kompozit-panel

کامپوزیت (مزایا،معایب،کاربرد)

 تعریف:

کامپوزیت ها (Composites) در دسته بندی مواد، جز مواد پیشرفته می باشند که کاربرد های آنها در صنایع و زمینه های مختلف روز به روز در حال گسترش است. کامپوزیت، ماده همگنی بوده که از ترکیب دو یا چند جزء، جهت دستیابی به خواص متالورژیکی مطلوب به وجود آمده است. این اجزاء در مقیاس ماکروسکوپی با هم ترکیب شده ولی در یکدیگر قابل حل نیستند. بیشتر کامپوزیت ها از دو جزء ساخته می شوند:

۱- زمینه؛

جزء پایه در کامپوزیت ها را زمینه می نامند.

۲- تقویت کننده؛

جزء افزودنی به زمینه کامپوزیت ها را تقویت کننده می نامند. تقویت کننده ها عموما محکم تر و صلب تر از زمینه بوده و در حقیقت خواص مطلوب کامپوزیت را در آن ایجاد می کنند. چون ذرات تقویت کننده اغلب به طور مجزا در زمینه قرار می گیرند، زمینه، وظیفه تقسیم نیرو را بین آن ها بر عهده دارد.  

خواص کامپوزیت ها

برخی از مشخصه های بارز کامپوزیت ها که موجب گسترش روزافزون آنها شده است، به شرح زیر می باشد:

  •  استحکام ویژه

این پارامتر استحکام ماده را در ارتباط با وزن آن نشان می دهد. برای مثال، برخی کامپوزیت ها مانند فایبر گلاس دارای مقاومت به ضربه بسیار بالاتری نسبت به فولاد و تیتانیوم، در مقایسه با وزن به کار رفته از هر کدام از آن ها می باشد.

  • قیمت

 برخی از محصولات کامپوزیتی دارای قیمت کمتری از محصولات مشابه فلزی هستند ولی باید خاطر نشان کرد که در برخی از کامپوزیت های پیچیده که کیفیت بسیار خوبی دارند، هزینه ساخت آن ها بسیار گران می باشد.

  •  فرآوری

 در مقایسه با فرآوری فلزات که نیازمند مقادیر بالاتری انرژی گرمایی می باشد، کامپوزیت های زمینه فلزی و پلیمری نیازمند انرژی کمتری برای شکل گیری و یا عمل آوری هستند. برخی از کامپوزیت ها در دمای پایین قابلیت فرآوری داشته و وقتی پخت می شوند دارای خواص ضربه ای بالا و مقاومت حرارتی خوبی می شوند.

مزایا و معایب کامپوزیت ها

مزایای کامپوزیت ها

  • داشتن نسبت استحکام به وزن و نسبت سفتی به وزن بالا
  • غیر خورنده، غیر مغناطیسی بودن
  • دارای خاصیت جذب انرژی مناسب
  • دارای عمر خستگی بالا (وقتی اتفاق می افتد که فلز تحت تنش تکراری یا نوسانی قرار گیرد که منجر به شکست ناگهانی قطعه می گردد. )
  • توانایی قرار دادن سنسور درون مواد جهت کنترل کارکرد درست یا نادرست کامپوزیت ( کامپوزیت های هوشمند )
  • سهولت در ساخت ساختار های با اشکال پیچیده

معایب کامپوزیت ها

  • قیمت بالای مواد خام و فرآیند ساخت
  • تافنس ( مقاومت در برابر ضربه ) پایین
  • آلایندگی محیط زیست مخصوصا در مورد کامپوزیت های زمینه پلیمری

کاربرد کامپوزیت ها

کامپوزیت ها به علت داشتن مزایا و خواص مناسب، گستره کاربردی وسیعی بین مواد پیدا کرده اند که برخی از این کاربردها در ذیل آورده شده است:

  1. مخازن سوخت و لوله ها
  2. صنایع نظامی
  3. صنایع خودرویی
  4. سازه های دریایی
  5. صنعت ساختمان
  6. تجهیزات ورزشی
  7. پزشکی

طبقه بندی کامپوزیت ها بر مبنای فاز زمینه

کامپوزیت ها بر مبنای نوع مواد زمینه به سه گروه زیر تقسیم می شوند :

۱- کامپوزیت های زمینه پلیمری

به دلیل قابلیت شکل پذیری آسان، وزن کم و خواص مکانیکی مطلوب، پلیمر به عنوان یک ماده آیده ­ال در زمینه کامپوزیت ها به شمار می رود. رایج ترین زمینه های پلیمری، رزین های اپوکسی و رزین های پلی استر هستند. از این رو رزین هایی که توانایی کار در دمای بالا را دارند به طور گسترده مورد توجه قرار دارند. چنانچه مواد زمینه از جنس پلاستیک باشد، به این کامپوزیت ها، پلاستیک های مقاوم شده نیز گفته می شود.

۲- کامپوزیت های زمینه فلزی

استحکام بالا، چقرمگی شکست و سفتی از جمله خواصی است که موجب گسترش مصارف کامپوزیت های زمینه فلزی در مقایسه با کامپوزیت های زمینه پلیمری شده است. این مواد مقاومت بیشتری در محیط های خورنده و درجه حرارت های بالا نسبت به پلیمرها دارند. بیشتر فلزات و آلیاژها می توانند به عنوان فاز زمینه در کامپوزیت ها استفاده شوند. تیتانیوم، آلومینیوم و منیزیم از جمله فلزات مرسومی هستند که عموما در  کامپوزیت های مصرفی در قطعات هواپیما به عنوان بکار می روند. چنانچه کامپوزیت زمینه فلزی با استحکام بالا مورد نیاز باشد، لازم است که از تقویت کننده هایی با مدول بالا استفاده شود. نقطه ذوب، خواص فیزیکی و شیمیایی کامپوزیت ها در دماهای مختلف، تعیین کننده دمای مناسب برای استفاده از آن ها می باشد.

۳- کامپوزیت های زمینه سرامیکی

سرامیک ها به عنوان مواد جامدی که پیوند های یونی بسیار قوی و در برخی موارد پیوند های کوالانسی دارند، شناخته می شوند. نقطه ذوب بالا، مقاومت در برابر خوردگی مناسب، پایداری در دمای بالا و استحکام فشاری خوب، باعث شده است که کامپوزیت های زمینه سرامیکی در ساختار قطعاتی که در دمای بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد کار می کنند، مورد استفاده قرار بگیرند.

مدول الاستیسیته بالا و کرنش کششی پایین در اکثر مواد سرامیکی منجر به شکست این قطعات می شود، لذا استفاده از تقویت کننده هایی که استحکام را بهبود ببخشند، لازم بنظر می رسد که بدین منظور تقویت کننده هایی با مدول الاستیسیته بالا توصیه می شود. چنانچه سرامیک زمینه ضریب انبساط حرارتی بالاتری از مواد تقویت کننده داشته باشد، این امر منجر به عدم بالا رفتن استحکام در کامپوزیت تولیدی می گردد. بنابراین در انتخاب مواد تقویت کننده در تولید این نوع کامپوزیت ها، علاوه بر مدول الاستیسیته می بایست به ضریب انبساط حرارتی نیز توجه شود.

طبقه بندی کامپوزیت ها بر مبنای فاز تقویت کنن

کامپوزیت ها براساس نوع تقویت کننده به پنج گروه تقسیم می شوند:  

۱- کامپوزیت های لایه ای

از لایه های مختلف مواد در کنار یکدیگر ساخته شده است. این لایه ها معمولا فلزی، سرامیکی و یا از پلیمرهای تقویت شده هستند که به صورت متناوب در کنار یکدیگر قرار می گیرند. سازه لایه ای را می توان بدون نیاز به فرآیندهای ساخت پیچیده تهیه و خواص جالبی از آن ها به دست آورد. به عنوان مثال برای ساخت تانک ها از سازه های لایه ای استفاده می شود.

۲- کامپوزیت های ذره ای

در این نوع کامپوزیت، فاز پراکنده شده از ذرات ریز تشکیل می شود. طیف وسیعی از ذرات برای استفاده در کامپوزیت ها کاربرد دارند ولی عمده ذرات مورد استفاده در کامپوزیت ها، ذرات اکسیدی به خصوص Al2O3 و ذرات غیراکسیدی مانند SiC، TiC، C، B و WC است. این ذرات بسیار ارزان تر از رشته ها هستند و سبب افزایش صلبیت یا مدول الاستیک ساختار می شوند. استفاده از آن ها در کامپوزیت های فلزی و پلیمری سبب بالا رفتن استحکام و کاهش چقرمگی می شوند. همچنین ماسه و پودرهای رزینی در دسته تقویت کننده های ذره ای قرار می گیرند.

۳- کامپوزیت های الیافی

فاز تقویت کننده در این مواد رشته ای شکل هستند. این دسته از تقویت کننده ها بسیار گسترده اند و صنعت کامپوزیت های پیشرفته براساس این تقویت کننده های مصنوعی الیافی است. این تقویت کننده ها به دو بخش سیم و یا رشته – لیف تقسیم می شوند؛ چنانچه این الیاف فلزی باشند به آن سیم و چنانچه سرامیکی یا پلیمری باشند به آن رشته – لیف گفته می شود.

کاربرد سیم ها به علت داشتن دانسیته زیاد محدود است. به طور کلی دو نوع سیم در صنعت بیشترین استفاده را دارد که یکی تنگستن و دیگری الیاف کوتاه فولادی اند. تنگستن استحکام و مدول الاستیک بالایی داشته و در حجم بالا در صنایع لامپ سازی مورد استفاده قرار می گیرد. الیاف فولادی بسیار ارزان و استحکام و مدول الاستیک آن در حد متوسط بوده و در لنت های ترمز با توجه به محدود شدن مصرف آزبست، استفاده می شود.

۴- کامپوزیت های ورقه ای

در این کامپوزیت، فاز پراکنده شده در زمینه از ورقه های مسطح ساخته می شود. ورقه های فلزی در زمینه پلیمری می توانند هادی جریان الکتریسیته و حرارت باشند در حالی که ورقه های میکا و شیشه در زمینه پلیمری مقاوم در برابر حرارت و نارسانا می باشند.

۵- کامپوزیت های حجمی

در این نوع از کامپوزیت ها زمینه یک فاز پیوسته است و فاز تقویت کننده به صورت یک ماده ثانویه درون آن قرار دارد. کامپوزیت های سرمتی جزء این دسته محسوب می شوند که دارای ساختار متخلخل و اسفنجی سرامیکی بوده و فلز تقویت کننده درون تخلخل های آن وارد شده است. با این کار همان خصوصیات سرامیک ها با چقرمگی بیشتر به دست می آید.

نمونه ای دیگر از کامپوزیت های حجمی در روتور موتورهای الکتریکی قابل مشاهده است. این روتور می بایست مغناطیس شود؛ جنس روتور از گرافیت بوده که ضریب اصطکاک کمی داشته و حین چرخش جریان را منتقل می کند. هدایت الکتریکی گرافیت خیلی بالا نبوده پس آن را با تخلخل درست می کنند و در آن مقداری مس یا نقره می زنند.