كامپوزیت‌ها

ایده ساخت كامپوزیت‌ها توسط بشر كشف نشد، بلكه این مواد در طبیعت وجود دارند. برای مثال چوب كه از تركیبی از الیاف سلولزی در زمینه چسبی به نام لیگنین تشكیل شده است، یك كامپوزیت است. صدف جانوران بی‌مهره مثل حلزون و صدف خوراكی مثال دیگری از كامپوزیت‌ها است. بعضی از پوسته صدفها از كامپوزیت‌های پیشرفته‌ای كه بدست بشر ساخته شده، سختتر و محكمتر است. دانشمندان كشف كرده‌اند الیاف كه از شبكه تار عنكبوت بدست می‌آیند از الیافی كه بطور مصنوعی تولید می‌شوند، محكمتر است. در هند،‌یونان و دیگر كشورها، صدها سال بود كه از مخلوط سبوس یا كاه با خاك رس برای ساختمان‌سازی استفاده می شد. مخلوط سبوس و خاك اره با خاك رس مثالی از «كامپوزیت با ذرات ریز» و مخلوط خاك رس با كاه نمونه ای از «كامپوزیت‌ الیاف كوتاه» است. این مواد مسلح كننده برای بهبود كارائی كامپوزیت اضافه می شود.

مفهوم اصلی كامپوزیت به معنی دارا بودن یك ماده زمینه‌ای (ماتریس) مناسب است. معمولاً مواد كامپوزیتی بوسیله الیاف مسلح كننده دریك زمینه رزیتی ساخته می‌شوند. مسلح كننده‌ها می‌توانند الیاف، ویسكرها و .. بوده و زمینه می‌تواند از جنس فلزات، سرامیكها یا پلاستیك‌ها باشند.

مسلح كننده‌ها می‌توانند از پلیمرها،‌پلاستیكها، و فلزات ساخته شوند. الیاف می‌توانند بصورت بهم پیوسته، زنجیره‌های بلند یا كوتاه باشند. كامپوزیت‌هایی كه با زمینه پلیمری ساخته می‌شوند، رایج‌تر هستند و بطور وسیع در صنایع مختلف بكار می‌روند. در این كتاب كامپوزیت‌هایی كه زمینه‌ی آنها از جنس رزین برپایه پلیمری است، بررسی می شوند. این مواد می‌توانند جزء «رزیتهای ترموست» یا «رزینهای ترموپلاستیك» باشند.

بافت یا الیاف مسلح كننده باعث استحكام و سختی كامپوزیت می شود. در حالیكه زمینه سبب سختی و مقاومت به خوردگی كامپوزیت می گردد. الیاف مسلح كننده می‌تواند بصورت شكلهای مختلفی از الیاف پیوسته بلند با بافتهای موجدار تا الیاف كوتاه تكه‌تكه و حصیری (درهم گیركرده) وجود داشته باشند. هریك از این اشكال خواص مختلفی را ایجاد می‌كنند. این خواص شدیداً به روشی كه الیاف در كامپوزیت قرار داده می‌شوند، بستگی دارد. دریك كامپوزیت تمامی شكلهای فوق‌الذكر و یا یكی از آنها می‌تواندت مورد استفاده قرار گیرد. موضوع مهمی كه در مورد كامپوزیت‌ها بایستی در نظر گرفته شود این است كه الیاف نیرو تحمل می‌كند و لذا حداكثر استحكام كامپوزیت در راستای محور الیاف است. وجود الیاف بلند پیوسته در جهت اعمال نیرو باعث می شود كه خواص كامپوزیت كاملاً با خواص رزین متفاوت باشد. كامپوزیتی دارای الیاف به شكل بصورت تكه‌های كوچك است، خواص ضعیفتری نستب به كامپوزیتی كه الیاف آن بصورت پیوسته است، از خود نشان می‌دهد. شكل الیاف برحسب نوع كاربرد (مهندسی یا غیرمهندسی) و روش ساخت انتخاب می شود . برای كاربر دهای مهندسی (ساختمانی)، الیاف پیوسته یا بلند پیشنهاد می شود. در حالیكه برای كاربردهای غیرمهندسی (غیرساختمانی) الیاف كوتاه انتخاب می شود. در ریخته‌گری تزریقی و ریخته‌گری تحت فشار از الیاف كوتاه، در حالیكه در تابیدن تارها،‌بسته‌بندیهای رولری و پولتروژن از الیاف پیوسته استفاده می شود.

3-1 نحوه عملكرد الیاف و زمینه

ماده كامپوزیتی با مسلح كردن پلاستیك‌ها توسط الیاف تشكیل می‌شوند برای درك بهتر رفتار كامپوزیت‌ها، باید اطلاعات دقیقی از نقش الیاف و مواد زمینه در كامپوزیت‌ها در دسترس باشد،‌مهمترین وظایف الیاف و زمینه كامپوزیت‌ها بشرح زیر است:

وظایف مهم و اصلی الیاف در كامپوزیتها عبارتند از:

•  تحمل بار و نیرو؛ در یك كامپوزیت ساختمانی(مهندسی) 70% تا 90% نیرو توسط الیاف تحمل می شود.
• سختی، استحكام، پایداری گرمایی و بقیه‌ی خواص ساختاری در كامپوزیت‌ها به الیاف آن بستگی دارد.
• هدایت الكتریكی یا عایق بودن كامپوزیت‌‌، به نوع الیاف مورد استفاده در آن بستگی دارد. 

زمینه (ماده‌ی زمینه‌) وظایف زیر را در ساختار كامپوزیت انجام می‌دهد. بسیاری از این وظایف برای عملكرد مطلوب یك ماده‌ی كامپوزیت ضروری است. الیاف موجد در زمینه و یا خود الیاف به تنهایی بدون حضور ماده‌ی زمینه و یا یك چسب بندرت استفاده می شود. وظایف مهم زمینه كامپوزیت شامل موارد زیر است.

•  زمینه؛ الیاف را به هم پیوند می‌دهد و بار وارده به كامپوزیت را به الیاف را منتقل می‌كند. زمینه، به ساختار ماده ی كامپوزیتی سختی،‌یكپارچگی و شكل می‌بخشد.
• زمینه؛ الیاف را ایزوله می‌كند. بطوریكه تكه‌تكه الیاف می‌توانند به طور جداگانه نقش خود را ایفا كنند. این عمل تجمع آنها را كاهش داد ویا آن را متوقف می‌كند.
• زمینه؛ سطحی با كیفیت پرداخت خوب بوجود آورده و كمك می‌كند كه محصول دارای شكل نهایی یا نزدیك به آن باشد.
• زمینه از الیاف در مقابل هجوم شیمیایی و آسیبهای مكانیكی (سایش) محافظت می‌كند.
• خواص شكل دهد از قبیل : انعطاف پذیری، استحكام فشاری و … به نوع ماده زمینه بستگی دارد. زمینه انعطاف‌پذیر باعث افزایش چقرمگی ساختار می شود و در جائیكه به چقرمگی بیشتری نیاز باشد از كامپوزیت‌ها با زمینه ترموپلاستیك استفاده می شود.
• نحوه شكست ماده‌ی كامپوزیت، نه تنها بشدت به نوع ماده‌ی زمینه‌ی بستگی دارد، بلكه به میزان سازگاری آن با الیاف نیز وابسته است.

4-1 مزایای خاص كامپوزیت‌ها

معمولاً، كامپوزیت‌ها برای كاربردهایی كه كارآیی زیاد و وزن كم لازم است، طراحی و ساخته می‌شوند. این مواد دارای مزایای بسیار زیادی نسبت به مواد مهندسی سنتی هستند كه در زیر شرح داده می شود:

1. مواد كامپوزیتی قابلیت یكپارچه كردن اجزا را دارند،‌چند جزء فلزی مختلف می‌تواند با یك كامپوزیت جایگزین شود.
2.  با قرار دادن سنسورهایی در ساختارهای كامپوزیتی می‌توان آنها را به سرویسهای ردیابی مجهز كرد .از این امكان برای آشكارسازی آسیب ناشی از خستگی در ساختار هواپیما استفاده می شود و نیز می تواند برای ردیابی جریان رزین در فرایند RTM (قالب‌گیری رزین) استفاده گردد. مواد دارای سنسور، را مواد هوشمند می‌نامند.
3. مطابق جدول (1-1) كامپوزیت‌های سختی ویژه‌ی (نسبت سختی به دانسیته) بالایی دارند. كامپوزیت‌ها دارای سختی فولاد، با یك پنجم وزن آن و دارای سختی آلومینیوم، با یك دوم وزن آن هستند.
4. استحكام ویژه‌ی (نسبت استحكام به چگالی) كامپوزیت‌ها بسیار بالا است. به همین دلیل هواپیما و اتومبیل سریعتر حركت كرده و سوخت كمتری مصرف می كنند. استحكام ویژه‌ی كامپوزیت‌ها 3 تا 5 برابر آلیاژ‌های فولاد و آلومینیوم است. به دلیل سختی ویژه و استحكام ویژه‌ی بالاتر، قطعات كامپوزیتی وزن كمتری نسبت به قطعات مشابه دارند.
5. استحكام خستگی (حد دوام) كامپوزیت‌ها بسیار بالا است. آلیاژ‌های فولاد و آلومینیوم دارای حد خستگی خوبی در حدود 50% استحكام استاتیكی خود هستند. كامپوزیت‌های كربن/اپوكسی با الیاف همجهت دارای استحكام خستگی بالایی نزدیك به 90% استحكام استاتیكی خود می باشد.