. الياف ميبايست استحكام كششي بسيار بالايي داشته، خواص ليف آن (در قطر كم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع قسمت اعظم نيرو توسط الياف تحمل ميشود و ماتريس پليمري در واقع ضمن حفاظت الياف از صدمات فيزيكي و شيميايي، كار انتقال نيرو به الياف را انجام ميدهد. ضمناَ ماتريس الياف را به مانند يك چسب كنار هم نگه ميدارد و البته گسترش ترك را محدود ميكند. مدول ماتريس پليمري بايد از الياف پايينتر باشد و اتصال قوي بين الياف و ماتريس بوجود بياورد. خواص كامپوزيت بستگي زيادي به خواص الياف و پليمر و نيز جهت و طول الياف و كيفيت اتصال رزين و الياف دارد. اگر الياف از يك حدي كه طول بحراني ناميده ميشود، كوتاهتر باشند، نميتوانند حداكثر نقش تقويت كنندگي خود را ايفا نمايند.

اليافي كه در صنعت كامپوزيت استفاده ميشوند به دو دسته تقسيم ميشوند:
الف)الياف مصنوعي ب)الياف طبيعي

كارايي كامپوزيتهاي پليمري مهندسي توسط خواص اجزاء آنها تعيين ميشود. اغلب آنها داراي الياف با مدول بالا هستند كه در ماتريسهاي پليمري قرار داده شدهاند و فصل مشترك خوبي نيز بين اين دو جزء وجود دارد.
ماتريس پليمري دومين جزء عمده كامپوزيتهاي پليمري است. اين بخش عملكردهاي بسيار مهمي در كامپوزيت دارد. اول اينكه به عنوان يك بايندر يا چسب الياف تقويت كننده را نگه ميدارد. دوم، ماتريس تحت بار اعمالي تغيير شكل ميدهد و تنش را به الياف محكم و سفت منتقل ميكند.
سوم، رفتار پلاستيك ماتريس پليمري، انرژي را جذب كرده، موجب كاهش تمركز تنش ميشود كه در نتيجه، رفتار چقرمگي در شكست را بهبود ميبخشد.
تقويت كنندهها معمولا شكننده هستند و رفتار پلاستيك ماتريس ميتواند موجب تغيير مسير تركهاي موازي با الياف شود و موجب جلوگيري از شكست الياف واقع در يك صفحه شود.
بحث در مورد مصاديق ماتريسهاي پليمري مورد استفاده دركامپوزيتها به معناي بحث در مورد تمام پلاستيكهاي تجاري موجود ميباشد. در تئوري تمام گرماسختها و گرمانرمها ميتوانند به عنوان ماتريس پليمري استفاده شوند. در عمل، گروههاي مشخصي از پليمرها به لحاظ فني و اقتصادي داراي اهميت هستند.
در ميان پليمرهاي گرماسخت پلياستر غير اشباع، وينيل استر، فنل فرمآلدهيد(فنوليك) اپوكسي و رزينهاي پلي ايميد بيشترين كاربرد را دارند. در مورد گرمانرمها، اگرچه گرمانرمهاي متعددي استفاده ميشوند، peek ، پلي پروپيلن و نايلون بيشترين زمينه و اهميت را دارا هستند. همچنين به دليل اهميت زيست محيطي، دراين بخش به رزينهاي داراي منشا طبيعي و تجديدپذير نيز، پرداخته شده است.

از الياف متداول در كامپوزيتها ميتوان به شيشه، كربن و آراميد اشاره نمود. در ميان رزينها نيز، پلي استر، وينيل استر، اپوكسي و فنوليك از اهميت بيشتري برخوردار هستند. در بخشهاي بعدي، رزينها و الياف و روشهاي شكل دهي كامپوزيتها را مورد بحث قرار دادهايم.