ماده کامپوزیت

[khodaieehsan78@gmail.com]

ماده کامپوزیت (به انگلیسی: Composite material)، ماده مرکب یا چندسازه که به صورت خلاصه کامپوزیت گفته می‌شود، یک جامد غیر یکنواخت است که از دو یا چند ماده مختلف تشکیل شده‌است که به صورت مکانیکی یا متالورژی بهم پیوند خورده‌اند. هر یک از اجزای مختلف هویت، ساختار و خصوصیات مشخصه خود را در کامپوزیت حفظ می‌کند. سطح مشترک بین مواد کاملاً قابل تشخیص است. ماده کامپوزیت حاصله دارای ترکیبی از خصوصیات است که هر یک از مواد تشکیل دهنده به تنهایی امکان داشتن این ترکیب از خصوصیات را ندارند.[۲] طبق تعریف انجمن فلزات آمریکا، به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند مادهٔ مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آن‌ها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود.[۳] این مواد تشکیل دهنده خواص شیمیایی و فیزیکی کاملاً متفاوتی دارند و برای ساخت ماده ای که شبیه به هیچ‌کدام از این مواد مجزا نیست با هم ادغام می‌شوند. این مواد در داخل ماده جدید، مجزا و قابل تفکیک باقی می‌مانند، و این موضوع وجه تمایز کامپوزیت‌ها از مخلوط‌ها و محلول‌های جامد است.[۴][۵]
مواد کامپوزیت مهندسی متداول عبارتند از:
[list]
[*]بتن مسلح
[*]چوب کامپوزیتی مانند تخته چندلا
[*]پلاستیک‌های تقویت شده، مانند پلیمر تقویت شده با الیاف یا فایبرگلاس
[*]کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی (سرامیک‌های کامپوزیتی و زمینه‌های فلزی)
[*]کامپوزیت‌های زمینه فلزی
[*]و مواد کامپوزیتی پیشرفته
[/list]اخیراً محققان همچنین شروع به افزودن قابلیت‌هایی از قبیل احساس، تحریک، محاسبه و برقراری ارتباط به کامپوزیت‌ها کرده‌اند،[۶] که به آن مواد رباتیک می‌گویند.[۷]
مواد کامپوزیتی معمولاً در ساخت اجزای ساختمان‌ها، پل‌ها و سازه‌هایی مانند بدنه قایق، پنل‌های استخرهای شنا، بدنه اتومبیل‌های مسابقه ای، غرفه‌های دوش، وان‌ها، مخازن ذخیره‌سازی، و گرانیت بدلی استفاده می‌شود.[۸][۹] از پیشرفته‌ترین نمونه‌های مواد کامپوزیتی معمولاً در فضاپیماها و هواپیماها در شرایط محیطی بسیار چالش‌برانگیز استفاده می‌شود.
اصول علمی

مواد کامپوزیتی از دو یا چند ماده مجزا ساخته می‌شوند. خواص ماده کامپوزیت ایجاد شده برتر از هر کدام از آنها به صورت منفرد است. کامپوزیت‌های پیشرفته به معنای واقعی کلمه مواد «طراحی شده» هستند به این معنا که مهندس می‌تواند هم هویت مواد و هم ترتیب فیزیکی آنها را کنترل کند تا آنها را با خصوصیات بسیار خاص بسازد.[۱۱]
ساختار و ترکیب
زمینه
سه نوع ماده زمینه (ماتریس) اصلی وجود دارد: پلیمر، فلز و سرامیک. ماتریس‌ها، الیاف (یا سایر مواد تقویت کننده مانند ذرات، پلاکت‌ها، و الیاف کوتاه) را نگه داشته و آنها را در مقابل آسیب‌های محیطی و فیزیکی حفاظت می‌کنند. جدا نگه داشتن الیاف باعث کاهش ترک خوردگی و توزیع مساوی بار بین تمام الیاف می‌شود؛ بنابراین، ماتریس به خصوصیات کامپوزیت‌ها کمک زیادی می‌کند. قابلیت کامپوزیت‌ها در مقاومت در برابر گرما یا هدایت گرما یا الکتریسیته در درجه اول به خصوصیات ماتریس بستگی دارد، زیرا این فاز پیوسته‌است. در نتیجه انتخاب ماده زمینه بستگی به خصوصیات ماده ای دارد که قصد طراحی آن را داریم.[۱۱]
تقویت کننده‌ها

[/url]
نمودار مقاومت کلی یک ماده کامپوزیت به عنوان تابعی از کسر حجم فیبر، که با شرایط مرزی حد بالا (isostrain یا کرنش ثابت) و حد پایین (isostress یا تنش ثابت) محدود شده‌است.

[url=https://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D8%B3%D8%AA%D8%AD%DA%A9%D8%A7%D9%85_%D8%AA%D8%B3%D9%84%DB%8C%D9%85]استحکام، سفتی و چگالی مواد کامپوزیت بستگی زیادی به جنس ماده تقویت کننده دارد. مقاومت کششی نهایی کامپوزیت نتیجه هم افزایی بین ماده تقویت کننده و ماده زمینه است. ماتریس باعث تقسیم بار در بین تمام الیاف شده و ماده را تقویت می‌کند. انواع اصلی تقویت کننده‌ها شامل الیاف پیوسته، ناپیوسته (الیاف کوتاه)، ویسکرها (یک کریستال واحد از مواد به شکل یک رشته) و مواد ذره ای هستند.[۱۲]
عناصر انتخاب شده بعنوان تقویت کننده معمولاً عناصری با شماره اتمی پایین در گروه‌های ۲، ۱۳، ۱۴، ۱۵ و ۱۶ هستند، زیرا صفات مهندسی مطلوبی از قبیل وزن سبک، استحکام و سفتی بالا دارند. این عناصر یا ترکیبات این عناصر را می‌توان به انواع مختلفی از تقویت کننده‌ها تبدیل کرد. پیوند کووالانسی پایدار به استحکام و سفتی ترکیبات ساخته شده کمک می‌کند.[۱۲]
خواص مواد کامپوزیت
سه عامل عمده خصوصیات و عملکرد کامپوزیت‌ها را تعیین می‌کنند:[۱۳]
[list=1]
[*]خصوصیات هر یک از مواد تشکیل دهنده اصلی،
[*]اندازه، شکل، کمیت و توزیع ماده تقویت کننده، و
[*]کارایی اتصال ایجاد شده بین ماده زمینه و ماده تقویت کننده در انتقال تنش بین رابط.
[/list]
یک ماده کامپوزیت با الیاف پیوسته تک جهته (unidirectional)، در راستای محور الیاف محکم و قوی بوده ولی در راستای عمود بر آن بسیار ضعیف تر است. خواص کامپوزیت الیاف کوتاه می‌تواند به خصوصیات کامپوزیت الیاف مداوم شباهت داشته باشد، در صورتی که الیاف با هم همراستا باشند، در غیر این صورت خواص آنها کاملاً متفاوت است. هر چه جهت الیاف تصادفی تر باشد، خواص کامپوزیت ایجاد شده همسان‌گردتر خواهد بود.
کاربردها
مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف علی‌رغم اینکه عموماً قیمت بالایی دارند، محبوبیت زیادی در محصولات عملکرد-بالا بدست آورده‌اند. این مواد عموماً باید خواصی از قبیل وزن سبک، و در عین حال استحکام بالا برای جذب بارها در شرایط دشوار را داشته باشند. از این مواد برای مثال در ساخت قطعات هوافضایی (مانند دم هواپیما، بال‌ها، بدنه هواپیما، و ملخ)، بدنه قایق و پاروها، فریم دوچرخه‌ها و بدنه خودروهای مسابقه ای استفاده می‌شود. از دیگر موارد استفاده می‌توان به چوب ماهیگیری، مخازن ذخیره‌سازی، پنل‌های استخر و چوب بیس بال اشاره کرد. سازه‌های بوئینگ ۷۸۷ و ایرباس A350 شامل بال و بدنه عمدتاً از مواد کامپوزیتی تشکیل شده‌است.[۲۲]
کامپوزیت‌های کربنی ماده اصلی در ساخت ماهواره برها و سپر حرارتی مرحله بازگشت به جو فضاپیماها است. از این کامپوزیت‌ها همچنین به‌طور گسترده‌ای در ساخت زیرلایه‌های صفحات خورشیدی، بازتابنده‌های آنتن و یوک‌های فضاپیما استفاده می‌شود. علاوه بر این، سیستم‌های ترمز دیسکی هواپیماها و اتومبیل‌های مسابقه ای از کامپوزیت‌های کربن/کربن استفاده می‌کنند و به تازگی مواد کامپوزیت با الیاف کربن و زمینه کاربید سیلیسیم در خودروهای لوکس و اتومبیل‌های اسپورت معرفی شده‌اند.
امروزه بال‌های توربین‌های بادی در اندازه‌هایی به طول ۵۰ متر از کامپوزیت‌ها ساخته می‌شوند.
دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از دیدگاه زیستی

[list]
[*]کامپوزیت‌های طبیعی. مانند استخوان، ماهیچه، چوب و …
[*]کامپوزیت‌های مصنوعی (مهندسی)
[/list]دسته‌بندی کامپوزیت‌های مهندسی از لحاظ فاز زمینه
[list]
[*]CMC (کامپوزیت‌های با زمینهٔ سرامیکی) (به انگلیسی: Ceramic Matrix Composite)
[*]PMC (کامپوزیت‌های با زمینهٔ پلیمری) (به انگلیسی: Polymer Matrix Composite)
[*]MMC (کامپوزیت‌های با زمینهٔ فلزی) (به انگلیسی: Metal Matrix Composite)
[/list]دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از لحاظ نوع تقویت‌کننده
[list]
[*]FRC (کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف)
[*]PRC (کامپوزیت‌های تقویت شده توسط ذرات)
[*]WRC (کامپوزیت‌های تقویت شده توسط ویسکرز)
[/list]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.
روش‌های ساخت



فرایند گمارش الیاف دوختنی.


به‌طور معمول، ساخت کامپوزیت‌ها شامل خیساندن، مخلوط کردن یا اشباع تقویت کننده با ماده زمینه است. سپس توسط گرما یا واکنش شیمیایی ماده زمینه سفت شده و یک ساختار صلب ایجاد می‌شود. معمولاً عملیات در یک قالب شکل دهی باز یا بسته انجام می‌شود، اما ترتیب و روش‌های افزودن مواد تشکیل دهنده به‌طور قابل توجهی با هم متفاوت است. ساخت قطعات کامپوزیتی با طیف گسترده‌ای از روش‌ها انجام می‌شود، از جمله: گمارش خودکار الیاف،[۲۵] فرایند انبارش افشانه ای فایبرگلس،[۲۶] رشته پیچی،[۲۷] فرایند لانکسید،[۲۸] گمارش الیاف دوختنی،[۲۹] تافت زنی،[۳۰] و Z-pinning

منبع : https://fa.wikipedia.org/wiki/