کامپوزیت چیست و انواع آن

کامپوزیت های لینکدین و انواع آن ها چیست؟

سرفصل ها

مواد کامپوزیت چیست؟

تفاوت بین کامپوزیت و آلیاژ چیست؟

توجه به ساختار کامپوزیت ها

انواع ترکیبات

خواص مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی کامپوزیت ها

مواد کامپوزیت نقش مهمی در تاریخ بشر داشته اند. از ساخت اولین سازه تا کمک به توسعه فناوری امروزی. کامپوزیت ها بر زندگی روزمره ما تأثیر می گذارند. جالب است بدانید که این مواد هیچ عارضه ای ندارند! مثلا در یک کارخانه ماشین سازی قطعات بی فایده کامپوزیت را می توان خرد کرد و به عنوان پرکننده و تقویت کننده در بتن استفاده کرد. مصالح ساختمانی، کاربردهای پزشکی، صنعت نفت و گاز، هوافضا، حمل و نقل، ورزش و غیره در تمامی این بخشها. استفاده از محصولات کامپوزیت را نمی توان نادیده گرفت. یک سفینه فضایی بدون اجزای سازنده آن زمین را ترک نمی کرد! اگر می خواهید در مورد این مواد شگفت انگیز بیشتر بدانید و دلیل اهمیت و استفاده گسترده آنها را دریابید. این روش صحیح خواندن این مقاله است.

کامپوزیت ها از دو یا چند ماده با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت تشکیل شده اند که برای دستیابی به اهداف خاصی مانند افزایش استحکام، براقیت یا مقاومت الکتریکی با یکدیگر ترکیب می شوند.

ماده کامپوزیت چیست؟

کامپوزیت ها از دو یا چند جزء با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت تشکیل شده اند که برای دستیابی به یک هدف خاص مانند استحکام، صافی یا مقاومت الکتریکی با هم ترکیب شده اند. یکی از مشکلات تولید محدود انواع کامپوزیت است که به عنوان مثال به گرانی قالب های کامپوزیت در ایران کمک می کند. اما به طور گسترده در بازار جهانی مصالح ساختمانی یافت می شود و در ساخت میخ، قوطی، توقف و گوشه استفاده می شود.

پیش بینی می شود در سال های آینده با افزایش تولید این محصول کاربردی در کشور قیمت آن کاهش یابد. جالب است که برای ایجاد یک ترکیب، مواد هرگز با هم ذوب نمی شوند و ترکیب آنها می تواند خواص دیگری مانند طول عمر و سفتی را بهبود بخشد. در طبیعت ترکیباتی وجود دارد. ساختار یک تکه چوب از ترکیبی متشکل از الیاف سلولزی بلند تشکیل شده است که توسط ماده ای به نام لیگنین (نوعی پلیمر) به هم متصل شده اند. سال هاست که مردم در نقاط مختلف جهان از مواد کامپوزیت استفاده می کنند. اولین استفاده از ترکیب به 1500 سال قبل از میلاد برمی گردد. زمانی که ساکنان بین النهرین برای ساختن ساختمان های استوار گل و کاه را مخلوط کردند. در نتیجه مقاومت بلوک های آجری در برابر خمش، کشش و فشار افزایش یافت.

بنابراین در نهایت هدف از ایجاد کامپوزیت یافتن یک ماده کامپوزیت با خواص مطلوب است. نمونه دیگر پلی اتیلن است که برای ساخت چمن مصنوعی استفاده می شود. چیزی که نمی توان آن را رنگ کرد. به همین دلیل این چمن ها مات به نظر می رسند. برای حل این مشکل، ماده ای به نام «وینیل استات» به این پلیمر اضافه می شود تا خواص پلاستیکی، انعطاف پذیری و رنگ آن بهبود یابد.

تفاوت بین کمپوست و آلیاژ چیست؟

می دانیم که هم آلیاژها و هم ترکیبات ترکیبی از حداقل دو عنصر هستند. با این حال، تفاوت هایی بین این دو ماده وجود دارد که آنها را برای کاربردهای مختلف مناسب می کند. بسیاری از فناوری های جدید دارای الزاماتی هستند که آلیاژهای موجود نمی توانند آنها را برآورده کنند. مانند خواص مکانیکی بهتری که در کامپوزیت ها یافت می شود. تفاوت های دیگر بین این دو ماده عبارتند از:

تعاریف و خصوصیات: یکی از این تفاوت ها به تعاریف ترکیبات و ترکیبات برمی گردد. در ترکیب آلیاژی، یک عنصر باید یک فلز باشد که خواص فیزیکی آلیاژ را تعیین می کند، در حالی که در کامپوزیت ها چنین نیازی وجود ندارد و همه مواد ممکن است غیرفلز باشند. همچنین مواد مورد استفاده در یک ترکیب را می توان از طریق فرآیندهای فیزیکی از یکدیگر جدا کرد، در حالی که اجزای یک ترکیب برای بازگشت به حالت اولیه نیاز به واکنش شیمیایی دارند. آلیاژ در اصل ماده اصلی با خواص بهبود یافته است. در مقابل، کامپوزیت ترکیبی از اجزا برای تشکیل یک ماده جدید است که ممکن است قوی تر، سبک تر یا ارزان تر از ماده اصلی باشد.

انواع آلیاژها: آلیاژها در دو دسته همگن و ناهمگن هستند بسته به نسبت فلزات ترکیب شده با عناصر، آلیاژ می تواند یک یا چند فاز داشته باشد و اگر تک فاز باشد به آن ماده همگن می گویند و در غیر این صورت به آن می گویند. ماده ناهمگن نامیده می شود. با این حال، تمام کامپوزیت ها مواد ناهمگن هستند

هدایت الکتریکی و درخشندگی: آلیاژها رسانای خوبی هستند و همچنین به دلیل وجود فلز در ساختارشان درخشندگی بالایی دارند. اما در میان انواع ترکیباتی که در این مقاله به آن خواهیم پرداخت، هیچ کدام براق نیستند و تنها پلیمرهایی هستند که الکتریسیته را به میزان کمی منتقل می کنند و بقیه نارسانا هستند.

چیدمان: قطعات همیشه جوش داده می شوند، در حالی که ممکن است چرخ های آلیاژی در طرح قرار نگیرند.

نقطه ذوب و جوش: کامپوزیت ها دارای نقاط جوش و ذوب خاصی هستند، در حالی که این دماها در بین آلیاژها متفاوت است.

بررسی ساختار کامپوزیت ها

سرعت مخلوط ها به اجزای تشکیل دهنده آنها بستگی دارد. به طور کلی، یک مخلوط از سه جزء تشکیل شده است:

تقویت. آرماتور به عنوان یک فاز ناپیوسته یا پراکنده به اشکال مختلفی مانند الیاف، پوسته و ذرات وجود دارد و ویژگی های متفاوتی دارد. الیاف رایج ترین مواد تقویت کننده هستند که بیشترین تأثیر را بر خواص مکانیکی مواد کامپوزیت دارند. دلیل این اثر را باید در نسبت بالای طول الیاف به قطر جستجو کرد که تنش برشی موثری بین این ماده و ماتریس ایجاد می‌کند و توانایی پردازش و تولید قطعات کامپوزیتی با اشکال مختلف را افزایش می‌دهد. مهمترین الیاف کامپوزیت شیشه، کربن و آرامید است.

ماتریس (فیلد): به عنوان یک فاز پیوسته، ماتریس آرماتورها را به هم متصل می کند و آنها را در یک موقعیت ثابت به صورت جانبی نگه می دارد و از حرکت بین الیاف و اعوجاج جلوگیری می کند. به لطف این، تقویت کننده ها در برابر آسیب های فیزیکی و محیطی مقاوم هستند. بسته به نوع سازه، الیاف یا سایر آرماتورها در موقعیت خاصی قرار می گیرند و سپس با ماتریس ثابت می شوند. از مواد مختلفی مانند پلی استر، اپوکسی و فنل می توان به عنوان ماتریس برای ساخت کامپوزیت استفاده کرد. اما در انتخاب آن باید دقت کرد و به خواص ماده کامپوزیت مورد نظر توجه کرد. زیرا خواصی مانند مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت الکتریکی و حرارتی و اشتعال پذیری مستقیماً به نوع ماده پایه بستگی دارد.

مرحله میانی: لایه ماتریس فشاری که روی سطح آرماتور تشکیل می شود، مرحله میانی نامیده می شود که در واقع رابط بین این دو ماده است. برای ذرات پراکنده در محدوده میکرون، می توان از تأثیر این لایه چشم پوشی کرد. اما نانوذرات سطح وسیع تری دارند و می توانند نسبت قابل توجهی از حجم مخلوط را اشغال کنند. بنابراین، در تقویت با نانوذرات پراکنده، فاز میانی بر خواص کامپوزیت تأثیر می گذارد. در واقع، بسیاری از خواص برجسته نانوکامپوزیت ها، از جمله قدرت تسلیم، به دلیل فاز میانی است.

برخی از اجزای مواد کامپوزیت

نوع کامپوزیت

ترکیبات را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد.

بر اساس نوع مواد پس زمینه

بر اساس نوع و شکل مواد تقویت شده

با توجه به نوع ماتریس، کامپوزیت ها به چهار گروه تقسیم می شوند:

کامپوزیت با زمینه فلزی (MMC): کاربرد این نوع کامپوزیت در صنعت هوافضا بسیار زیاد است. از فلز آلومینیوم به عنوان پایه استفاده می شود که چگالی کمتری نسبت به آهن دارد تا مقاومت آن افزایش یابد. در کامپوزیت های پایه فلزی، از الیاف پیوسته از الیاف کربن، کاربید، سیلیکون یا سرامیک به عنوان تقویت کننده استفاده می شود.

کامپوزیت های ماتریکس سرامیکی (CMC): در ساخت این محصول، الیاف سرامیکی یا کربنی توسط ماتریس سرامیکی مانند کاربید سیلیکون احاطه شده است.

کامپوزیت با ماتریسی از مواد آلی، پلیمر یا پلاستیک تقویت شده (PMC): این کامپوزیت از الیاف کوتاه یا بلند تشکیل شده است که توسط یک ماتریس پلیمری آلی به یکدیگر متصل شده اند. مشخصه اصلی این نوع کامپوزیت توزیع بار بین الیاف به وسیله ماتریس است.

یکی از پرکاربردترین کامپوزیت های پلیمری فایبرگلاس نام دارد که ماده تقویت کننده آن شیشه است. این کامپوزیت با نام FRP (پلاستیک تقویت شده با الیاف) نیز شناخته می شود.

کامپوزیت های کربن/کربن (CC): این کامپوزیت ها دارای کربن به عنوان هسته هستند و تقویت کننده آن الیاف کربن مثلثی است.

بسته به نوع ماده تقویت کننده، ترکیبات عبارتند از:

کامپوزیت تقویت شده با الیاف (FRC): کامپوزیت ها در فاز پراکنده به صورت الیاف در صنعت و فناوری اهمیت بیشتری دارند. مواد مورد استفاده به عنوان الیاف تقویت کننده بر اساس قطر و خواص به سه نوع منگنه، تابیده شده و سیم تقسیم می شوند. خواص مکانیکی این کامپوزیت ها به خواص الیاف، مقدار نیروی وارد شده به ماتریس و کسر حجمی بستگی دارد. در این کامپوزیت ها فیلامنت نازک تر و قوی تر می شود.

کامپوزیت های تقویت شده با ذرات (PC): این مواد کامپوزیتی بر اساس مکانیزم تقویت به دو گروه ذرات درشت و تقویت شده با ذرات پراکنده تقسیم می شوند.

مجموعه ذرات درشت

در کامپوزیت های ذرات درشت برهمکنش بین ذرات و ماتریس ها نمی تواند در سطح مولکولی یا اتمی رخ دهد. و فاز انعقاد سفت تر از پس زمینه است به گونه ای که این ذرات حرکت فاز زمینه نزدیک را متوقف می کنند.

کامپوزیت ها با ذرات پراکنده تقویت می شوند

در این مجموعه ها، بیشتر ذرات بین 10 تا 100 نانومتر هستند و فعل و انفعالات بین آنها در مقیاس اتمی و مولکولی رخ می دهد. این روش استحکام این نوع مواد را افزایش می دهد.

کامپوزیت چیست و انواع آن

سبز مرکب

ماتریس و تقویت کننده این کامپوزیت ها از موادی ساخته شده است که زیست تخریب پذیر هستند و در محیط باقی نمی مانند. از موادی مانند پلیمرهای مصنوعی جاذب به عنوان جزء پایه و الیاف گیاهی به عنوان تقویت کننده استفاده می شود.

ظاهر کامپوزیت های زمینه فلزی (MMC)

خواص مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی کامپوزیت ها

استفاده از مواد مختلف در ساخت کامپوزیت ها می تواند نقاط ضعف هر یک از آنها را پوشش دهد، نقاط قوت آنها را تقویت کرده و ویژگی های جدیدی ایجاد کند. خواص به دست آمده به عواملی مانند مقدار، شکل و اندازه آرماتور، توزیع فاز آرماتور، خواص مکانیکی ماتریس و ماهیت فصل مشترک بین ماتریس و آرماتور بستگی دارد. برخی از مهم ترین ویژگی ها به شرح زیر است:

مقاومت در برابر خوردگی: کامپوزیت ها در برابر خوردگی و مواد شیمیایی مقاومت بالایی دارند و در برابر آب، رطوبت و نور مستقیم استحکام نشان می دهند.

قدرت مکانیکی. بر خلاف فلزات که در همه جهات و شرایط به یک اندازه استحکام دارند، کامپوزیت ها را می توان طوری طراحی و مهندسی کرد که در جهات خاصی قوی تر باشند.

مقاومت الکتریکی: مقدار این مقاومت به نوع مواد مورد استفاده برای ساخت کامپوزیت بستگی دارد. به عنوان مثال، کامپوزیت الیاف شیشه ای عایق و کامپوزیت الیاف کربن یک هادی است.

هدایت حرارتی بسیار پایین. این ویژگی باعث می شود کامپوزیت ها برای استفاده به عنوان عایق حرارتی مناسب باشند

استحکام ویژه بالا و کنترل ویژه: این دو ناحیه از برجسته ترین مناطق مواد کامپوزیتی هستند. به عنوان مثال، در کامپوزیت رزین تقویت شده با فیبر کربن، ارزش مصرف ویژه 5 برابر بیشتر از فولاد و آلیاژ آلومینیوم و استحکام ویژه 3 برابر بیشتر از این دو ماده است.

مقاومت در برابر خستگی بالا: مش های الیافی، به ویژه مش های مبتنی بر رزین، کمتر بریده می شوند و تحت فشار قرار می گیرند. علاوه بر این، رابط بین ماتریس و الیاف می تواند گسترش ترک ها را کاهش دهد یا جهت آن را تغییر دهد و از گسترش ترک ها جلوگیری کند. بنابراین مقاومت خستگی در کامپوزیت ها بالاست.

مقاومت بالا در برابر شکست: کامپوزیت های الیافی حاوی تعداد زیادی رشته الیاف مستقل هستند. این مقدار معمولاً به 1000 تا 10000 در هر سانتی متر مربع می رسد. همانطور که گفته شد این الیاف به مواد زمینه متصل می شوند. اگر یکی از این الیاف به دلیل اضافه بار یا عوامل دیگر شکسته شود، بار به الیاف سالم باقی مانده توزیع می شود و در نتیجه از آسیب های ناگهانی جلوگیری می شود.

میرایی خوب: فرکانس طبیعی یک سازه به جرم و شکل آن مرتبط است و با جذر یک واحد معین متناسب است. اگر فرکانس طبیعی مصالح زیاد باشد، امکان تشدید و آسیب به سازه کمتر است.

چگالی کم: به همین دلیل کامپوزیت ها برای حمل و نقل و نصب و بارگیری بسیار مقرون به صرفه هستند.

ساخت و ساخت اشکال پیچیده با روش های ساده، کارآمد و مقرون به صرفه آسان است

سهولت در مونتاژ قطعات، تعمیر و نگهداری و عملیات عیب یابی

ضریب انبساط حرارتی پایین

اتصالات بهبود یافته و تولید یکپارچه

یک رژیم غذایی کامل با انرژی

آخرین کلمه

در این مقاله، ساختار کامپوزیت؛ با ویژگی ها و انواع مختلف آنها آشنا شد. توسعه فناوری کامپوزیت مبتنی بر پلیمر، صنایع بسیاری را برای استفاده از این محصول ارزشمند گسترش داده است. صنایعی که نیاز به ترکیبی از خواص مختلف دارند که با استفاده از یک ماده نمی توان به آنها دست یافت. بر اساس استانداردهای جهانی، شاخص رشد مصرف ترکیبی 3 کیلوگرم جمعیت در سال است. بیش از 95 درصد کامپوزیت های مورد استفاده در ایران به صورت الیافی تابیده است. نوعی ماتریس پلیمری که در داخل نیز با روش هایی مانند SMC و قالب بسته تولید می شود. به نظر شما آیا این صنعت در سال های آینده در ایران رشد خواهد کرد؟ چه چالش هایی پیش روی خود می بینید؟ به طور کلی، برای اطلاع از قیمت محصولات فولادی: قیمت میلگرد; مانند تیر و غیره لیست صفحه قیمت آهن را آنلاین بخوانید.