کامپوزیت | تاریخچه کامپوزیت | کاربرد مواد کامپوزیت

امروزه, در مصارف مهندسی، مطالبه موادي که کارآيي بالايي داشته باشد، دور از انتظار نيست  لذا همواره نياز به مواد پيشرفته با قابلیت‌های ویژه در فرآيندهاي توليدي احساس مي شود. از جمله مهم ترين این نيازها می‌توان  به موادي با کارآيي بالا، نسبت استحکام به وزن مناسب و قيمت نسبي پايين اشاره داشت.

بهترین دسته از موادی که شرایط فوق را دارا باشند كامپوزيت‌ها یا اصطلاحا مواد مرکب هستند. این مواد جایگاه ویژه‌ای در مصارف صنعتی به خود اختصاص داده‌اند بگونه‌ای که ساخت بسیاری از قطعات بدون استفاده از این مواد امکانپذیر نمی‌باشد.

1- تعریف مواد مرکب (مواد کامپوزیت)

کامپوزیت یا ماده مرکب چیست ؟ مواد مركب، به‌ موادي‌ گفته‌ مي‌شود كه‌ از تركيب‌ دو يا چند ماده‌ مختلف‌ در مقياس‌ ماكروسكوپي‌ به دست‌ مي‌آيد. عموماً مواد مركب‌ را براي‌ به دست‌ آوردن‌ خواص‌ مهندسي‌ بهتر از جمله سختي‌ بالاتر، استحكام‌ بيشتر، وزن‌ كمتر، مقاومت‌ در برابر حرارت‌، رطوبت‌ و خوردگي‌ كه‌ در مواد همگن‌ همچون‌ فلزات‌، نمي‌توان‌ همگي‌ اين‌ خواص‌ را در كنار يكديگر داشت‌، در طراحي‌ها استفاده‌ مي‌‌كنند. به عبارت دیگر کامپوزیت یا ماده مرکب به دسته‌ای از مواد اطلاق می‌شود که آمیزه‌ای از مواد مختلف و متفاوت در فرم و ترکیب باشند و اجزاء تشکیل دهنده آنها هویت خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی‌شوند.

با توجه به این امر می‌توان دید مفهوم مواد مرکب و آلیاژ فلزی متفاوت می‌باشد. بنابراین کامپوزیت یا ماده مرکب ترکیبی از حداقل دو ماده مجزا با فصل مشترک مشخص بین هر جزء تشکیل دهنده است.

در مهندسی مواد این اصطلاح معمولاً به موادی اتلاق می‌شود که از یک فاز زمینه (ماتریس) و یک تقویت کننده (پرکننده) تشکیل شده باشند. در شکل شماره‌ی یک نمونه‌ای از یک کامپوزیت یا ماده مرکب قابل مشاهده است، در این تصویر الیاف، ماتریس، جهت طولی و جهت عرضی نیز نشان داده شده‌اند.

شکل1- چیدمان کلی سازه کامپوزیتی

تعریف انجمن متالوژی امریکا از ماده مرکب یا کامپوزیت 

به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند ماده‌ی مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد، Composite گفته می‌شود.

2- تاریخچه استفاده از مواد مرکب

ايده‌ استفاده‌ از مواد مركب‌ به‌ قرون‌ گذشته‌ باز مي گردد كه‌ بشر در ساخت‌ بناهاي‌ خود متوجه‌ شد هنگامي‌ كه‌ از گل‌ تنها استفاده‌ كند، استحكام‌ لازم‌ به‌ وجود نمي‌آيد. گل‌ پس‌ از خشك‌ شدن‌ مقاومت‌ خوبي‌ در برابر فشار دارد اما كشش‌ را به‌ هيچ وجه‌ تحمل‌ نمي ‌كند و بناي‌ گلي‌ زود ترك‌ برمي دارد. از اين رو، با اضافه‌ كردن‌ كاه‌ به‌ گل‌ و تهيه‌ كاه گل،‌ بشر توانست‌ ماده‌اي‌ بسازد كه‌ هم‌ در برابر فشار تحمل‌ خوبي‌ دارد و هم‌ در برابر كشش‌. به ‌عبارت‌ ديگر در هنگام‌ فشار گل‌ به‌ مقاومت‌ پرداخته‌ و درحين‌ كشش‌، الياف‌ كاه‌ كه‌ مقاومت‌ خوبي‌ در برابر كشش‌ دارد، مقاومت‌ مي‌كند. اين‌ ايده‌ امروزه‌ درساخت‌ انواع‌ بتون‌ تقويت شده نيز به كار مي‌رود. درحقيقت بتون‌ در برابر فشار, مقاومت‌ خوبي‌ دارد اما دربرابر كشش ضعيف‌ است‌ و با قراردادن‌ يك‌ سري‌ ميله‌ در بتون‌، بتون‌ را تقويت كرده‌ و ميله‌ها در برابر كشش‌ مقاومت‌ مي‌كنند.

شکل2- ساختار کاه‌گل به عنوان یک کامپوزیت

تاریخچه مواد پلیمری تقویت شده با الیاف به سالهای 1940 در صنایع دفاعی و به خصوص کاربردهای هوا – فضا بر می‌گردد، برای مثال در سال 1945 بیش از 7 میلیون پوند الیاف شیشه به طور خاص برای صنایع نظامی، مورد استفاده قرار گرفته است که در ادامه با توجه به مزایای آنها، به صنایع عمومی نیز راه یافته اند .

خلاصه تاريخچه كامپوزيت‌ها

- سازه‌های کاه گلی (۱۵۰۰ سال قبل از میلاد)

- كمان چند لايه اي، ساخته شده از تاندون حيوانات، چوب و ابريشم (۱۰۰۰ سال قبل از میلاد)

- آغشته كردن سطوح پارچه اي هواپيماها با لاك محلول رزيني، ۱۹۱۰ میلادی

- فنلي تقويت شده با پارچه، ۱۹۳۰ میلادی

- ثبت اختراع پلي استر، ۱۹۳۶ میلادی

- فروش الياف شيشه توسط شركت، Owens Corning ،۱۹۳۸ میلادی

- ساخت پلاستيك‌هاي تقويت شده با الياف شيشه در پايگاه هوايي Wright Patterson ،۱۹۴۲ میلادی

- ساخت الياف كربن توسط شركت، Union Carbide ۱۹۵۹ میلادی

- ثبت اختراع الياف كربن بر پاية PAN، توسط Shido ژاپن، ۱۹۶۱ میلادی

- ساخت الياف پيوستة سراميك و بُر، ۱۹۶۵ میلادی

- ساخت الياف كولار، ۱۹۷۱ میلادی

- ساخت الياف پلي اتيلن با جرم مولكولي فوق سنگين، ۱۹۸۵ میلادی

- تولد مجدد الياف طبيعي، ۱۹۹۰ میلادی

2- کاربرد مواد کامپوزیت

استفاده از مواد مرکب امروزه در صنایع بسیاری همچون صنایع حمل و نقل شامل حمل و نقل هوایی، جاده‌ای، ریلی و دریایی، صنایع نظامی و هوا-فضا، صنعت ساخت و ساز شامل صنایع زیر بنایی و صنعت ساختمان، صنایع خودرو و قطعه سازی، وسایل خانگی، لوازم ورزشی و غیره کاربردهای فراوانی دارد .

در علوم هوایی  برای  ساخت بدنه جنگنده‌های رادارگریز، بدنه‌ی انواع پهباد‌ها و قسمت زیادی از بدنه‌ی هواپیما‌های مسافر بری از  کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. همچنین در ساخت قطعات صنایع انرژی در حوزه‌های تولید و انتقال برق همچنین صنعت نفت، گاز و پتروشیمی استفاده‌ی بالایی دارد همانند ساخت پره‌ نیروگاه بادی، ساخت کابل‌های انتقال برق با هسته‌ی کامپوزیتی، از آنجا که امروزه یكی از روش‌های مناسب تعمیر در دنیا، استفاده از كامپوزیت‌ها می‌باشد. از کامپوزیت‌ها به منظور ترمیم و تقویت سازه‌های فرسوده و ترمیم لوله‌های فرسوده نفت و گاز استفاده می‌شود (لوله‌های انتقال گاز غالباً دچار مشكل خوردگی می‌گردند). همچنین لوله‌های انتقال جدید نیز ازجنس کامپوزیت‌ها ساخته شده است .

در صنایع ریلی از کامپوزیت‌ها در ساخت تراورس (چوب‌های عرضی كه در زیر ریل راه آهن قرار می‌گیرند) استفاده می‌شود زیرا قیمتی معادل قیمت بهترین نوع چوبی آن دارد. همچنین عمر طولانی تر و کاربری راحت‌تری دارد. برخلاف چوب این تراورس‌ها نمی‌شكنند، ترك بر نمی‌دارند، مستعد پوسیدگی نیستند، حشرات نمی‌توانند به آنها آسیبی بزنند همچنین به علت عدم پوسیدگی، استفاده از این تراورس‌ها در مناطق مرطوب به صرفه تر از نوع چوبی آن است. لازم به ذکر است که در كشور ما سالیانه مقادیر بسیار زیادی تراورس راه آهن تعویض یا بهسازی می‌گردد و این جدای از هزینة هنگفت بستن خط و تغییر ریل‌ها و زیرسازی‌های لازم است. اما اگر همین تراورس‌ها با كامپوزیت تقویت شوند عمر 7 ساله تراورس‌ها را تا 30 سال می‌توان افزایش داد و در ازای پرداخت هزینة اولیه دو یا سه برابر، هزینة تعمیر و تعویض تا 4 برابر كاهش می‌یابد و در نهایت صرفة اقتصادی دارد .

در صنایع دیگر می‌توان به استفاده از کامپوزیت در ساخت قایق‌های بزرگ تفریحی و مسافرتی، قطعات ماشین‌های مسابقه‌ای، خطوط لوله آبرسانی، خطوط لوله و مخازن نگهداری، ظروف نگهدارنده‌ی مواد شیمیایی، کپسول‌های گاز CNG، کپسول‌های تنفسی آتش نشانی، کپسول‌های اطفاء حریق، تیرک‌ها و تیرهای حمال سقف ساختمان، استفاده در ساخت و تقویت پلها، نردبانها و چارچوب، عایقها در صنایع الکترونیک مانند و بسیاری استفاد‌های دیگر در صنایع گسترده‌ی دیگر اشاره نمود.