کامپوزیتها و آشنایی با مواد مرکب

به طور کلی میتوان مواد مهندسی را به 4 گروه اصلی تقسیمبندی کرد:

- فلزات (metals) مانند مس، آهن و ... و آلیاژهای آنها مانند فولاد و چدن

- پلیمرها (Polymers) مانند پلی اتیلن و pvc و ...

- سرامیکها (Ceramics) مانند شیشه ، مواد دیرگداز یا نسوز ،بسیاری از مواد الکترونیکی و ...

- مواد مرکب (Composites) مانند فایبرگلاس و ...

فلزات

فلزات مواد رایج و پرکاربرد در گذشته برای برنامههای کاربردی ساختاری بکار برده میشدند. آنها بزرگترین پردازش و طراحی را برای به مهندسین به همراه میآوردند. فلزات رایج از قبیل آهن، آلومینیوم، مس، منیزیم، روی، سرب، نیکل و تیتانیم هستند. در کاربردهای ساختاری، آلیاژها اغلب مورد استفاده بیشتری نسبت به فلزات خالص دارند. آلیاژها با مخلوط کردن مواد مختلف تشکیل شدهاند، آلیاژ ارائه بهتری ازخواص نسبت به فلزات خالص دارند. به عنوان مثال، چدن شکننده است و و به اسانی پوسیده میشود، اما علاوه بر این کمتر از 1 درصد کربن در آهن آن را سختتر میکند، و علاوه بر این کروم باعث میشود خوردگی و مقاومت آن کاهش یابد. با وجود این اصل هزاران فلز جدید در حال اختراع است.

به طور کلی فلزات در مقایسه با پلاستیک و کامپوزیت سنگینتر هستند. تنها آلومینیوم، منیزیم، و بریلیم تراکمی نزدیک بهپلاستیک دارند.

فولاد 4 تا 7 بار سنگینتر از مواد پلاستیکی، آلومینیوم 1،2 تا 2 بارسنگینتر از پلاستیک است. به طور کلی فلزات نیاز به عملیات ماشینکاری مختلفی برای به دست آوردن محصول نهایی دارند. فلزات دارای استحکام

و مقاومت، پایداری حرارتی وهدایت الکتریکی بالای هستند. با توجه به اینکه مقاومت در برابر درجه حرارت بیشتراز پلاستیک دارند. ،میتوان آنها را برای برنامههای کاربردی با دمای بالاتر استفاده کرد.

پلاستیکها
پلاستیک به شایعترین ماده مهندسی در سالهای گذشته تبدیل شده است. در 10 سال گذشته، تولید پلاستیکها از لحاظ حجم بیش از حد تولید فولاد است. با توجه به وزن سبک پلاستیکها،و فرآیندپذیری آسان و مقاومت در برابر خوردگی میتوان گفت پلاستیکها به طور گستردهای برای قطعات خودروسازی و هوافضا و کالاهای مصرفی بکار برده میشوند. پلاستیک را میتوان در قالب ورق، میله، شمش، پودر، گرانول(دانه،گرده،کپسول) خریداری کرد. با کمک فرایندهای تولید، پلاستیک را می توان به نزدیک به شکل یا شکل خاص شکل داد. آنها می توانند کیفیت سطح بالایی را فراهم کنند و در نتیجه از چند عملیات ماشینکاری را کاهش دهند. این قابلیت تولید کم هزینه را فراهم می کند. پلاستیکها برای کاربردهای بادمای بالا استفاده نمیشوند. زیرا پایداری حرارتی ضعیفی دارند. به طور کلی، درجه حرارت عامل پلاستیکها کمتر از 100 درجه سانتیگراد میباشد. برخی از پلاستیک می تواند دمای در محدوده100 تا 200 ° C بدون کاهش قابل توجهی عملکرد داشته باشند. دمای ذوب پایینتر نسبت به فلزات و در نتیجه پردازش روی آنها بسیار آسان است.

سرامیکها
سرامیکها دارای پیوندهای قوی کووالانسی و در نتیجه استحکام حرارتی بزرگ و سختی بالایی هستند. آنها سفتتر و سختتر از تمام مواد هستند. خصوصیت بارز سرامیکها نسبت به فلزات دراین است که آنها تقریبا هیچ قابلیت شکلپذیری و چکشخواری ندارند. آنها در مد اجسام ترد هستند. سرامیکها دارای بالاترین نقطه ذوب در مواد مهندسی هستند. آنها به طور کلی برای کاربردهای بادرجه حرارت بالا، ومقاوم در برابرسایش و همچنین در برابر اصابت موادشیمیایی امن هستند. سرامیکها با فن استخراج و تکنیکهای ذوب فلزات قابل استخراج نیستند و نیاز به تجهیزات با قابلیت تحمل درجه حرارت بالا هستند. با توجه به سختی بالای سرامیکها، سرامیکها را به سختی میتوان ماشینکاری کرد. سرامیک نیاز به ابزار برش مانند کاربید و ابزارهای الماسه هستند.

مواد مرکب Composites

مواد مرکب یا کامپوزیتها را به دو دسته تقسیم کردیم:

۱- کامپوزیتهای ذرهای

-ذرات میتوانند دارای جهات تصادفی باشند "Random orientation"

- ذرات را میتوان در جهات مورد نظر توزیع داد "Preferred orientation"

۲-کامپوزیتهای رشتهای (فیبری)

- کامپوزیتهای با لایههای جهتدار"Multilayaers"

- کامپوزیتهای لایهای "Laminates" که فیبر ها در یک جهت در یک لایه هستند.

- کامپوزیتهای هیبریدی"Hybrids"فیبرها به صورت مخلوط در یک لایه قرار دارند.

- کامپوزیتهای تک لایه که دارای جهت و خواص مشابه در هر لایه هستند.

- دارای الیاف پیوسته

- تک جهته"unidirectional"

- دو جهته "bidirectional"

- با الیاف غیر پیوسته

Random

Preferred

از قدیم نیز انسان از کامپوزیت استفاده می کرده برای نمونه میتوان به کاه گل اشاره کرد که زمینه گل با فاز تقویت کننده گل استحکام بیشتری می بافته.

اما کامپوزیتهایی نیز در طبیت بافت می شود که بارز ترین آنها استخوان،چوب و صدف است. در استخوان فیبرهای هیدروکسی آپاتایت با کلاژن به هم میچسبند.

مواد کامپوزیت برای حل مشکلات تکنولوژیکی که برای زمان طولانی وجود داشت بوجود امدند. اما تنها درسال1960 این مواد شروع به جلب توجه صنایع بزرگ کردند. با ورودکامپوزیتهای پلیمری در صنعت از آن زمان به بعد،مواد کامپوزیتی، به مواد رایج مهندسی تبدیل شدهاند. وبرای کاربردهای مختلف از جمله خودرو طراحی و تولیدقطعات، لوازم ورزشی، قطعات و هوافضا، کالاهای مصرفی و دریایی و صنایع نفت بکار برده شدند. رشد در استفاده از کامپوزیتها به دلیل افزایش آگاهی صنعتگران در خصوص عملکرد محصول وافزایش رقابت در بازار جهانی برای اجزاء سبک وزن است. در میان تمام مواد، مواد کامپوزیتی این پتانسیل را دارند که به طورگستردهای برای جایگزینی فولادها و آلومینیومها با عملکرد بهتر استفاده شوند.جایگزین کردن اجزای فولادی با اجزای کامپوزیت می تواند 60 تا 80 درصد صرفهجویی در وزن جزء و 20 تا 50 درصد صرفهجویی در وزن باتعویض قطعات آلومینیومی و کامپوزیتی شود.امروزه، به نظر میرسد که کامپوزیتها مواد مهندسی انتخابی مناسبی از برنامه های کاربردی صنعت میباشند.

تعريفكامپوزيتها:

كامپوزيتها موادي هستند كه از 2 جزء يا بيشتر تشكيل شدهاند كه خواص برتري را نسبت به مواد پايه

تشكيل دهنده آن دارا هستند. كامپوزيت شامل يك فاز پيوسته است كه به آن زمينه (Matrix) میگویند ويك فاز كه در زمينه توزيع شده است و به آن فاز دوم (Second Phase) يا تقويت كننده (Reinforcement Phase) ميگويند.

کامپوزیت فیبر کوچک کامپوزیت فیبر پیوسته کامپوزیت رزین فیبر

تعریف1)

کامپوزیتها (مواد چند سازه ای یا کاهگلهای عصر جدید)ردهای از مواد پیشرفته هستند که در آنها از ترکیب موادساده به منظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی خود را حفظ کرده در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی شوند. استفاده از این مواد در طول تاریخ نیز مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به کاه گل وآجرهای گلی که در ساخت آنها از تقویت کننده کاه استفاده میشده است اشاره کرد. هنگامی که این دو باهم مخلوط بشوند در نهایت آجرپخته بدست میآید که بسیار ماندگارتر و مقاومتر از هر دو ماده اولیه یعنی گلوکاه است. قایق‌هایی که سرخ‌پوست‌ها با قیر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم بز ساخته می‌شدند و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است، نیز از کامپوزیت‌های نخستین هستند. بسیاری از نیازهای صنعتی صنایعی مانند صنایع فضایی ، راکتورسازی، الکترونیکی و غیره نمی‌تواند با استفاده از مواد معمولی شناخته شده ، برآورده شود. اما قسمتی از آن نیازها، می‌تواند با استفاده از چندسازه‌ها یا کامپوزیت‌ها برآورده گردد.

در کامپوزیت عموما دو ناحیه متمایز وجود دارد.

۱- فاز پیوسته (ماتریس)

2- فاز ناپیوسته(تقویت کننده)

در یک کامپوزیت به طور کلی الیاف،عضو بارپذیر اصلی سازه هستند در حالیکه ماتریس آنها رادر محل وآرایش مطلوب نگاهداشته وبعنوان یک محیط منتقل کننده بار بین الیاف عمل میکند، به علاوه آنهارا از صدمات محیطی دراثربالارفتن دما ورطوبت حفظ میکند.

طبقهبنديموادكامپوزيت

كامپوزيتها را ميتوان به صورتهاي متفاوتي طبقهبندي نمود. برخي از طبقه بنديها بر اساس طبيعت ماده كامپوزيت، نوع ماتريس و مشخصات فاز دوم طبقهبندي نمود. در ادامه زير مجموعه اين طبقهبنديها بطورمختصر آمدهاست.

تعریف 2)

کامپوزيت ترکيبي است از چند مادة متمايز، به طوري که اجزاي آن به‌آساني قابل تشخيص از يکديگر باشند. يکي از کامپوزيت‌هاي آشنا بتُن است که از دو جزء سيمان و ماسه ساخته مي‌شود.
براي تغيير دادن و بهينه کردن خواص فيزيکي و شيميايي مواد، آنها را کامپوزیت يا ترکيب مي‌کنيم. به طور مثال، پُلي اتيلن{1} که در ساخت چمن‌هاي مصنوعي از آن استفاده مي‌شود، رنگ‌پذير نيست و بنابراين، رنگ اين چمن‌ها اغلب مات به نظر مي‌رسد. براي رفع اين عيب، به اين پليمر وينيل استات مي‌افزايند تا خواص پلاستيکي، انعطافي‌ و رنگ‌پذيري آن اصلاح شوند. در واقع، هدف از ايجاد کامپوزيت، به دست آوردن ماده‌اي ترکيبي با خواص دلخواه است.

استثنائات در شناخت کامپوزیتها

1)کامپوزیتهایlike-like

کامپوزیت های c-c که الیاف c در داخل زمینه کربن قرار میگیرد و از لحاظ شیمیایی زمینه و فاز متفاوت نمیباشند و همچنین کامپوزیتهای SiC-SiC

2)کامپوزیتهای درجا

در اثر انجماد جهتدار ترکیبات یوتکتیک (میلهای یا لایهای)بوجود میایند که جز کامپوزیتهایی هستند که در حین انجماد شکل میگیرند و در اثر مخلوط کردن ایجاد نمیشوند.

طبقه بندی کامپوزیتها:

الف) برمبنايطبيعتكامپوزيت

1) كامپوزيت طبيعي مثل چوب، استخوان و ماهيچه

2) مصنوعيAl/SiC و Co/WC که برای ابزار برشی استفاده میشود.

ب) برمبناينوعماتريس

1) زمينه پليمري PMC

2) زمينه فلزي MMC

3) زمينه سراميكي CMC

4) زمينه شيشهاي GMC

5)اينترمتاليك IMC

ج ) براساسهندسهفازدوم

1)پيوسته

الف) لايه اي

ب) الياف پيوسته منظم و نامنظم

2)ناپيوسته

الف) ذرهاي، سوزني، بيضوي

ب) الياف كوتاه منظم و نامنظم

ج) ویسکرهامنظم و غیر منظم

د)براساساندازهفازدوم

1) ماكرو كامپوزيتها: بتن مسلح- فولادگالوانيزه

2) ميكرو كامپوزيتها:Al/TiC

3) نانو كامپوزيتها:شاخه جديدي از مواد كامپوزيت ميباشد كه در اين كامپوزيتها، يكي از اجزاء تشكيل دهنده، ابعاد نانو متري دارد.

Alumina/SiC تصوير TEM از نانو كامپوزيت

کامپوزیتها و آشنایی با مواد مرکب

مطالب مشابه :

.مواد مرکب (کامپوزیت)چوب چیست؟

کامپوزیتها و آشنایی با مواد مرکب

دانلود کتاب درس مواد مرکب دکتر حامد عدالتی

مواد مرکب جونز

کاربرد مواد مرکب در صنایع خودرو سازی

مواد مرکب (کامپوزیت)