کامپوزیت چیست؛ تعریف، خواص، انواع و کاربردها

کامپوزیت چیست و در چه مواردی استفاده می شود؟ روش های سنتز مواد کامپوزیتی شامل چه مواردی است و از چه مواد اولیه ای برای این کار استفاده می کنند؟ کامپوزیت ها در چه صنایعی کاربرد دارند و مهم ترین خواص و ویژگی های آنها چیست؟….

کامپوزیت ها نمادی از فناوری پیشرفته هستند؛ از قایق های تفریحی مسابقه ای گرفته تا هواپیما، تخته اسکی و پروتزهای دندانی، همه از مواد کامپوزیتی تشکیل شده اند. آنها نمادی از توسعه فناوری هستند. در واقع، کامپوزیت های مدرن، بیان جدید از مواد و تکنیک های باستانی هستند.

قوم بین النهرینی در ۳۴۰۰ سال قبل از میلاد، نوارهای چوب را با چسب های ابتدایی خود، جهت دانه بندی متناوب و ساختن سازه های چوبی محکم به کار می بردند؛ و مصریان در ۲۰۰۰ سال قبل از میلاد، با چسباندن نوارهای پاپیروس با گچ یا رزین، ماسک های مرگ می ساختند. این مقاله تخصصی و جامع، در مورد مواد کامپوزیتی، خواص، انواع و کاربردهای آنها بحث خواهد کرد.

ماده کامپوزیت چیست؟

What Is a Composite Material?

یک ماده کامپوزیت از دو یا چند ماده با خواص شیمیایی و فیزیکی متفاوت تشکیل شده است. یک ماده کامپوزیتی برای بهبود خواص مواد اولیه، تولید می شود. کامپوزیت ها مزایای قابل توجهی را ارائه می دهند. بیشتر کامپوزیت های ساخته شده توسط انسان، الیاف کششی و انعطاف پذیر را با یک ماتریس زمینه ترکیب می کنند که الیاف را به ساختاری سفت و سخت تبدیل نموده، تا مقاومت فشاری مواد ماتریس را به دست آورد. نتیجه کار، سنتز یک ماده ترکیبی است که از استحکام کششی تقویت کننده الیاف، مقاومت فشاری ماتریس و استحکام خمشی حاصل از آن بهره می برد، تا ماده ای قوی، سخت، سفت و مقاوم در برابر خمش را ایجاد کند.

بیشتر بخوانید: انواع مواد شیمیایی صنعتی

مواد کامپوزیت از چه ساخته شده است؟

What Is Composite Material Made Of?

مواد کامپوزیتی دو (یا چند) ماده مختلف را با هم ادغام می‌کنند تا نتیجه‌ای حاصل شود که خواص سودمند اجزای تشکیل دهنده را بروز دهد. به طور معمول، مواد اولیه زمینه، به عنوان ماتریس نامیده می شوند که عامل پیوند هستند. ماده تقویت کننده که عموماً الیاف است. به طور معمول، مواد ماتریس، پلیمری هستند، اگرچه می توانند سرامیک و فلز نیز باشند. تقویت‌کننده معمولاً فیبری است که از کربن، شیشه یا الیاف / فیلامنت ها / شیشه یا Kevlar تشکیل شده است؛ اگرچه الیاف طبیعی اغلب در کامپوزیت‌ها ادغام می‌شوند.

مواد کامپوزیت چگونه ساخته می شوند؟

How Are Composite Materials Manufactured?

روش های ساخت مواد کامپوزیتی بسیار متفاوت است. مواد اصلی که معمولاً به عنوان کامپوزیت توصیف می شوند، شامل شیشه، کربن و الیاف Kevlar هستند که با رزین ها به هم چسبیده اند. در مورد فیبر کربن، رشته ها از قبل، با یک پلی استر فعال شده با حرارت، وینیل استر، پلی اورتان یا رزین اپوکسی (prepreg) آغشته می شوند. ورقه های منعطف پارچه بافته شده (roving)، روی یا داخل قالب گذاشته و تحت فشار قرار می گیرند. سپس آنها را گرم می کنند تا رزین را فعال نموده تا ابتدا مایع شود، تمام الیاف خیس می شود، سپس به ماده ای سخت و سفت تبدیل می شود.

می توان با ابزاری مناسب، الیاف را تحت فشار قرار داد. همچنین کیسه‌های خلاء می‌توانند فشار مورد نیاز را وارد کنند. روش سوم از یک فشار الاستیک استفاده می کند؛ از فشار هوا برای فشردن و شکل دهی استفاده می شود. نتیجه نهایی، پس از عمل آوری رزین، یک قطعه کامل شده است که از فرم قالب پیروی می کند، و یک ماده سفت و سخت که از بهترین ویژگی های دو جزء بهره می برد.

روش های مشابهی برای تقویت کننده های شیشه و Kevlar استفاده می شود. سپس ساختار تکمیل شده در دمای اتاق، یا در یک سطح پخته می شود و به عنوان یک قطعه یا محصول نهایی از قالب خارج می شود.

کامپوزیت های پلیمری و نانوکامپوزیت ها از نظر ماهیت، بسیار مشابه هستند. این دسته از مواد نوظهور، به فرآیندهای دیگری غیر از کامپوزیت های فیبر کربن و GRP (پلاستیک تقویت شده با شیشه) که معروف تر هستند، نیاز دارند. اینکه نتیجه نهایی یک نانوکامپوزیت باشد، یا یک کامپوزیت ماکرو، تنها به مقیاس ماده افزودنی – رشته های ماکرو یا نانو مواد بستگی دارد.

در هر دو مورد، روش تولید اساساً یکسان است. مواد تقویت کننده به عنوان یک افزودنی در نظر گرفته می شود و در اولین تولید، گرانول ها با پلیمر، پیش مخلوط می شود. قطعات قالب‌گیری شده دارای تقویت ‌کننده ‌هایی هستند که به طور مساوی در سرتاسر ماتریس توزیع شده‌اند.

بیشتر بخوانید: آنچه باید درباره باران اسیدی بدانید

خواص مواد کامپوزیت چیست؟

What Are the Properties of Composite Materials?

خواص کامپوزیت ها به تعداد متنوع موادی که در این طبقه بندی گسترده قرار می گیرند بستگی دارد. در شرایط ایده آل، خواص حاصل از کامپوزیت ها عبارتند از:

• نسبت استحکام به وزن بالا
• مقاوم در برابر ضربه
• پایداری شیمیایی و محیطی

خواص شیمیایی مواد کامپوزیت چیست؟

What Are the Chemical Properties of Composite Materials?

کامپوزیت ها اغلب با یک ماتریس سخت، رزین اپوکسی یا یک ماتریس سست تر، اما همچنان سخت تر از یک پلیمر ترموپلاستیک ساخته می شوند. این جزء به طور کلی خواص شیمیایی اولیه زیر را به ماده حاصل می بخشد:

• پایداری شیمیایی بسیار بالا
• انعطاف پذیری در محیط
• بسیار مقاوم در برابر خوردگی و محیط زیست
• رسانایی الکتریکی و حرارتی بهبود یافته توسط مواد افزودنی مناسب و مواد تقویت کننده
• مقاومت بالا در برابر شعله

خواص فیزیکی مواد کامپوزیت چیست؟

What Are the Physical Properties of Composite Materials?

برخی از خواص فیزیکی کامپوزیت ها عبارتند از:

• استحکام کششی بالا، در اکثر وجود مواد تقویت کننده در فرآیند تولید
• مقاومت فشاری زیاد
• استحکام خمشی خوب؛ بدون شکستگی
• هدایت الکتریکی یا حرارتی خوب
• مقاومت در برابر سایش
• کاهش وزن / چگالی
• خواص مغناطیسی عالی
• خواص نوری
• پایداری در برابر شوک
• مقاومت در برابر خستگی و خزش

کامپوزیت چه تفاوتی با پلاستیک دارد؟

How Does Composite Differ From Plastics?

قطعات پلاستیکی معمولاً توسط فرآیند تزریق یک پلیمر یا گاهی اوقات یک فرآیند دو مرحله‌ای ساخته می‌شوند، که لاستیک را برای کاربردهای خاص، مانند مهر و موم، قالبگیری می‌کند. ساخت آنها نسبتاً آسان است و عموماً شامل یک عملیات تک مرحله ای می باشد.

از سوی دیگر، کامپوزیت ها همیشه دو یا چند ماده پردازش شده هستند و خواص بهتری نسبت به تک تک اجزای اولیه خود دارند. همچنین به طور ذاتی، فرآیند تولید پیچیده تری دارند. کامپوزیت ها معمولاً به برخی فرآیندهای تنظیم دستی نیاز دارند و از نظر کار، نسبت به خروجی عملیات قالب گیری ساده و خودکار، بسیار گرانتر تمام می شوند. کامپوزیت ها به طور ذاتی، قوی تر از قطعات پلاستیکی هستند. این ویژگی اجازه می دهد تا قطعات کامپوزیتی در مقایسه با یک قطعه پلاستیکی مشابه، استحکام بالاتر و وزن کمتری داشته باشد.

قطعات پلاستیکی، در اکثر موارد، در شکل و اندازه، نامحدود هستند. قطعات کامپوزیتی، به ندرت برای اجزای بسیار کوچک استفاده می شوند، اما گاهی کامپوزیت ها می توانند بسیار بزرگ باشند، اما از نظر پیچیدگی شکل و جزئیات، بسیار محدود هستند. به طور کلی، پلاستیک ها برای کاربردهای ارزان تر و در حجم زیاد استفاده می شوند، در حالی که کامپوزیت ها به طور قابل توجهی گران تر هستند و برای کارهای با ارزش تر و در حجم پایین مورد استفاده قرار می گیرند.

بیشتر بخوانید: اهمیت نگارش مقاله ISI شیمی در تضمین آینده تحصیلی و کاری

انواع مختلف مواد کامپوزیت چیست؟

What Are Different Types of Composite Material?

۱- نانوکامپوزیت ها (Nanocomposites)

نانوکامپوزیت ها موادی ساخته دست بشر هستند و البته برخی از آنها به طور طبیعی وجود دارند.

تقویت کننده در تولید این مواد، عموماً یک ماده نانو، مانند نانولوله های کربنی یا گرافن است که به ماتریس پلیمری اضافه می شود؛ یا نانوذرات سیلیکونی که برای القای رشد کریستال های ریز به فولاد اضافه می شود. در برخی از کاربردها، کربنات کلسیم یا تالک نیز می تواند در سفت تر و قوی تر کردن پلیمرها موثر باشد.

نانوکامپوزیت های معمولی از افزودنی های نانومواد برای ایجاد خواصی نظیر استحکام، سفتی، هدایت الکتریکی یا حرارتی به ماتریس پلیمری بهره می گیرند. نمونه‌های نانوکامپوزیت طبیعی، استخوان و پوسته هستند. نانومواد در برخی موارد خطرات قابل توجهی را برای سلامتی نشان می دهند، بنابراین ساخت این مواد می تواند چالش برانگیز باشد.

۲- کامپوزیت های ماتریس فلزی (MMC)

MMC ها (Metal Matrix Composites) از یک ماتریس فلزی مانند آلومینیوم یا منیزیم و یک تقویت کننده فیبر با مقاومت بالا به شکل ذرات یا تارها استفاده می کنند. تقویت کننده ها عموماً فیبر کربن یا ذرات کاربید سیلیکون هستند. این مواد، ویژگی‌های منحصربه‌فردی را ایجاد می‌کنند که فراتر از محدودیت‌های اجزای اصلی فلز است، از جمله: افزایش استحکام و سختی، مقاومت در برابر دمای بالا، بهبود مقاومت در برابر سایش و کاهش ضریب انبساط حرارتی.

ترکیبات MMC در صنایع هوا-فضا و خودروسازی استفاده می شوند که استحکام بالا و وزن کم را تأمین کنند. این مواد همچنین در تولید لوازم الکترونیکی، تجهیزات پزشکی و کالاهای ورزشی استفاده می شوند. پردازش MMC ها نسبت به سایر انواع دسته های کامپوزیت، چالش برانگیزتر است، زیرا دماهای بالا و مشکلات توزیع یکنواخت تقویت کننده، مسئله ای چالش برانگیز است.

۳- کامپوزیت های ماتریس پلیمری (PMC)

PMC ها یا Polymer Matrix Composites، رایج ترین و قابل درک ترین اشکال مواد کامپوزیتی هستند. این اصطلاح، شامل چیدمان کنترل شده بستر فیبر کربن و الیاف شیشه و اپوکسی ‌ها، تزریقی یا از پیش آغشته ‌شده و رزین‌های پلی استر است که ماتریکس را تشکیل می‌دهند.

این مواد مزایای مختلفی دارند؛ از جمله: سفتی و استحکام بالا (در مقایسه با وزن قطعه)، انعطاف پذیری حرارتی، شیمیایی و مکانیکی عالی و مقاومت در برابر سایش. از سوی دیگر، تولید PMC به نیروی کار بسیار ماهر نیاز دارد، که منجر به هزینه‌های بالاتر می‌شود، اگرچه این هزینه‌ها اغلب برای کاربردهای بسیار مهم که به نتیجه‌ای با قدرت بالا اهمیت می دهند، بیش از حد گران نیست.

PMC ها به طور گسترده در صنایع هوا-فضا، خودروسازی، صنایع دریایی و کالاهای ورزشی استفاده می شوند و از وزن سبک، استحکام بالا و سختی بهره برده اند. تولید PMC ها شامل روش های مونتاژی، مانند تنظیم دستی و سیم پیچی رشته ای است؛ این فرآیندها بسیار کندتر انجام می گیرد. برای دستیابی به خواص ایده آل مواد، کنترل دقیق فرآیند پخت، مورد نیاز است.

۴- پلیمرهای تقویت شده با الیاف شیشه (GFRPs)

GFRP ها یا Glass Fiber Reinforced Polymers ، زیرمجموعه ای از کامپوزیت های ماتریس پلیمری هستند که مخصوص مواد فیبر شیشه ای پیوند شده با اپوکسی و پلی استر طراحی شده اند. الیاف شیشه به صورت رشته های خرد شده است، و با جهت گیری مخلوط الیاف، درجه ای از استحکام ناهمسانگرد به ساختارها القا می شود.

عنصر تقویت ‌کننده می‌تواند شامل چرخاندن رشته ‌های خرد شده (یا پارچه) باشد، که فرآیند منظم‌تری را ایجاد می‌کند، اما برای اجزای حجیم، مناسب‌ نیست؛ زیرا الیاف، همه در یک صفحه قرار می‌گیرند.

۵- کامپوزیت های هیبریدی (Hybrid Composites)

کامپوزیت های هیبریدی موادی هستند که در آنها، دو یا چند الیاف تقویت کننده مختلف در ماده نهایی ادغام می شوند. این کامپوزیت ها می تواند ترکیبی از شیشه و فیبر کربن در یک لایه – به دلیل مقاومت در برابر ضربه، یا دلایل زیبایی ارائه شود.

استفاده از مِش یا رشته های تیتانیوم در ساخت راکت برای ورزش های توپی، برای بهبود عملکرد کششی و خمشی، امری رایج است. این مواد می توانند کمی چالش برانگیز باشند، زیرا مسائل مربوط به سازگاری می تواند بر رفتار ماده تأثیر بگذارد. برای مثال، یک فیبر ممکن است بهتر از فیبر دیگری به ماتریس متصل شود. برای تأیید ارزش یا امکان‌سنجی ماتریس هیبریدی، آزمایش مهمی باید انجام بگیرد.

۶- کامپوزیت های ماتریس سرامیکی (CMCs)

CMC ها یا Ceramic Matrix Composites، از یک ماتریس سرامیکی و الیاف تقویت کننده تشکیل شده اند. ماتریس سرامیکی، دارای مقاومت عالی در برابر حرارت و خوردگی شدید است و خواص ضد سایشی خوب را فراهم می کند. اما سرامیک ها به طور کلی وقتی تقویت نمی شوند، شکننده هستند. افزودن کاربید سیلیکون، آلومینا یا الیاف کربن می تواند با شکنندگی این مواد مقابله کند تا از آنها، مواد قابل استفاده تری بسازد.

CMC ها برای ساخت پره های توربین گاز، قطعات تخصصی موشک/هوا فضا و مبدل های حرارتی استفاده می شوند. CMC ها بسیار پرهزینه هستند و بسیار شکننده اند که استفاده از آنها را محدود می سازد. با این حال، این یک زمینه رو به رشد برای تحقیقات قوی است و خواص آنها در حال بهبود می باشد.

۷- کامپوزیت های الیاف طبیعی (NFC) یا Natural Fiber Composites

روند رو به رشد تولید انواع کامپوزیت ها، به سمت استفاده از الیاف طبیعی وجود دارد تا اثرات زیست محیطی استفاده از مواد را کاهش دهد. الیاف طبیعی مانند کتان، پنبه و چوب، به روش های مختلفی استفاده می شوند. پانل‌های داخلی خودرو معمولاً از الیاف طبیعی متصل به رزین ساخته می‌شوند که به شکل فشرده، قالب‌گیری شده و سپس برای روکش نهایی، با پلاستیک یا چرم روکش می‌شوند.

الیاف چوب، برای رشته های نمونه سازی سریع FDM/FFF به پلیمرها اضافه می شود تا استحکام را بهبود ببخشد و جلوه ظاهری چوب را ایجاد کند. در تخته های اسکیت بورد، از تقویت کننده الیاف طبیعی، در یک ماتریس از جنس رزین پلی استر استفاده شده است.

۸- پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRPs)

CFRP ها یا Carbon Fiber Reinforced Polymers، زیرمجموعه دیگری از کامپوزیت های زمینه پلیمری هستند که با الیاف کربن دارای پیوندهای اپوکسی و پلی استر، ویژه شده اند.

۹- پلیمرهای تقویت شده با الیاف آرامید (AFRPs)

AFRP ها یا Aramid Fiber Reinforced Polymers، زیر مجموعه دیگری از کامپوزیت های زمینه پلیمری هستند که از آرامید به عنوان تقویت کننده استفاده می کنند. کامپوزیت های فیبر آرامید در کاربردهایی با بیشترین تاثیر مورد استفاده هستند.

آرامید به طور کلی به شکل پارچه های بافته شده ای استفاده می شود که از قبل با رزین های اپوکسی و پلی استر مناسب، آغشته شده اند تا بر اساس فیبر کربن/شیشه، پردازش شوند. یکی دیگر از کامپوزیت‌های تقویت ‌شده آرامید، مواد لانه زنبوری کاغذ/آرامید است که در پانل‌های کف‌پوش در هوانوردی استفاده می‌شود –، این کامپوزیت هیبریدی معمولی با ارزش بالا، به صورت لایه‌بندی شده با ورق ‌های آلومینیومی و پیوند شده با اپوکسی است.

۱۰- کامپوزیت های درجه بندی شده عملکردی (FGC)

FGC ها یا Functionally Graded Composites اساساً زیر مجموعه ای از هر نوع کامپوزیت هستند. در این مواد کامپوزیتی، برخی از اصلاحات اصلی صورت گرفته است.

این نوع کامپوزیت ها برای ساخت قطعات هواپیماها و فضاپیماهای سبکتر و انعطاف پذیرتر مانند پره های توربین و نازل موشک استفاده می شوند. دستگاه‌های زیست ‌پزشکی و ایمپلنت‌ها، ویژگی‌های متنوعی دارند، که بر اساس تعاملات بافت مورد نظر در کامپوزیت، طبقه بندی می شوند.

بیشتر بخوانید: تعرفه تحقیق دانشجویی شیمی چقدر است؟

چه نوع مواد کامپوزیتی برای پرینتر سه بعدی استفاده می شود؟

What Type of Composite Material Is Used for ۳D Printing?

طیف وسیعی از مواد افزودنی در مواد مختلف پلیمری پرینتر سه بعدی معرفی شده است. مواد حاصل دارای خواصی مانند استحکام کششی، مقاومت خمشی، سختی و مقاومت در برابر سایش و غیره هستند. نمونه هایی از کامپوزیت های پرینتر سه بعدی عبارتند از:

• کربن
• شیشه
• کولار
• الیاف چوب
• فیبر کربن

مزایای استفاده از مواد کامپوزیت در پرینترهای سه بعدی چیست؟

What Are the Advantages of Using Composite Materials in ۳D Printing?

افزودنی های فیبر و فلز در مواد پرینتر سه بعدی، برخی از مزایای بالقوه را ارائه می دهند. این موارد در زیر ذکر شده است:

• افزایش استحکام و سفتی، همراه با وزن سبک
• بادوام تر از مواد ماتریس و عملکرد خوب در دماهای بالاتر
• افزایش رسانایی الکتریکی

معایب استفاده از مواد کامپوزیت در پرینت سه بعدی چیست؟

What Are the Disadvantages of Using Composite Materials in ۳D Printing?

چالش هایی در استفاده از کامپوزیت ها برای برخی از فرآیندهای چاپ سه بعدی وجود دارد که در زیر ذکر شده است:

• چالش های پردازش مواد
• عدم تنوع در مواد اولیه و در دسترس بودن آنها
• گرانتر بودن مواد کامپوزیتی چاپگر

کدام انواع مواد کامپوزیتی، انعطاف پذیرتر هستند؟

تحقیقات مداومی در مورد مواد ماتریس منیزیم دار، با خاصیت انعطاف پذیری انجام می شود که نشان داده اند ایجاد این ویژگی، با استفاده از تقویت کننده تیتانیوم امکان پذیر است.

چه نوع ماده کامپوزیتی شکننده تر است؟

سرامیک ها ذاتاً شکننده هستند و کامپوزیت های سرامیکی فقط به میزان اندک، این ویژگی را کاهش می دهند. پره های توربین سرامیکی، عملکرد حرارتی بالایی دارند اما به ندرت، انعطاف پذیری خوبی در برابر ضربه از خود نشان می دهند.

نمونه هایی از مواد کامپوزیت چیست؟

What Are Examples of Composite Materials?

صدها ماده کامپوزیت در محیط اطراف ما در زندگی و صنعت وجود دارند. مهم ترین آنها عبارتند از:

• رزین پلی استر تقویت شده با شیشه
• فیبر کربن با پیوند اپوکسی
• تخته سه لایی در تمام اشکال آن
• فرو بتن
• ABS، PEEK، نایلون تقویت شده با شیشه
• AeroBASE
• پلاستیک بر روی یک ساختار فلزی برای تأمین راحتی و زیبایی

کاربردهای مختلف مواد کامپوزیت چیست؟

What Are the Different Applications of Composite Materials?

• موتور سیکلت، کایاک، بدنه قایق، و پوسته هواپیما
• فیبر کربن با پیوند اپوکسی در میله های ماهیگیری
• تخته سه لایی برای ساخت و ساز
• فرو بتن برای ساخت و ساز
• پلاستیک تقویت شده با شیشه برای قالب گیری با استحکام بالا
• کفپوش هواپیما، پانل لانه زنبوری کاغذی، بین دو ورقه آلومینیومی
• فریم های عینک

چگونه از مواد کامپوزیت در چاپ سه بعدی در صنعت هوافضا استفاده می شود؟

How Are Composite Materials Used in ۳D Printing in the Aerospace Industry?

صنعت هوا-فضا همیشه به دنبال استحکام بالاتر و وزن کمتر بوده است. توانایی تولید مستقیم قطعات با فیبر کربنی، یا الیاف رشته ای پیوسته داخلی، برای دستیابی به سطوح مقاومت بالا، تولید قطعات کم حجم با پیچیدگی نامحدود، فرصت هایی را فراهم می کند.

این یک حوزه آزمایشی است که هنوز به طور گسترده برای ساخت قطعات تولید شده قابل پرواز، توسعه نیافته است.

جمع بندی و نتیجه گیری

در این مقاله، نگاه کاملی به انواع مواد کامپوزیتی داشتیم و به کاربردهای مختلف آنها اشاره ای کردیم. امیدواریم توانسته باشیم که کمی بر دانش شما بیافزاییم.