کامپوزیت چیست و انواع آن


شاید شما هم جزو آن دسته از افراد باشید باشید که صرفا نام “کامپوزیت” را شنیده اید و برایتان سوال باشد که کامپوزیت چیست؟ و یا کامپوزیت چه فرقی با فلزات دارد و چرا باید از کامپوزیت استفاده کنیم؟

 

تاریخچه تولید کامپوزیت ها

دوران مدرن کامپوزیت ها زمانی آغاز شد که دانشمندان پلاستیک های پلیمری را توسعه دادند. با توجه به اینکه پلاستیک ها به تنهایی نمی توانند استحکام کافی برای برخی کاربردهای ساختاری را فراهم کنند، برای ایجاد استحکام بیشتر به تقویت نیاز بود و این شروعی برای گسترش و نوآوری در صنعت کامپوزیت شد. سبک وزنی، استحکام بالا، مقاومت به خوردگی، عدم رسانایی و مقاومت در برابر حرارت باعث شده است که کامپوزیت ها به طور گسترده در کاربردهای صنعتی، سازه ای و کالاهای مصرفی از جمله عایق‌های الکتریکی، محفظه‌های رادیو و تلفن، صنایع نظامی و خودرویی و… مورد استفاده قرار گیرند.

به طور کلی نسل کامپوزیت ها را می توان به 4 بازه زمانی تقسیم بندی نمود:

نسل اول (دهه 1940): کامپوزیت های تقویت شده با الیاف شیشه

نسل دوم (دهه 1960): کامپوزیت های با کارایی بالا

نسل سوم (دهه های 1970 و 1980): جستجوی بازارهای جدید و تنوع و نوآوری برای تولید کامپوزیت های خاص

نسل چهارم (دهه 1990): کامپوزیت های هیبریدی، نانوکامپوزیت ها

در اصل تولید مواد کامپوزیتی به دوران باستان برمی گردد، زمانی که کاه و گل با هم ترکیب می شدند و آجرهای مورد استفاده در ساخت و ساز را ایجاد می کردند. این روش های آجرسازی در نقاشی های مقبره مصری نیز ثبت شده است. در سال 1200 میلادی، مغول ها اولین کمان مرکب را با استفاده از ترکیبی از چوب، استخوان و چسب حیوانی اختراع کردند. این کمان های کامپوزیتی با توجه به استحکام بالای خود به عنوان اولین تجهیزات نظامی کامپوزیتی تقویت شده شناخته می شوند. در اواخر صده 1800، پلیمریزاسیون انقلابی در شیمی و توسعه مواد ایجاد کرد و با اختراع رزین های مصنوعی و ساختار مولکولی متقاطع (کراس لینک)، مسیر برای تولید صنعتی کامپوزیت های پلیمری ایجاد شد. در سال 1935، اوونز کورنینگ اولین الیاف شیشه را معرفی کرد. محققین در آن زمان متوجه شدند هنگامی که الیاف شیشه با یک پلیمر ترکیب می شوند، ساختاری فوق العاده قوی ایجاد می شود که وزن آن نیز سبک است. این آغاز صنعت پلیمرهای تقویت شده با الیاف (FRP) بود. در سال 1936، رزین های پلی استر غیر اشباع به ثبت رسید. رزین های پلی استر غیراشباع به دلیل پخت آسان و قیمت مناسب، انتخاب اصلی رزین ها در تولید امروزی نیز هستند. در سال 1938، سایر سیستم های رزین با کارایی بالاتر مانند اپوکسی ها نیز در دسترس قرار گرفتند. جنگ جهانی دوم، جهش از تحقیقات به تولید را برای صنعت FRP تسریع کرد. توسعه و استفاده سریع از مواد کامپوزیتی که در دهه 1940 آغاز شد، سه نیروی محرکه اصلی داشت که در ادامه توضیح داده می شود:

1) در ساخت وسایل نقلیه نظامی مانند هواپیماها، هلیکوپترها و موشک‌ها استفاده از موادی با استحکام بالا و سبک اهمیت داشت. در حالی که قطعات فلزی که تا آن زمان مورد استفاده قرار گرفته بودند، از نظر خواص مکانیکی این کار را انجام می دادند اما وزن چنین قطعاتی بسیار زیاد بود.

2) صنایع پلیمری به سرعت در حال رشد بودند و برای کاربردهای مختلف، بازارهای گوناگونی در حال ظهور بودند ولی بدلیل خواص مکانیکی پایین پلیمرها، تولید پلیمرهای تقویت شده با الیاف و افزایش استحکام یک اولویت بود.

3) استحکام بسیار بالای برخی از مواد مانند الیاف شیشه، در حال کشف بود. سوال این بود که چگونه می توان از این مواد با مقاومت بالا برای رفع نیاز های ارتش استفاده کرد.

مهندسان به مرور به مزایای دیگر کامپوزیت ها فراتر از سبک وزنی و استحکام بالای کامپوزیت ها پی بردند. برای مثال، کشف شد که کامپوزیت های فایبرگلاس رسانای فرکانس های رادیویی هستند و این ماده به سرعت برای استفاده در تجهیزات رادار الکترونیکی (Radomes) به کار گرفته شد.

در پایان جنگ جهانی دوم، صنعت کامپوزیت در نوسان کامل بود. با تقاضای کمتر برای محصولات نظامی، تعدادی از مبتکران صنعت کامپوزیت تلاش می کردند کامپوزیت ها را به بازارهای دیگر معرفی کنند. قایق ها یکی از محصولات آشکاری بودند که سودمند بودند. اولین بدنه قایق های تجاری کامپوزیتی در سال 1946 معرفی شد. در آن زمان براند گلدزورثی که اغلب به عنوان “پدر صنعت کامپوزیت” شناخته می شد، بسیاری از فرآیندهای تولید و محصولات جدید، از جمله اولین تخته موج سواری فایبرگلاس را اختراع نمود که انقلابی در این ورزش ایجاد کرد. گلدزورثی همچنین فرآیند تولید پالتروژن را اختراع کرد. نوآوری در تولید با پیشرفت‌های پالتروژن، قالب‌گیری کیسه خلاء و رشته پیچی در مقیاس بزرگ ادامه یافت. در سال 1961، اولین الیاف کربن به ثبت رسید. با این حال، چندین سال طول کشید تا کامپوزیت های الیاف کربن به صورت تجاری در دسترس قرار گیرند. الیاف کربن با نسبت استحکام به وزن مناسب، کاربردهای بیشتری را برای مواد کامپوزیتی فراهم کرد. تنها پنج سال بعد، در سال 1966، یک شیمیدان شرکت دوپونت، الیاف پارا آرامید معروف به کولار را اختراع کرد که امروزه در کامپوزیت های پیشرفته ضد ضربه استفاده می شود. در دهه 1970 صنعت کامپوزیت شروع به رشد کرد. رزین های پلیمری با کارایی بالا و الیاف تقویت کننده خاص توسعه یافتند. دوپونت الیاف آرامید معروف به کولار را توسعه داد که به دلیل استحکام کششی بالا و وزن سبک به محصول انتخابی در پوشش های ضد گلوله تبدیل شد. الیاف کربن نیز در همین زمان توسعه یافت و به طور فزاینده ای جایگزین قطعاتی شده است که قبلا از فولاد ساخته شده بودند. در اواسط دهه 1990، مواد کامپوزیتی در جریان اصلی تولید و ساخت و ساز رایج تر شد. حال می توان کامپوزیت ها را به عنوان جایگزینی مقرون به صرفه برای مواد سنتی مانند فلز و پلاستیک ها دانست.

امروزه تحقیقات در زمینه کامپوزیت ها کمک های مالی فراوانی را از دولت ها، تولیدکنندگان و دانشگاه ها جذب می کند که این سرمایه‌گذاری‌ها باعث می‌شود که نوآوری تسریع شود و با نگاهی به آینده، الیاف و رزین هایی که هنوز در حال توسعه هستند، کاربردهای بیشتری را برای استفاده روزمره و تخصصی در آینده ایجاد خواهند کرد. ظهور کامپوزیت ها در حال حاضر بیشتر صنایع جهان را متحول کرده است که صنعت کامپوزیت هنوز در حال تکامل است و در سال های آینده به رشد خود ادامه خواهد داد. در سال 2015، وزارت انرژی ایالات متحده، موسسه نوآوری ساخت کامپوزیت های پیشرفته را ایجاد کرد. این سازمان یک شرکت دولتی-خصوصی 259 میلیون دلاری است که بر ساخت کامپوزیت های پیشرفته با هزینه پایین متمرکز است. همچنین بر روی آسان‌تر کردن کامپوزیت‌ها برای بازیافت و توسعه الیاف و رزین‌های جدید برای پیدا کردن کاربردهای بیشتر برای مواد کامپوزیتی تحقیق می نماید.

کامپوزیت چیست

ماده مرکب (کامپوزیت) از دو و یا چند ماده مختلف تشکیل شده است که این اجزاء از لحاظ فیزیکی و شیمیایی با هم متفاوت می باشند و بر خلاف آلیاژها، اجزای تشکیل دهنده آن ها قابل تفکیک و جداسازی می باشند. در بازار ایران به مواد کامپوزیتی به اشتباه فایبر گلاس (فایبرگلس) نیز گفته می شود.

کامپوزیت چیست

خواص قطعه کامپوزیت با خواص مواد تشکیل دهنده آن متفاوت می باشد ولی به طور کلی خواص محصول کامپوزیت نهایی (مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی و…) وابسته به اجزای تشکیل دهنده، ابعاد، شکل و نحوه قرارگیری این اجزا در کنار هم می باشد.

کامپوزیت ها از دو بخش اصلی تشکیل می شوند:

  • بخش سازه ای (تقویت کننده): شامل الیاف تشکیل دهنده می باشد که خواص مکانیکی و تحمل بار وارد شده به قطعه کامپوزیت به این بخش وابسته می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر می توانید مطلب الیاف تقویت کننده کامپوزیت را مطالعه نمایید.

  • بخش زمینه ای (ماتریکس): شامل رزین می باشد که بخش سازه ای را کنار هم قرار می دهد و علاوه بر محافظت قطعه کامپوزیتی در برابر آسیب های محیطی (دما، رطوبت، مواد شیمیایی و…)، هنگام اعمال تنش بر قطعه کامپوزیتی، این نیرو ابتدا به رزین وارد می شود و از طریق آن در نهایت به الیاف منتقل می شود. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه حتما مطلب نقش رزین ها در صنعت کامپوزیت و همه چیز درباره رزین پلی استر و وینیل استر را مطالعه نمایید.
    کامپوزیت ها از نظر خواص ناهمسانگرد (غیر ایزتروپیک) می باشد و خواص مرتبط با آن در هر جهت متفاوت می باشد که این خاصیت امکان طراحی موارد خاص را امکان پذیر می نماید.

  • در حین تولید قطعات کامپوزیتی علاوه بر دو بخش اصلی الیاف و رزین جهت دستیابی به خواص مورد نظر، انواع مواد افزودنی نیز استفاده می شود که جهت کسب اطلاعات لازم خواندن مقاله مواد افزودنی در صنعت کامپوزیت پیشنهاد می شود.

روش های تولید کامپوزیت ها

تولید محصولات کامپوزیتی با روش های مختلفی انجام می پذیرد که در مقاله روش های تولید قطعات کامپوزیتی، انواع پروسه های تولید معرفی شده است.

دسته بندی کامپوزیت ها

جهت دسته بندی کامپوزیت ها روش های مختلفی مطرح می باشد که در ادامه به تعدادی از آن اشاره می شود:

  • دسته بندی با توجه به ماده زمینه ای: کامپوزیت های زمینه پلیمری (بالغ بر 99 % بازار مواد مرکب را شامل می شود)- کامپوزیت های زمینه فلزی- کامپوزیت های زمینه سرامیکی

رزین های مورد استفاده در کامپوزیت های زمینه پلیمری شامل رزین های پلی استر، وینیل استر، اپوکسی و… می باشد.

  • دسته بندی با توجه به بخش سازه ای (الیاف): الیاف شیشه- کرین- آرامید و…
  • دسته بندی با توجه به چیدمان و آرایش الیاف: لایه ای، لیفی، ذره ای و…
  • دسته بندی با توجه به روش تولید: دستی، پالتروژن (کشش رانی)، قالب گیری فشاری، رشته پیچی، انتقال رزین  و…

جهت مطالعه بیشتر  و به زبان اصلی در مورد کامپوزیت ها می توانید همینجا کلیک کنید.

مخفف های رایج در صنعت کامپوزیت

FRP: Fiber Reinforced Polymer/Plastic
پلیمرهای تقویت شده با الیاف: به طور کلی به کلیه موادهای کامپوزیتی زمینه پلیمری FRP گفته می شود.
PMC: Polymer matrix composite
کامپوزیت های زمینه پلیمری: کامپوزیت ها با توجه به بخش زمینه (ماتریکس) به انواع مختلفی تقسیم بندی می شوند و در صورتی که قسمت زمینه ای از مواد پلیمری ساخته شده باشد به آن PMC گفته می شود که در اصل از لحاظ کاربردی و عملی همان FRP می باشد.(این اصطلاح در صنعت رایج نمی باشد و کامپوزیت های زمینه پلیمری با اصطلاح FRP شناخته می شود)

GRP: Glass Reinforced Polymer/Plastic
GFRP: Glass fiber Reinforced Polymer/Plastic
در صورتی که الیاف تشکیل دهنده کامپوزیت ها از نوع شیشه (Glass) باشد، کامپوزیت های تولید شده با عنوان GRP یا GFRP شناخته می شود.در اصل GRP  زیر مجموعه ای از FRP ها می باشد.

در صورتی که رزین های تشکیل دهنده مواد کامپوزیتی از نوع وینیل استر (Vinyl ester) باشد از حرف V استفاده می شود
GRV: Glass Reinforced Vinyl ester
GFRV: Glass fiber Reinforced Vinyl ester
کامپوزیت های زمینه پلیمری که با الیاف شیشه و رزین وینیل استر ساخته شده است (این اصطلاح بیشتر برای لوله کامپوزیتی تولید شده به روش رشته پیچی کاربرد دارد.)

در صورتی که رزین های تشکیل دهنده مواد کامپوزیتی از نوع اپوکسی (Epoxy) باشد از حرف E  استفاده می شود.
GRE: Glass Reinforced Epoxy
GFRE: Glass fiber Reinforced Epoxy
کامپوزیت های زمینه پلیمری که با الیاف شیشه و رزین اپوکسی ساخته شده است.

توجه: اکثر قطعات کامپوزیتی مورد استفاده در صنایع از رزین پلی استر (polyester) ساخته می شود و در صورتی که در مخفف کلمات از وینیل استر (V) و یا اپوکسی (E) استفاده نگردد. رزین استفاده شده پلی استر (P) می باشد.

در صورتی که الیاف تشکیل دهنده مواد کامپوزیتی از نوع الیاف کربن (Carbon fiber) باشد از حرف C و نیز الیاف آرامید (Aramid fiber) از A استفاده می شود.
CRP: Carbon Reinforced Polymer/Plastic
CFRP: Carbon fiber Reinforced Polymer/Plastic
ARP: Aramid Reinforced Polymer/Plastic
AFRP: Aramid fiber Reinforced Polymer/Plastic

الیاف تشکیل دهنده مواد کامپوزیتی

در ضمن جهت مطالعه خواص و قیمت انواع محصولات کامپوزیتی همانند ورق فایبرگلاس (ایرانیت فایبرگلاس)، گریتینگ کامپوزیتی، انواع قوطی کامپوزیتی، نبشی فایبرگلاس، ناودانی کامپوزیتی، تیر کامپوزیتی، لوله فایبرگلاس، تسمه کامپوزیتی، میله پلیمری، مفتول کامپوزیتی، سینی و نردبان کابل و… لطفا بر روی محصول مورد نظر کلیک نمایید.

امیدواریم با خواندن این مقاله ادرباره اینکه کامپوزیت چیست، اطلاعات مفیدی کسب کرده باشید.

اشتراک در
اطلاع از
1 دیدگاه
بازخورد (Feedback) های اینلاین
View all comments
علی مولایی

مطالب تون عالین! هر وقت دنبال یه مطلب خوب در مورد کامپوزیت میگردم مستقیم میام سایت شما.