کامپوزیت چیست؟

کامپوزیت چیست ؟

کامپوزیت‌ها موادی هستند که از آمیختن، به هم پیوستن، یا ترکیب دو با چند مواد دیگر، به شکل یک ساختار نو درآمده‌اند، با ویژگی جدیدی که با مجموع خواص اجزای تشکیل‌دهنده متفاوت است.

• درمهندسی مواد این اصطلاح معمولاً به موادی گفته می‌شود که از یک فاز زمینه (ماتریس) و یک تقویت‌کننده (پرکننده) تشکیل شده باشند.
• تعریفانجمن متالورژی آمریکا: به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند مادهٔ مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آن‌ها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود.^[۱]

کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس و تقویت‌کننده تشکیل شده‌است. ماتریس با احاطه کردن تقویت‌کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می‌دارد. تقویت‌کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می‌گردد. به‌طور کلی تقویت‌کننده می‌تواند به صورت فیبرهای کوتاه یا بلند و پیوسته باشد.

 اطلاعات بیشتر در ارتباط با کامپوزیت لینک دانلود PDF بر روی نوشته کلیک کنید

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 زمینهٔسرامیکی) (به انگلیسی: Ceramic Matrix Composite)
• PMC (کامپوزیت‌های با زمینهٔپلیمری) (به انگلیسی: Polymer Matrix Composite)
• MMC (کامپوزیت‌های با زمینهٔفلزی) (به انگلیسی: Metal Matrix Composite)

مراحل طراحی کامپوزیت‌ها :

1. گردآوری اطلاعات در خصوص کاربرد قطعه (نیروهای استاتیک، دینامیک و شرایط محیطی)
2. مشخصات اولیه قطعه (مواد، ابعاد و چیدمان لایه‌ها)
3. زمان و هزینه
4. بررسی روش‌های محاسباتی (تحلیل و عددی)
5. شناسایی روش‌های ساخت
6. نحوه مونتاژ (روش‌های اتصال قطعات)
7. بهینه‌سازی (وزن کم، استحکام بالا و هزینه پایین^[۲] 

دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از لحاظ نوع تقویت‌کننده :

• FRC (کامپوزیت‌های تقویت شده با فیبر)
• PRC (کامپوزیت‌های تقویت شده توسط ذرات)
• WRC (کامپوزیت های تقویت شده توسط ویسکرز)

کامپوزیت‌های سبز (کامپوزیت‌های زیست‌تجزیه‌پذیر)

در این‌گونه کامپوزیت‌ها، فاز زمینه و تقویت‌کننده، از موادی که در طبیعت تجزیه می‌شوند، ساخته می‌شوند. در کامپوزیتهای سبز، معمولاً فاز زمینه از پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی و تقویت‌کننده‌ها از فیبرهای گیاهی ساخته می‌شوند.^[۳]

مزایای مواد کامپوزیتی

مهم‌ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، می‌توان خواص آن‌ها را کنترل کرد. به‌طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند:

• مقاومت مکانیکیبالا نسبت به وزن
• مقاومت بالا در برابرخوردگی
• خصوصیاتخستگی عالی نسبت به فلزات
• خواصعایق حرارتی خوب
• به دلیل صلبیت بیشتر، تحت یک بارگذاری معین، خیز کمتری (بعضا ده‌ها برابر کمتر) نسبت به فلزات دارند
• استحکام بالا
• نسبت حجم به وزن کم
• سبک بودن پاهی تا چندین برابر مستحکم تر از فولاد با وزنی با چندین برابر کمتر
• هزینه کمتر و صرفه‌جویی اقتصادی

انواع نانو کامپوزیت

1. نانو کامپوزیت‌های نانو ذره‌ای
2. نانو کامپوزیت‌های نانو لوله‌ای
3. نانو کامپوزیت‌های خاک رس-پلیمر
4. نانو کامپوزیت‌های الماس-نانو لوله^[۴]

مرجع :

لینک دانلود PDF کتاب نانو کامپوزیت ها کلیک کنید

انواع کامپوزیت ها از سه جزء اصلی تشکیل می شوند:

• الیاف یا تقویت کننده
• ماتریس یا پر کننده
• چسب

محصول ترکیب الیاف و انواع ماتریس ماده ای  با دانسیته ی کم به همراه مقاومت کششی و فشاری بالا است. ماتریس نسبت به الیاف از سختی و استحکام کمتری برخوردار است. دسته بندی انواع کامپوزیت ها از نظر فاز تقویت کننده و فاز زمینه متفاوت می باشد. انواع کامپوزیت ها از لحاظ فاز زمینه به سه دسته ی سرامیکی، پلیمری و فلزی تقسیم بندی شده و از لحاظ فاز تقویت کننده به دو دسته تقویت شده با فیبر و تقویت شده با ذرات دسته بندی می شود. کامپوزیت های پلیمری از یک رزین پلیمری پلاستیک مانند رزین اپوکسی، رزین پلی استر و … به عنوان زمینه تشکیل شده است. از مزایای این نوع کامپوزیت سهولت ساخت و هزینه کم می باشد. کامپوزیت سرامیکی با توجه به مقاومت بالا در برابر اکسایش در دمای بالا بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنش های شدید می باشد. عمده ترین کاموزیت سرامیکی اغلب کاموزیت کربن-کربن و کامپوزیت آلومینا می باشند. کامپوزیت فلزی نیز از یک فلز انعطاف پذیر مانند آلیاژ آلومینیوم، منیزیم، تیتانیوم و مس ساخته می شود. کامپوزیت فلزی دارای مقاومت بیشتر در برابر سیالات آلی دارد.

کامپوزیت تقویت شده با فیبر موسوم به کامپوزیت های رشته نیز می باشند که از استحکام و سفتی بالایی برخوردارند. استحکام ویژه و مدول ویژه ی این دسته از انواع کامپوزیت ها بستگی به طول رشته مواد تقویت کننده دارد. کامپوزیت تقویت شده با ذرات نیز کامپوزیتی است که فاز پراکنده شده در کامپوزیت هم جهت و هم محور با ذرات می باشد. این ذرات حرکت و جابجایی فاز زمینه را در مجاور خود متوقف می نماید. کیفیت خاصیت مکانیکی این دسته از کامپوزیت ها به استحکام پیوند ما بین یا در فصل مشترک ذرات با فاز زمینه دارد. انواع کامپوزیت ها تقویت شده با ذرات به دو دسته تقسیم می شوند:

• کامپوزیت های درشت ذره
• کامپوزیت مستحکم شده به پراکندگی ذرات

که از نظر کیفیت مکانیکی دسته ی دوم ممتاز تر است.

طبقه بندی انواع کامپوزیت ها ی مهندسی با توجه به فاز زمینه یا ماتریس:

• کامپوزیت پلیمری
• کامپوزیت سرامیکی
• کامپوزیت فلزی

کامپوزیت های پلیمری PMC :

کامپوزیت های زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری پلاستیک مانند رزین اپوکسی، رزین پلی استر، رزین فنولیک و … همراه با رشته هایی به عنوان عامل تقویت کننده نیز تشکیل می شود. رشته یا الیاف در این نوع از کامپوزیت می تواند کربن، شیشه و یا آرامید باشد. از بین این الیاف، الیاف کربن نیز دارای استحکام و مدول ویژه بیشتری که دو پارامتر مهم در میزان خاصیت مکانیکی می باشد  برخوردار است. کامپوزیت های پلیمری با توجه به خصوصیات مکانیکی بالایی که دارند در بسیاری از صنایع کاربرد دارند. در صنعت عمران برای مقاوم سازی و تقویت سازه ها استفاده از کامپوزیت های پلیمری تحت عنوان CFRRP و  GFRP نیز رواج دارد زیرا علاوه بر بالا بردن مقاومت سازه سبب افزایش مقاومت سازه در برابر محیط های خورنده و اسیدی می شوند. استفاده از این کامپوزیت ها هم چنین کامپوزیت ساخته شده با الیاف شیشه و کربن عایق الکتریکی و حرارتی می باشند. کامپوزیت های پلیمری در صنایع هوافضا، خودروسازی، صنایع دریایی،صنایع پزشکی و … کاربرد دارد. در کامپوزیت های پلیمری علاوه بر الیاف نام برده از رشته های بور، سیلسیم،کاربید و اکسید آلومینوم نیز استفاده می شود. رشته یبور در ساختن قطعات هواپیمایی و برخی وسایل ورزشی مورد استفاده قرار می گیرد هم چنین از رشته ی کاربید در راکت های تنیس نیز استفاده می شود.

کامپوزیت های سرامیکی CMC :

کامپوزیت های زمینه سرامیکی از انواع سرامیک از جمله سرامیک شیشه، کربن، کاربید سیلیسیوم،آلومینات ها و اکسید ها به عنوان فاز زمینه مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین تقویت کننده های مورد استفاده کاربیدها، بورید ها، کربن و نیترید ها می باشند. به دلیل بالا بودن مقاومت این دسته از کامپوزیت ها در برابر اکسایش در دمای بالا، کامپوزیت های زمینه سرامیکی را در دما و تنش شدید مورد استفاده قرار می دهند. شایان ذکر است که تنها کامپوزیت هایی که در دمای بالای ۹۰۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ می نمایند. سیمان و بتن از جمله کامپوزیت های سرامیکی می باشد.

مزایای کامپوزیت سرامیکی:

• چگالی پایین
• استحکام و سختی بالا و مقاوم بودن در برابر فرسایش
• مقاومت در دمای بالا
• بالاتر بودن مدول الاستیک نسبت به سایر فلزات و پلیمر ها
• پایین بودن ضریب انبساط حرارتی و هدایت الکتریکی

معایب کامپوزیت سرامیکی:

• ضعیف بودن در برابر ضربه
• مقاوم نبودن در برابر بار های کششی
• انعطاف پذیری پایین و ترد بودن
• شکننده تحت بار های مکانیکی و شوک حرارتی

مقایسه ی نسبت مدول الاستیسیته ی تقویت کننده و زمینه در انواع کامپوزیت ها ی سرامیکی، پلیمری و فلزی:

نسبت مدول الاستیسیته تقویت کننده به فاز زمینه در کامپوزیت های سرامیکی نزدیک به یک می باشد. در حالی که در کامپوزیت های زمینه فلزی و پلیمری در محدوده ی ۱۰ تا ۱۰۰ می باشد. در نتیجه بالا بودن نسبت مدول در کامپوزیت زمینه پلیمر و فلز باعث انتقال بار از زمینه به تقویت کننده می شود. در حالیکه در کامپوزیت سرامیکی با نسبت مدول قریب به یک، زمینه و تقویت کننده در تحمل بار فرقی ندارند.

در نتیجه هدف از ساخت کامپوزیت سرامیکی افزایش استحکام نمی باشد مگر کامپوزیت هایی که زمینه ی آن ها مانند شیشه دارای مدول الاستیسیته ی کمی باشد.

روش تولید کامپوزیت زمینه سرامیکی:

• پرس کاری گرم
• پرس کاری ایزواستاتیک گرم
• زینتر کردن فاز مذاب

کامپوزیت های زمینه فلزی MMC :

فاز زمینه در کامپوزیت فلزی یک فلز انعطاف پذیر مانند آلیاژ ها می باشد. مواد تقویت کننده که حدود ۱۰ تا ۶۰ درصد حجمی کامپوزیت فلزی را تشکیل میدهند، به اشکال ذرات، رشته های پیوسته مانند (کاربید سیلیسیم، کربن، بور و …)، رشته های ناپیوسته (ذرات مواد تشکیل دهنده ی رشته ی پیوسته) و یا ویکسر ها می باشند. ویسکر ها تک بلورهای بسیار نازک که نسبت طول به قطر آنها فوق العاده زیاد است می باشند.  مقاومت بیشتر به حملات شیمیایی، دمای عملکرد بالاتر و شعله پذیر نبودن این نوع از کامپوزیت نسبت به کامپوزیت پلیمری سبب قیمت بالاتر و مصرف محدود تر آن شده است. سوپرآلیاژ الومینیوم، تیتانیوم، منیزیم و مس به عنوان مواد زمینه در این نوع کامپوزیت کاربرد دارند.

کاربرد کامپوزیت فلزی در صنایع:

• در صنعت خودرو سازی برای ساخت بعضی از قطعات موتور از زمینه های آلیاژی الومینیوم تقویت شده با رشته ی آلومینا و کربن استفاده می کنند که محصول سبک تر و مقاومت بالاتر در برابر سایش و اعوجاج حرارتی دارد.
• در صنایع هوافضا در ساخت قطعات تلسکوپ فضایی بهره می گیرند.

طبقه بندی کامپوزیت های مهندسی با توجه به مواد تقویت کننده :

• کامپوزیت تقویت شده با فیبر FPC
• کامپوزیت تقویت شده با ذرات PRC
• کامپوزیت های درشت ذره
• کامپوزیت مستحکم شده به پراکندگی ذرات

کامپوزیت تقویت شده با فیبر FRC : (چاپد ها)

بهترین کامپوزیت ها آن هایی هستند که دارای فاز تقویت کننده به شکل رشته ای هستند. کامپوزیت های تقویت شده ی رشته ای از استحکام و مدول بالایی (خواص مکانیکی) برخوردارند که این دو ویژگی بر اساس طول رشته تعیین می گردد. موادی که در این کامپوزیت ها نقش تقویت کننده را دارند مقاومت و استحکام کششی بالایی دارند. خواص مکانیکی این کامپوزیت ها وابسته به خواص رشته و میزان نیروی منتقل شده از جانب فاز زمینه و هم چنین درصد حجمی فاز زمینه می باشد. در کلمپوزیت متشکل از مواد تقویت کننده هرچه قطر رشته کوچکتر باشد رشته قوی تر و مستحکم تر لز ماده ی زمینه خواهد بود.

تقسیم بندی رشته ها با توجه به قطر و مشخصه ی آن ها :

• ویکسر ها : تک بلور هایی هستند که نسبت طول به قطر آن ها خیلی زیاد است. ویکسر ها مستحکم ترین موادی که تا به حال شناخته شده می باشند. گرافیت، کاربید سیلسیوم، اکسید آلومینیوم از جمله ویکسر ها می باشند.
• رشته ها
• سیم ها

کامپوزیت تقویت شده با ذرات PRC :

در کامپوزیت تقویت شده با ذرات، ذرات با فاز پخش شونده یا همان فاز زمینه هم جهت و هم سو هستند. با توجه به مکانیزم استحکام و تقویتی این کامپوزیت به دو دسته تقسیم بندی می شود:

• کامپوزیت های درشت ذره : در این نوع کامپوزیت فعل و انفعالات بین زمینه و ذره نمی تواند در مقیاس اتمی و مولکولی باشد. در این نوع کامپوزیت فاز تقویت کننده سخت تر و سفت تر از زمینه می باشد به نحوی که این ذرات حرکت و جابجایی فاز زمینه رت در مجاور خود متوقف و مهار می کند. فاز زمینه نیز مقداری از تنش اعمال شده را به ذرات منتقل می نمایند.

• کامپوزیت مستحکم شده به پراکندگی ذرات :

ذرات تقویت کننده در کامپوزیت مستحکم شده به پراکندگی ذرات بسیلر ریز و اندازه ی ان ها حدود ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر می باشد. فعل و انفعال بین ذرات ریز و زمینه در مقیاس اتمی و مولکولی صورت می گیرد و همین امر مسبب استحکام این نوع کامپوزیت می باشد. در نهایت تغییر شکل بسیار کم و استحکام کششی بهبود می یابد.

مشخصات ابعادی ورق‌های کامپوزیت

عرض استاندارد ۱۲۲۰ میلی‌متر و عرض حداکثر ۱۵۵۰ میلی‌متر طول استاندارد ۲۴۴۰ میلی‌متر و طول حداکثر ۶۰۰۰ میلی‌متر ضخامت از ۳ تا ۶ میلی‌متر

هر متر مربع از پانل آلومینیوم فقط ۳٫۵ تا ۵٫۵ کیلوگرم وزن دارد که در خصوص ایمنی در مقابل زلزله و حمل و نقل آسان مؤثر است.

کاربردها

فایبرگلاس یکی از پرکاربردترین کامپوزیت‌هاست. فایبرگلاس یک کامپوزیت با زمینهٔ پلیمری است که توسط فیبرهای شیشه تقویت شده‌است. در ساخت بدنه جنگنده‌های رادارگریز از کامپوزیت‌هااستفاده می‌شود. همچنین در ساخت قطعات هواپیما و پرهٔ نیروگاه بادی و پرهٔ هلیکوپتر از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. 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. هم چنین کامپوزیتهای کربن-اپوکسی از نوع کامپوزیتهای استحکام بالا هستند که در صنایع نظامی کاربرد دارند.

از کاربردهای دیگر کامپوزیت می توانیم به تولید مخازن کامپوزیت فایبرگلاس اشاره کنیم.

سختی کامپوزیت‌های تک جهته

سختی کامپوزیت‌های تک جهته مانند دیگر مواد سازه‌ای می‌تواند توسط روابط مناسب و صحیح تعیین شود. ضرایب یا ثوابت این روابط، می‌تواند در یک دستگاه ثوابت مهندسی یا کامپلیانس یا مدول‌های جزئی جمع‌آوری شود. مقادیر هر یک از دستگاه‌ها می‌تواند مستقیماً توسط ترمهای مقادیر دیگر دستگاه‌ها تعریف شود. سختی کامپوزیت‌های تک جهته توسط همان روابط تنش-کرنش که در مواد سنتی مهندسی موجود است، محاسبه می‌شود. جز آنکه تنها تعداد ثوابت مستقل در کامپوزیت‌ها چهار عدد است.

سه مرحله از تنش روی کامپوزیت‌ها وجود دارد:

• میکرومکانیکال یا تنش منطقه‌ای که همان محاسبه بر اساس تفاوت‌های موجود میان فازهای پیوسته الیاف، ماتریس و در برخی از موارد فصل مشترک تقویت‌کننده و ماتریس حباب‌های هواست.
• تنش لایه‌ای که محاسبه بر اساس همگن انگاشتن هر لایه مجزا یا گروهی از لایه هاست. به این ترتیب که الیاف و ماتریس طوری آمیخته‌اند که دیگر فاز مجزایی وجود ندارد.
• برآیند تنش یک لامینیت N یا برآیند ممان یک لامینیت M عبارتست از متوسط تنش لایه‌ها در ضخامت آن لامینیت.

به هنگام کار کردن با کامپوزیت‌ها باید به علائم توجه تام شود. چراکه اختلاف بین مقاومت‌های فشاری و کششی ممکن است چند صد در صد باشد. به علاوه اختلاف بیشتری میان مقاومت‌های برشی منفی و مثبت وجود دارد. علی‌رغم مواد سنتی که علائم در آن‌ها از اهمیت کمی برخوردار است، در کامپوزیت‌ها اشتباه در علائم، نتایج وخیمی دربر خواهد داشت.

سه دستگاه از ثوابت مواد وجود دارد که هر یک به تنهایی می‌تواند بطور کامل سختی کامپوزیت‌های تک جهته روی محوری را روشن کنند. ویژگی این دستگاه‌ها عبارتند از:

• مدول‌ها جهت بدست آوردن تنش از کرنش بکار برده شده‌است. این اساسی‌ترین دستگاهی است که برای سختی لامینیت‌های چند جهته مورد نیاز است.
• کامپلیانس‌ها جهت محاسبه کرنش از روی تنش بکار می‌رود. این دستگاهی است که جهت محاسبه ثوابت مهندسی مورد نیاز است. این دستگاه جهت بدست آوردن سختی لامینیت‌های چند جهته مورد نیاز نمی‌باشد.
• ثوابت مهندسی از آثار مواد سنتی است؛ و طراحان سنتی در کار کردن با ثوابت مهندسی احساس راحتی بیشتری می‌کنند. می‌توان از یک دستگاه ثوابت، دستگاه دیگری را یافت؛ و همه در عین حال معادل یکدیگرند. یک رابطه مستقیم میان مدول‌ها و کامپلیانس‌های جزئی وجود دارد؛ و هر یکی برگردان دیگری است.

کامپلیانس‌های کوپل و مدول‌های کوپل با هم برابرند. به عبارت دیگر از دیدگاه اصطلاح جبر ماتریس، کامپلیانس و مدول قرینه است.

منابع :

ویکی پدیا

استفن و. تسوای اچ. توماس هان، مقدمه‌ای به مواد کامپوزیت، تهران، دانشگاه امام حسین (ع)

1. ↑ASM Handbook Vol. 21,Composites, ASM International, 2001.
2. ↑http://www.irancomposites.org/,accessed in 2010
3. ↑Bioinert, biodegradable and injectible polymeric matrix composites... ,Joao F. Mano et al. -Composite Science and technology, ۶۴ (۲۰۰۴) ۷۸۹–۸۱۷
4. ↑علی‌نژاد، داریوش و هادی گلی، نانو کامپوزیت‌ها و کاربردهای آنها، تهران: نشر زبان تصویر، 1388

مطالعه بیشتر :

• K. Tewary, Mechanics of Fibre Composites, John Wiley & Sons, New York, 1978
• R. Vinson and T.W. Chou, Composite Materials and their use in structures, John Wiley & Sons, New York, 1975
• COMPOSITE MATERIALS HANDBOOK: VOLUME 4. METAL MATRIX COMPOSITES, UNITED STATES OF AMERICA DEPARTMENT OF DEFENSE HANDBOOK, Rev. 21 September 1999.
• خوشروی غیاثی، عمران، فناوری ساخت مواد مرکب، مشهد، عمران خوشروی غیاثی، ۱۳۹۲.
• [Advanced Mechanics of Composite Materials [V.V. Vasiliev and E. Morozov] [2013] [Third Edition]