آشنایی با کامپوزیت و انواع آن
مواد کامپوزیتی، در تکنولوژی های امروزی نقش بسزایی دارند و زندگی روزمره را تحت تأثیر قرار می دهند. کامپوزیت قابل بازیافت است و مواد دور ریز ندارد. کامپوزیت ها، از دو یا چند ماده با خاصیت های شیمیایی و فیزیکی مختلفی تشکیل می شوند که به آن ها مقاومت، استحکام بالا و درخشش می بخشند. کامپوزیت ها در انواع زمینه فلزی، سرامیکی، کربنی و پلیمری در بازار عرضه می شوند که در این مطلب به توضیح آن ها می پردازیم.
- تاریخچه استفاده از کامپوزیت
هزاران سال است که بشر از کامپوزیت ها استفاده کرده است. ۳۴۰۰ سال قبل از میلاد، اولین بار کامپوزیت به شکل سنتی، توسط ساکنان بین النهرین در عراق ساخته شد.آن ها نوارهای چوبی را در زوایای مختلف روی هم می چسباندند تا تخته سه لا ایجاد شود. پس از آن، در حدود ۲۱۸۱ قبل از میلاد، مصریان شروع به ساختن پاپیروس آغشته به گچ کردند.
پس از انقلاب صنعتی، در دهه ۱۹۰۰، دانش جدید در مورد مواد شیمیایی، منجر به ایجاد پلاستیک های مختلف مانند پلی استر، فنولیک و وینیل شد. پیشرفت کامپوزیت ها در دهه ۱۹۳۰ آغاز شد. الیاف شیشه اولین بار توسط Owens Corning معرفی شد. رزین های مهندسی شده در این دوره تا به امروز مورد استفاده قرار می گیرند. در سال ۱۹۳۶، رزین های پلی استر غیر اشباع به ثبت رسید و دو سال بعد، سیستم های رزین با کارایی بالاتر در دسترس قرار گرفتند.
- ماده کامپوزیت چیست؟
کامپوزیت از دو یا چند ماده مختلف ساخته می شود که هرکدام از آن ها خواص منحصر به فردی را به کامپوزیت می بخشند. انسان ها هزاران سال است که برای ساختن بسیاری از تجهیزات، از پناهگاه های ساده گرفته تا وسایل الکترونیکی پیچیده، از کامپوزیت استفاده می کنند، در حالی که اولین کامپوزیت ها از مواد طبیعی مانند گل و کاه ساخته می شدند. کامپوزیت های امروزی را در آزمایشگاه از مواد مصنوعی می سازند. دلیل به کار گیری آن ها نسبت به سایر مواد این است که خواص زیادی دارند و در بسیاری از موقعیت ها قابل استفاده هستند.
- تفاوت کامپوزیت و آلیاژ چیست؟
آلیاژ و کامپوزیت شباهت ها و تفاوت های زیادی با یکدیگر دارند؛ اما امروزه با پیشرفت تکنولوژی، کامپوزیت ها از محبوبیت بالاتری برخوردارند. در ادامه به برخی از تفاوت های این دو محصول اشاره می کنیم.
- برای تولید آلیاژها فقط از فلزات استفاده می شود در حالی که در ساخت کامپوزیت از عناصر غیر فلز نیز استفاده می کنند.
- برای جدا کردن مصالح کامپوزیت از روش فیزیکی اما برای جداسازی آلیاژ از روش شیمیایی استفاده می شود.
- کامپوزیت‌ها فقط در دسته محصولات نا همگن قرار می گیرند.
- معمولا کامپوزیت ها نارسانا هستند یا رسانایی کمی دارند؛ اما آلیاژ ها ضریب انتقال الکتریسته بالایی دارند.
- آلیاژها دماهای ذوب مختلفی دارند در حالی که کامپوزیت‌ها در نقاط معینی به جوش و ذوب می رسند.
- اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت ها
به طور کلی، یک ماده کامپوزیت از اجزای زیر تشکیل میشود:
- تقویت‌کننده
تنوع تقویت کننده ها زیاد است و هر کدام نیز کاربردهای خاصی دارند. الیاف ها رایج ترین مواد تقویت کننده هستند که بر ویژگی‌های مکانیکی مواد کامپوزیتی اثر گذار می باشند. دلیل این تأثیر گذاری، نسبت بالای طول به قطر الیاف می باشد که باعث ایجاد تنش برشی موثر شده و همچنین قابلیت پردازش و ساخت و ساز قطعات کامپوزیت به شکل های مختلف را ارتقا می دهد. از مهم ترین الیاف کامپوزیتی می توان شیشه، کربن و آرامید را نام برد.
- ماتریس (زمینه)
ماتریس‌ها به عنوان فاز پیوسته، یک متصل کننده برای تقویت کننده ها هستند. تقویت کننده ها، مانع از حرکت الیاف می‌شوند و کامپوزیت را در برابر آسیب های محیطی و فیزیکی مقاوم می‌سازند. ماتریس ها در یک موقعیت قرار می‌گیرند و تقویت کننده ها را ثابت نگه می دارند.
- فاز میانی
لایه ای فشرده شده از ماتریس که در سطح تقویت کننده تشکیل می گردد، فاز میانی نام دارد که یک رابط میان ماتریکس و تقویت کنند است.
- انواع کامپوزیت ها
با توجه به نوع ماتریس، کامپوزیت ها عمدتا در چهار گروه جای می گیرند:
- کامپوزیت های با زمینه فلزی (MMC): این نوع کامپوزیت دارای زمینه فلزی می باشد که به شدت مقاومت را بالا می برد. در این نوع کامپوزیت از فلزاتی مانند آلومنیوم و الیافی مانند کربن، کاربید، سیلیکون و غیره استفاده می شود.
- کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC): این سرامیک ها بهتر از سرامیک های معمولی هستند زیرا در برابر شوک حرارتی و شکستگی مقاومند.
- کامپوزیت های چوب پلاستیک (WPC ): این نوع کامپوزیت با الیاف چوب یا ترموپلاستیک های بازیافتی و پس مانده های کشاورزی ساخته می شود که بسیار با محیط زیست سازگار است. کامپوزیت چوب پلاستیک بسیار سبک بوده و از مقاومت بالایی برخوردار است.
- کامپوزیت های زمینه پلیمری (PMCs): این نوع از کامپوزیت در مقایسه با سایر کامپوزیت ها از محبوبیت بالایی برخوردار است زیرا خواص مکانیکی مناسبی دارد. کامپوزیت های زمینه پلیمری با تقویت کننده هایی از جنس بور، کربن و گرافیت و زمینه آن ها نیز از مواد گرما نرم، اپوکسی و مواد گرما سخت تولید می شود.
- کامپوزیت های کربن/کربن (CCs): تقویت کنندهای کامپوزیت های کربنی، شامل فیبرهای سه بعدی کربن هستند. به همین خاطر این نوع کامپوزیت، در دمای بسیار بالا و تحت شوک حرارتی، مقاومت زیادی دارد. از کاربردهای کامپوزیت های کربنی می توان به استفاده از آن ها در صنایع موشکی و نظامی اشاره کرد.
خواص مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی کامپوزیت‌ها
- مقاومت در برابر خوردگی
- عایق حرارتی، مقاومت ویژه و مدول ویژه بالا
- مقاومت زیاد در برابر خستگی و شکستگی
- میرایی خوب
- چگالی پایین
- تولید، مونتاژ قطعات و عیب یابی آسان
- ضریب انبساط حرارتی پایین
- نتیجه گیری
کامپوزیت های تولید شده از عناصر مختلف، خواص شیمیایی و مکانیکی متفاوتی دارند. از ویژگی های کامپوزیت می توان به استحکام بالا و وزن سبک اشاره کرد. از انواع مختلف کامپوزیت ها می توان کامپوزیت های زمینه پلیمری، کربنی، فلزی و سرامیکی را نام برد. کامپوزیت ها تفاوت های بسیاری با آلیاژها دارند. برای مثال برای جدا کردن آلیاژها باید از واکنش های شیمیایی کمک گرفت، در حالی که برای جدا کردن مواد کامپوزیت ها، از واکنش های فیزیکی استفاده می شود. همچنین آلیاژها دماهای ذوب مختلفی دارند، در حالی که کامپوزیت‌ها در نقاط معینی به جوش و ذوب می رسند.
مواد کامپوزیتی، از زمان ساخت اولین سازه‌ها گرفته تا کمک به پیشرفت تکنولوژی‌های امروزی، نقش مهمی در تاریخ بشر داشته‌اند. کامپوزیت‌ها زندگی روزمره ما را تحت تاثیر قرار داده‌اند. جالب است بدانید که این مواد دورریز ندارند! مثلا در یک کارخانه خودروسازی، می‌توان قطعات کامپوزیتی غیرقابل استفاده را آسیاب کرده و به عنوان پرکننده و تقویت‌کننده بتن، به کار برد. مصالح ساختمانی، کاربردهای پزشکی، صنایع نفت و گاز، هوافضا، حمل و نقل، ورزش و... در تمام این بخش‌ها، کاربرد محصولات کامپوزیتی غیرقابل چشم‌پوشی است. کشتی‌ها‌ی فضایی، بدون وجود کامپوزیت، احتمالا هیچوقت از زمین خارج نمی‌شدند! اگر می‌خواهید با این مواد شگفت‌انگیز بیشتر آشنا شده و به دلایل اهمیت و پراستفاده بودن آنها پی ببرید، مطالعه این مقاله راه مناسبی است.
کامپوزیت متشکل از دو یا چند ماده با خواص فیزیکی و شیمیایی نسبتا متفاوت است که برای دستیابی به هدف مشخصی مانند افزایش استحکام، درخشش یا مقاومت در برابر الکتریسیته، با یکدیگر ترکیب می‌شوند.
- ماده کامپوزیت (composite) چیست؟
کامپوزیت متشکل از دو یا چند ماده با خواص فیزیکی و شیمیایی نسبتا متفاوت است که برای دستیابی به هدف مشخصی مانند افزایش استحکام، درخشش یا مقاومت در برابر الکتریسیته، با یکدیگر ترکیب می‌شوند. یکی از مشکلات که محدود بودن تولید انواع کامپوزیت‌ها است باعث شده که مثلا قیمت پروفیل کامپوزیت در ایران بالا باشد. اما در بازار مصالح ساختمانی جهان به وفور یافت میشود و این ماده در ساخت میلگرد، قوطی، ناودانی و نبشی، به کار می‌رود.
انتظار می‌رود در سال‌های آتی، با افزایش تولید این محصول کاربردی در کشور، قیمت آن افت کند. نکته جالب این است که برای ایجاد کامپوزیت، مواد هرگز در یکدیگر حل نمی‌شوند و ترکیب کردن آنها می‌تواند ویژگی‌های دیگری مانند طول عمر و سختی را نیز بهبود ببخشد. کامپوزیت‌ها در طبیعت یافت می‌شوند. ساختار یک تکه چوب، شامل کامپوزیتی است با فیبرهای سلولوزی بلند که مادهای به نام لیگنین (نوعی پلیمر) آنها را کنار هم نگه می‌دارد. انسان‌ها، در نقاط مختلف جهان و برای سال‌ها از مواد کامپوزیتی استفاده کرده‌اند. اولین استفاده از کامپوزیت، به ۱۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح بازمی‌گردد؛ زمانی که ساکنین بین‌النهرین، گل و کاه را برای ساختن بناهای بادوام، با هم مخلوط کردند. در نتیجه مقاومت بلوک‌های آجری در برابر خم شدن، کشیدگی و فشار افزایش یافت.
پس در نهایت، هدف از ایجاد کامپوزیت، دستیابی به مادهای ترکیبی، با خواص دلخواه است. مثال دیگر پلی‌اتیلن است که در ساخت چمن‌های مصنوعی به کار می‌رود؛ مادهای که رنگ‌پذیری نیست. به همین دلیل این چمن‌ها، ظاهر ماتی دارند. برای رفع این مشکل، مادهای به نام وینیل استات را به این پلیمر اضافه می‌کنند تا خواص پلاستیکی، انعطاف‌پذیری و رنگ‌پذیری آن اصلاح شود.
- تفاوت کامپوزیت و آلیاژ چیست؟
می‌دانیم که آلیاژ و کامپوزیت هر دو ترکیبی از حداقل دو عنصر هستند. اما تفاوت‌هایی میان این دو ماده وجود دارد که آنها را برای کاربردهای مختلف مناسب می‌سازد. بسیاری از تکنولوژی‌های نوین، نیازهایی دارند که توسط آلیاژهای موجود قابل پاسخگویی نیست. مانند ویژگی‌های مکانیکی بهتر که در کامپوزیت‌ها یافت میشود. تفاوت‌های دیگر میان این دو ماده، شامل موارد زیر است:
- تعریف و ویژگیها: یکی از این تفاوت‌ها به تعریف آلیاژ و کامپوزیت بازمی‌گردد. در ترکیب آلیاژ، یکی از عناصر حتما باید فلز باشد که تعیین‌کننده خواص فیزیکی آلیاژ است، در حالی که در کامپوزیت‌ها چنین الزامی وجود ندارد و همه مواد می‌توانند غیرفلزی باشند. همچنین مواد به کار رفته در یک کامپوزیت را می‌توان با روشهای فیزیکی از یکدیگر جدا کرد، در حالی که عناصر سازنده آلیاژ برای بازگشت به حالت اولیه خود، نیازمند واکنش شیمیایی هستند. یک آلیاژ در اصل همان ماده اولیه با خواص بهتر است. آلیاژ کردن به طور دائمی خصوصیات فیزیکی فلزات را تغییر می دهد و مقاومت در برابر خوردگی و اکسیداسیون، خصوصیات الکتریکی، استحکام و... را بهبود می‌بخشد. در مقابل، کامپوزیت، ترکیبی از عناصر برای تشکیل مادهای کاملا جدید است که ممکن است نسبت به مواد سازنده، مقاوم‌تر، سبک‌تر یا ارزان‌تر باشد.
- نوع مخلوط: آلیاژها در دو دسته همگن و ناهمگن یافت می‌شوند. با توجه به نسبت فلز ترکیب شده با عناصر، آلیاژ می‌تواند یک یا چند فاز داشته باشد که در صورت تک‌فاز بودن آن را ماده همگن و در غیر این صورت، ناهمگن می‌نامند. این در حالی است که تمامی کامپوزیت‌ها مواد ناهمگن هستند.
- هدایت الکتریکی و درخشندگی: آلیاژها به دلیل برخورداری از فلز در ساختار خود، هادی‌های خوبی هستند و همچنین درخشندگی زیادی دارند. اما در بین انواع کامپوزیت‌ها که در همین مقاله به آنها خواهیم پرداخت، هیچ یک از آنها درخشان نیستند و فقط پلیمرها هستند که به میزان کمی الکتریسیته را عبور می‌دهند و بقیه نارسانا هستند.
- آرایش: کامپوزیت‌ها همیشه دارای پیوند هستند، در حالی که آلیاژها می‌توانند در آرایش خود پیوند نداشته باشند.
- نقاط ذوب و جوش: کامپوزیت‌ها نقاط جوش و ذوب مشخصی دارند، در حالی که این دماها، در آلیاژهای مختلف متغیر است.
- بررسی ساختار کامپوزیت‌ها
نرخ کامپوزیت‌ها به اجزای تشکیل‌دهنده آنها بستگی دارد. طور کلی، یک ماده کامپوزیت سه جز دارد:
- تقویت‌کننده: تقویت‌کننده (reinforcement) به عنوان فاز ناپیوسته یا پراکنده، به شکل‌های مختلفی مانند الیاف، پوسته و ذرات وجود داشته و خصوصیات متنوعی دارند. الیاف، متداول‌ترین مواد تقویت‌کننده هستند که بیشترین تاثیر را در ویژگی‌های مکانیکی ماده کامپوزیتی دارند. علت این تاثیرگذاری را باید در نسبت بالای طول به قطر الیاف جستجو کرد که باعث ایجاد تنش برشی موثری بین این ماده و ماتریس شده و قابلیت پردازش و تولید قطعات کامپوزیت به شکل‌های مختلف را افزایش می‌دهد. از مهم‌ترین الیاف کامپوزیتی می‌توان به شیشه، کربن و آرامید اشاره کرد.
- ماتریس (زمینه): ماتریس (matrix) به عنوان فاز پیوسته، متصل‌‌کننده تقویتکنندهها به یکدیگر بوده و آنها را کنار یکدیگر، در موقعیت ثابت نگه داشته و مانع از حرکت و اعوجاج بین الیاف میشود. در نتیجه تقویتکنندهها در برابر آسیب‌های فیزیکی و محیطی مقاوم می‌شوند. با توجه به نوع سازه، الیاف یا سایر تقویتکنندهها در یک موقعیت خاص قرار گرفته و سپس به وسیله ماتریس، در جایگاه خود تثبیت می‌شوند. مواد مختلفی مانند پلی استر، اپوکسی و فنول را می‌توان به عنوان ماتریس، در ساختمان یک کامپوزیت به کار برد. اما لازم است در انتخاب آن دقت کافی به خرج داده شده و به خصوصیات ماده کامپوزیتی مورد نظر توجه شود. به این دلیل که ویژگی‌هایی مانند مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت الکتریکی و حرارتی و اشتعال‌پذیری، به طور مستقیم به نوع ماده زمینه بستگی دارند.
- فاز میانی: لایه‌ای فشرده شده از ماتریس که در سطح تقویت‌کننده تشکیل میشود را فاز میانی می‌نامند که در حقیقت فصل مشترک میان این دو ماده است. برای ذرات پراکنده که ابعاد آنها در حد میکرون بوده، تاثیر این لایه قابل چشم‌پوشی است. اما نانوذرات‌ها سطح وسیع‌تری داشته و می‌توانند درصد قابل توجهی از حجم کامپوزیت را اشغال کنند. بنابرین در تقویت‌کننده‌هایی با جنس نانوذرات‌های پراکنده، فاز میانی بر خواص کامپوزیت تاثیرگذار است. در حقیقت، بسیاری از ویژگی‌های برجسته نانوکامپوزیت‌ها از جمله مقاومت تسلیم، ناشی از فاز میانی است.
- انواع کامپوزیت‌ها
کامپوزیت‌ها را می‌توان به صورت زیر دسته‌بندی کرد:
- بر اساس نوع ماده‌ی زمینه
- بر اساس نوع و شکل ماده تقویت‌کننده
با توجه به نوع ماتریس، کامپوزیت‌ها عمدتا در چهار گروه جای می‌گیرند:
- کامپوزیت‌های با زمینه فلزی (MMC): کاربرد این نوع کامپوزیت، در صنعت هوافضا بسیار بالاست. استفاده از فلز آلومینیوم به عنوان زمینه، که چگالی کمتری نسبت به آهن دارد، برای افزایش مقاومت آن، صورت می‌گیرد. درکامپوزیت‌های زمینه فلزی، از الیاف پیوسته کربن، کاربید، سیلیکون یا الیاف سرامیکی به عنوان تقویت‌کننده استفاده میشود.
- کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی (CMC): در ساختمان این محصول، الیاف سرامیکی یا کربنی، به وسیله ماتریس سرامیکی مانند کاربید سیلیکون، احاطه شده‌اند.
- کامپوزیت‌های با زمینه مواد آلی، پلیمری یا پلاستیکی تقویت‌شده (PMC): این کامپوزیت از الیاف کوتاه یا بلندی ساخته شده که توسط یک زمینه‌ی پلیمری آلی، به یکدیگر متصل شده‌اند. ویژگی اصلی این نوع کامپوزیت، پخش کردن بار میان الیاف، به وسیله ماتریس است.
یکی از پرکاربردترین کامپوزیت‌ها با زمینه‌ی پلیمری، فایبرگلاس نام دارد که ماده‌ی تقویت‌کننده در آن، شیشه است. درباره این کامپوزیت که با نام FRP (پلاستیک تقویت‌شده با الیاف) نیز شناخته می‌شوند.
- کامپوزیت‌های کربن/کربن (CC): زمینه‌ی این کامپوزیت‌ها شامل کربن بوده و تقویتکنندهها، فیبرهای کربن سه بعدی، درشکل های تابیده و بافته شده هستند.
بر اساس نوع ماده تقویت‌کننده، کامپوزیت‌ها عبارتند از: - کامپوزیت‌های تقویت‌شده به وسیله الیاف (FRC): کامپوزیت‌هایی که در آنها فاز پراکنده به شکل رشته است، اهمیت بیشتری در صنعت و تکنولوژی دارند. موادی که به عنوان الیاف تقویت‌کننده به کار می‌روند، با توجه به قطر و مشخصه مربوطه به سه دسته ویسکرها، رشته‌ها و سیم‌ها تقسیم می‌شوند. خواص مکانیکی این کامپوزیت‌ها به خواص رشته، مقدار نیروی منتقل شده از فاز ماتریس و درصد حجمی آن بستگی دارد. در این کامپوزیت‌ها هر چه رشته نازک‌تر باشد، استحکام آن بیشتر خواهد بود.
- کامپوزیت‌های تقویت شده به وسیله ذرات (PRC): این مواد کامپوزیتی، با توجه به مکانیزم مستحکم شدن یا تقویت شدن، به دو گروه درشت‌ذره و مستحکم شده با ذرات پراکنده، تقسیم می‌شوند.
- کامپوزیت‌های درشت‌ذره
در کامپوزیت‌های درشت‌ذره، فعل و انفعالات بین ذره و ماتریس، نمی‌تواند در مقیاس مولکولی یا اتمی رخ دهد و فاز تقویت‌کننده سفت‌تر از زمینه است. به نحوی که این ذرات، باعث توقف حرکت فاز زمینه در مجاورت خود می‌شوند.
کامپوزیت‌های مستحکم شده با ذرات پراکنده
در این کامپوزیت‌ها، اندازه ذرات بین ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر بوده و فعل و انفعلات بین آنها، در مقیاس اتمی و مولکولی اتفاق می‌افتد. این عمل باعث افزایش استحکام، در این نوع کامپوزیت میشود.
- کامپوزیت‌های سبز
ماتریس و تقویت‌کننده این کامپوزیت‌ها از موادی ساخته می‌شوند که از نظر زیستی تجزیه‌پذیر بوده و در محیط زیست باقی نمی‌مانند. موادی مانند پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی، به عنوان فاز زمینه و الیاف گیاهی به عنوان تقویت‌کننده به کار می‌روند.
- خواص مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی کامپوزیت‌ها
استفاده از مواد مختلف برای ساخت کامپوزیت، می‌تواند ضعف هر یک از آنها را پوشش داده، نقاط قوت آنها را تقویت کرده و ویژگی‌های تازه‌ای به وجود بیاورد. خصوصیات حاصل شده، به عواملی مانند مقدار، اندازه و شکل تقویت‌کننده، توزیع فاز تقویت‌کننده، خواص مکانیکی ماتریس و طبیعت فصل مشترک بین ماتریس و تقویت‌کننده، بستگی دارد. برخی از مهم‌ترین این ویژگیها، موارد زیر هستند:
- مقاومت در برابر خوردگی: کامپوزیت‌ها مقاومت بالایی در برابر موارد خورنده و شیمیایی دارند و در برابر آب، رطوبت و تابش مستقیم نور نیز از خود استحکام نشان می‌دهند.
- مقاومت مکانیکی: بر خلاف فلزات که در تمام جهت‌ها و شرایط به یک میزان مستحکم هستند، کامپوزیت‌ها را می‌توان به گونه‌ای مهندسی و طراحی کرد که در یک جهت خاص، استحکام بیشتری داشته باشند.
- مقاومت الکتریکی: مقدار این مقاومت به نوع مواد به کار رفته در تولید کامپوزیت بستگی دارد. مثلا کامپوزیت ساخته شده با الیاف شیشه عایق، و کامپوزیت دارای الیاف کربن، هادی است.
- هدایت حرارتی بسیار کم: این خصوصیت، کامپوزیت‌ها را برای استفاده به عنوان عایق حرارتی، مناسب می‌سازد
- مقاومت ویژه بالا و مدول ویژه بالا: این دو ویژگی، از برجسته‌ترین خصوصیات کامپوزیت‌ها هستند. برای مثال، در کامپوزیت رزین تقویت‌شده با الیاف کربن، مقدار مدول ویژه، ۵ برابر بیشتر از فولاد و آلیاژ آلومینیوم، و مقدار مقاومت ویژه، ۳ برابر بیشتر از این دو ماده است.
- مقاومت در برابر خستگی بالا: کامپوزیت الیاف، به ویژه کامپوزیت زمینه رزین، حساسیت کمتری نسبت به بریدگی و تنش دارد. علاوه بر این، فاز فصل مشترک بین ماتریس و الیاف، می‌تواند انتشار ترک را کند کرده و یا جهت آن را تغییر دهد و از گسترش ترک جلوگیری کند. بنابراین، مقاومت در برابر خستگی در کامپوزیت‌ها بالاست.
- مقاومت زیاد در برابر شکستگی: در کامپوزیت‌های الیاف، تعداد بسیار زیادی رشته مستقل از الیاف وجود دارد. این مقدار به طور کلی به هزار تا ده هزار، در هر سانتیمتر مربع می‌رسد. همانطور که گفته شد این الیاف به وسیله ماده زمینه به هم متصل می‌شوند. اگر در اثر اضافه بار یا عوامل دیگر، تعدادی از این الیاف شکسته شوند، بار بین الیاف سالم باقی مانده توزیع شده و در نتیجه از بروز آسیب ناگهانی جلوگیری میشود.
- میرایی خوب: فرکانس طبیعی یک سازه، به جرم و شکل آن مربوط بوده و با توان دوم ریشه مدول ویژه، متناسب است. اگر فرکانس طبیعی ماده زیاد باشد، احتمال بروز تشدید و آسیب رسیدن به سازه کمتر است.
- چگالی پایین: به همین دلیل، حمل و نصب و بارگیری کامپوزیت‌ها به‌صرفه‌تر است.
- سهولت در تولید و ساخت شکل‌های پیچیده، با روشهای ساده، کارآمد و مقرون به صرفه
- آسان بودن مونتاژ قطعات و عملیات تعمیر و عیب‌یابی
- ضریب انبساط حرارتی پایین
- بهبود اتصالات و تولید یکپارچه
- جذب انرژی مناسب
کامپوزیت (composite) ترکیبی است، شامل حداقل دو جزء (فاز) که از نظر شیمیائی کاملا با یکدیگر متفاوت بوده و این اجزا قابلیت انحلال در هم را نیز ندارند. خواص و عملکرد کامپوزیت‌ها قویا به اجزای سازنده آنها وابسته است. به طور کلی در کامپوزیت حداقل یک جزء (فاز) غیرپیوسته، که به تقویت کننده (reinforcement) موسوم است، وجود دارد، که توسط یک زمینه (matrix) پیوسته احاطه شده است. فایبرگلاس، بتن و چوب نمونه هایی از کامپوزیت‌ها هستند. از خصوصیات کامپوزیت‌ها می‌توان به استحکام (strength)، سخت پایی (stiffness)، سبک بودن، داشتن نسبت استحکام به وزن مناسب اشاره کرد. برخی خواص کامپوزیت ها از فلزاتی مانند فولاد و آلومینیم نیز بهتر است که ذیلا به چند مورد اشاره می شود:
استحکام ویژه بالا، سخت پایی بالا در چرخه خستگی بلند مدت، مقاومت خزشی بالا، ضریب انبساط حرارتی و دانسیته پایین، مقاومت سایشی و خوردگی بهتر.
انواع کامپوزیت‌ها
طبقه بندی بر مبنای نوع مواد زمینه:
- کامپوزیت‌های زمینه پلیمری (PMCs): در کاربردهای تجاری، این دسته از کامپوزیت‌ها رتبه بالایی در مقایسه با دیگر انواع کامپوزیت‌ها دارند. مواد تقویت کننده فیبرهایی (رشته هایی) از بور، کربن و گرافیت هستند. بیشتر از کربن-گرافیت یا فیبرهای آرامید (aramid) استفاده می شود که از اصلی ترین فیبرهای تجاری هستند. زمینه از مواد گرما نرم (thermo- plastic)، اپوکسی و مواد گرما سخت (thermo- set) است. ترمو پلاستیک ها، مزایایی مانند خواص مکانیکی و سایشی خوب دارند و رزین های اپوکسی نیز از مهم ترین مواد، برای ایجاد زمینه پلیمری هستند.
- کامپوزیت‌های زمینه فلزی (MMCs) : این دسته که جزء مواد ساختمانی پیشرفته محسوب می شوند، از تقویت کننده های غیرفلزی در یک زمینه فلزی تشکیل شده اند. کامپوزیت‌های زمینه فلزی عمدتا در کاربردهای مهندسی استفاده می شوند، در مواردی که دمای کاری در محدوده ۲۵۰ تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد است. مواد زمینه شامل مس، آلومینیم، تیتانیم و سوپر آلیاژها بوده و مواد تقویت کننده شامل: کاربید سیلسیم، بور، مولیبدن و آلومینا هستند.
- کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی (CMCs): این دسته نیز جزء مواد ساختمانی پیشرفته محسوب می شوند که از تقویت کننده های فلزی/ غیرفلزی در یک زمینه سرامیکی تشکیل شده اند. کامپوزیت‌های زمینه فلزی عمدتا در کاربردهای مهندسی استفاده می شوند، در مواردی که دمای کاری در محدوده ۸۰۰ تا ۱۶۵۰ درجه سانتیگراد است.
- کامپوزیت‌های کربن/کربن (CCs): این دسته از کامپوزیت‌ها عمدتا برای قطعاتی که بایستی در شرایط دمایی سخت کار کنند، توسعه یافته اند. زمینه کربن است و تقویت کنندها شامل، فیبرهای سه بعدی کربن در فرم های تابیده و بافته شده هستند. کامپوزیت‌های کربن/کربن، به علت اینکه در شرایط دمایی سخت، توانایی حفظ استحکام و حتی افزایش استحکام را دارند، در گستره وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند از صنایع موشکی و نظامی گرفته تا هوا فضا.
از مزایای کامپوزیت‌های کربن/کربن، به موارد ذیل می توان اشاره کرد:
- مقاومت در دماهای بسیار بالا (۱۹۳۰ تا ۲۷۶۰ درجه سانتیگراد).
- افزایش استحکام با افزایش دما (تا ۱۹۳۰ درجه سانتیگراد).
- استحکام و سخت پایی بالا
- مقاوت خوب در برابر شوک حرارتی
شکل ۱ محدوده دمای کاری را برای انواع مختلف کامپوزیت‌ها نشان می دهد.
طبقه بندی بر مبنای شکل و هندسه تقویت کننده
در این نوع طبقه بندی، مکانیزم استحکام دهی، قویا به هندسه و شکل تقویت کننده بستگی دارد.
- کامپوزیت‌های تقویت شده با ذرات ریز (particulate)
- کامپوزیت‌های تقویت شده با ورقه/ ویسکر (flake/whisker)
- کامپوزیت‌های تقویت شده با رشته (fiber)
شکل ۲ فلوچارتی از نحوه طبقه بندی این گروه از کامپوزیت‌ها را نشان می دهد.
انواع تقویت کننده ها به شرح ذیل هستند:
تقویت کننده رشته ای یا فیبری: سطح مقطع تقویت کننده فیبری، می تواند در اشکال دایره ای، مربع یا شش گوشه باشد و قطر آنها در بازه ۰٫۰۰۰۲۵ تا ۰٫۰۱۲۵ سانتیمتر است. طول یا نسبت طول به قطر (L/D ratio) برای فیبرهای ناپیوسته تا صد برابر و برای فیبرهای پیوسته می تواند بسیار بزرگتر باشد.
تقویت کننده ذره ای: این نوع تقویت کننده که ذراتی ریز هستند، با به تاخیر انداختن حرکت نابجایی ها در کامپوزیت زمینه فلزی، موجب استحکام دهی زمینه می شوند. اگر اندازه ذرات از یک میکرون بزرگتر باشد، استحکام دهی ناشی از این ذرات، به علت تقسیم نیرو در زمینه است.
تقویت کننده ورقه ای: این تقویت کننده ها به شکل صفحاتی مسطح هستند.
انواع ساختار (structure) کامپوزیت:
ساختار یا ساختمان کامپوزیت‌ها به سه دسته تقسیم می شود: ساختار لایه ای، ساختار ساندویچی و ساختار ساندویچی شانه عسلی (honey comb).
در ساختار لایه ای، لایه ها به صورت ورقه ورقه، با جهت گبری صحیح روی یکدیگر چیده می شوند. مثالی از این نوع ساختار در بردهای مدار چاپی است که لایه هایی از پلاستیک تقویت شده و مس برای هدایت الکتریکی و عایق کاری، روی هم چیده شده اند. شکل۳ طرح واره ای از این ساختار را نشان می دهد.
ساختار ساندویچی: در این ساختار مابین دو لایه نازک و مستحکم کامپوزیتی، مواد چسبنده ای متناسب با کاربرد سازه، قرار می گیرد. شکل ۴ طرح واره ای از این نوع ساختار را نشان می دهد.
ساختار ساندویچی شانه عسلی: این ساختار مشابه ساختار ساندویچی بوده با این تفاوت که دارای هسته ای به شکل شانه عسل بوده که دانسیته پایینی دارد و مابین صفحات اصلی و لایه چسبنده قرار می گیرد. شکل ۵ طرح واره این ساختار را نشان می دهد.
