معرفی کامپوزیت ها،طبقه بندی و کاربرد|کدافزار

در این مطلب مشاهده خواهیم کرد:

1- تعریف کامپوزیت

2- طبقه بندی کامپوزیت ها

3 – کامپوزیت پایه پلیمری

4 – کاربرد مواد کامپوزیتی

5 – پر استفاده ترین الیاف

کامپوزیت چیست؟

امروزه در بسياري از كاربردهاي مهندسي، به تلفيق خواص مواد نياز است و امكان استفاده از يك نوع ماده كه همه خواص مورد نظر را برآورده سازد، وجود ندارد، پس بايد به دنبال روشي براي تركيب خواص مواد بود. اين راه حل همان مواد كامپوزيت است.

يك كامپوزيت شامل يك يا چند فاز غير پيوسته در يك فاز پيوسته است. فاز غير پيوسته معمولا سخت تر و قوي تر از فاز پيوسته است لذا به آن فاز تقويت كننده گويند.

عمدتاً در یک كامپوزيت، سه ناحيه متمايز شامل : فاز پيوسته(ماتریس)، فاز غیر پیوسته (تقویت‌کننده) و فصل مشترک اين دو فاز وجود دارد كه تعیین‌کننده خواص و رفتار كامپوزيت می‌باشند (شكل 1-1) .

شکل 1-1 فاز‌های تشکیل‌دهنده یک کامپوزیت.

كامپوزيت ماده‌ای چند جزئي است كه خواص آن از هركدام از اجزا بيشتر است .به خاطر انتقال نیرو توسط ماتریس، الیاف با همکاری کردن به تقویت کامپوزیت ادامه می­دهند .در کامپوزیتی که ماتریس و الیاف آن به‌خوبی باهم همکاری نمی­کنند در یک ‌بار کوچک که به آن وارد می­شود شکست خواهد خورد و الیاف به‌ سادگی بدون شکستن از ماتریس خارج می‌شوند.

اهمیت نسبت الیاف و ماتریس بر خواص مختلف کامپوزیت‌ها در شکل 1-2 نشان داده‌شده. قدرت و سختی کامپوزیت تاثیر بسیار زیادی از ماده تقویت‌کننده می‌گیرد، اما ماتریس هم سهم خود را به خواص می‌دهد. به‌عنوان‌مثال، توانایی کامپوزیت در برابر گرما، به‌شدت به ماتریس بستگی دارد . رفتار مکانیکی کامپوزیت نیز با همکاری بین الیاف و ماتریس اداره می‌شود. دلیل این است که مواد ماتریس معمولا ارتجاعی هستند.

شکل 1-2 اهمیت نسبت الیاف و ماتریس بر خواص مختلف کامپوزیت‌ها.

طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها

کامپوزیت‌ها موادی هستند که خواص آن‌ها انتخاب می‌شوند. با پراکنده شدن الیاف یا ذرات یک ماده در یک ماده زمینه، یا اتصال‌دهنده، به یکی از حالت‌های (شکل 1-2) که در آن طبقه‌بندی بر اساس نوع تقویت‌کننده و ماتریس صورت گرفته، طراح یک کامپوزیت می‌تواند به خواص موردنظر خود برسد.

خواص یک کامپوزیت نه‌تنها به‌وسیله نوع ماتریس و مواد تقویت‌کننده بلکه به‌وسیله هندسه و شکل ظاهری تقویت‌کننده‌ها شکل می‌گیرد.

اگر هدف از تهيه كامپوزيت بهبود خواص مكانيكي نظير استحكام، سفتي باشد باید توجه داشت که مكانيزم تقویت‌کنندگی بستگي به شكل هندسي تقویت‌کننده دارد، بنابراين بهتر است یک طبقه‌بندی بر اين اساس صورت پذيرد. و اگر هدف از تهيه كامپوزيت بهبود کارایی در دماي بالا و خواص مکانیکی مانند چقرمگی باشد می‌توان کامپوزیت‌ها را ازنظر نوع ماده زمينه آن‌ها طبقه‌بندی کنیم که به سه دسته کامپوزیت‌های پليمري (Polymer Matrix Composite ) ،کامپوزیت‌های فلزي (Metal Matrix Composites ) و کامپوزیت‌های سراميكي ( Ceramic Matrix Composites ) تقسيم می­شوند.

شکل 1-3 طبقه‌بندی انواع مختلف کامپوزیت‌ها

کامپوزیت پایه پلیمری

در ميان کامپوزیت­ ها بر اساس ماده زمینه كامپوزيت‌هاي پليمري بيشترين حجم استفاده را دارند در اين دسته از كامپوزیت­ها هدف اصلي بهبود خواص مكانيكي است.

كامپوزیت‌هاي پليمري، امروزه در صنعت از اهميت خاصي برخوردار هستند و روزبه‌روز بر كاربردهاي مختلف آن‌ها افزوده مي‌شود با توجه به خواص مكانيكي بالا، سبكي، مقاومت عالي در برابر خوردگي و راحتي كار با آن­ها، جايگزين مناسبي براي فلزات در بسياري از كاربردها می‌باشند.

شکل 1-4،5،6 برخی نکات مربوط به تفاوت‌های عمده بین مواد فلزی و کامپوزیت‌های پلیمری، و همچنین برخی از داده‌های معمول برای ماتریس‌های پلیمری و الیاف تقویت‌کننده‌ای که اغلب استفاده می‌شود را نشان می‌دهد.

شکل 1-4 مقایسه مواد وزن در مقابل جابه‌جایی.

شکل 1-5 الف) مدول و استحکام الیاف تقویت‌کننده ب) و ماتریس‌های پلیمری [4].

شکل 1-6 خواص مکانیکی کامپوزیت پایه پلیمری که در آن30 PP-GF(تشکیل‌شده از 30% الیاف کوتاه شیشه درزمینه پلی پروپلین) ،60 UD/GF (تشکیل‌شده از 60% الیاف بلند شیشه درزمینه اپوکسی) ،60 UD/CF (تشکیل‌شده از 60% الیاف بلند کربن درزمینه اپوکسی) با فلزات AlMg 30 (آلیاژ آلومینیم منگنز) و C 45 (استیل کربن) مقایسه می‌شود، E مدول و Rm استحکام است.

بازار جهانی کامپوزیت‌های پلیمری تقریبا به‌اندازه مساوی توزیع‌شده است بین آمریکای شمالی (39٪)، اروپا (34٪) و آسیا (24٪) (شکل 1-7).

شکل 1-7 بازار جهانی کامپوزیت.

كاربرد كامپوزيت‌ها

کامپوزیت ساخت اتومبیل‌ها ، هواپیماها و اجزای ماشین‌های بسیار سبک را ممکن می‌سازند. با این مواد بازسازی ساختمان‌ها پل‌ها و همچنین تولید ایمپلنت­ های پزشکی می‌تواند انجام شود.کامپوزیت‌ها قاطعانه به توسعه پایدار در جوامع کمک می‌کنند.

در حال حاضر نیاز به سفتی و قدرت همراه با چگالی کم منجر به این شده که طراحان نظامی و هواپیماهای تجاری، تجهیزات ورزشی و اتومبیل‌ها برای تولید برخی از قطعات به کامپوزیت‌ها روی بیاورند.

کامپوزیت‌ها خواص مكانيكي برجسته‌اي داشته و از انعطاف‌پذیری مناسبي در طراحي برخوردارند و روش‌های ساخت آن‌ها نسبتا آسان است . کامپوزیت‌ها موادي سبك، مقاوم در برابر خوردگي و ضربه، داراي مقاومت خستگي عالي، مستحكم و بادوام‌اند و به‌روش‌های مختلفي قابل‌تبدیل به يك محصول يا يك قطعه مي‌باشند به همین دلیل در صنایع مختلفی کاربرد دارند که این صنایع عبارت‌اند از : صنايع خودرو ،صنايع ساختمان، صنايع هوافضا، صنايع دريايي، صنايع برق و الكترونيك، صنايع پزشكي، صنايع تفريحی- ورزشي و صنايع نظامي که در شکل 1-8 حدود درصد مصرف کامپوزیت در صنایع مختلف نشان داده شده است.

شکل 1-8 وضعیت مصرف کامپوزیت در صنایع مختلف.

پر استفاده ترین تقویت کننده ها

از پر استفاده ترین الیاف تقویت کننده می توان الیاف شیشه، الیاف کربن و الیاف کولار را نام برد که با توجه به خواص مورد نیاز طراح در اشکال مختلف قابل انتخاب و استفاده هستند (شکل 1-9،10،11).

شکل1-9: الف) الیاف رشته‌ای شیشه (roving). ب) نمد الیاف بلند.

ج) الیاف کوتاه شیشه (chopped strand) د) پودر شیشه (glass milled)

شکل 1-10: الف)پارچه کربن ب)رویینگ کربن

شکل 1-11 الف) جلیقه ضد گلوله ب) رویینگ کولار