آيا کامپوزيت ها جانشيني مناسب براي مواد سنتي هستند؟

کامپوزيت ها (coposites ):

در جوامع پشرفته نياز به مواد کامپوزيتي ديده مي شود .فايبرگلاس ( fiber glass)،که در اواخر دهه ي 1940 توليد شد اولين کامپوزيت مدرن است.و هم اکنون نيز متداولترين کامپوزيت مصرفي در کشورهاي مختلف جهان است .امروزه فايبرگلاس تقريباً 65 درصد از کامپوزيت هاي مصرفي در کشورهاي مختلف جهان را تشکيل مي دهد .اين کامپوزيت در بدنه هاي قايق (boot hulls)، تخته هاي موج سواري (surf boards)، وسايل ورزشي ( sporting goods) ، لاينينگ استخرهاي شنا(swimming poll lining)، پانل هاي ساختماني (building panels)و بدنه هاي ماشين (car bodies)کاربرد دارد .و اين امکان وجود دارد که شما از اين کامپوزيت استفاده کرده باشيد درحالي که نمي دانستيد که جنس آن را از فايبر گلاس است .

چه چيز از يک ماده ي کامپوزيت مي سازد ؟

مواد کامپوزيتي ازترکيب دو يا چند ماده با خواص متفاوت به وجود مي آيند . مواد مختلف با يکديگر مخلوط گشته تا خواصي بي همتا به ماده ي کامپوزيتي بدهد .اما ازلحاظ ساختار داخلي به آساني قابل تشخيص هستند .يعني مواد ترکيب شده در يک ماده ي کامپوزيتي به آساني قابل ديدن هستند .و در هم حل نشده اند و با هم پيوند نداده اند .
کامپوزيت ها درطبيعت نيزيافت مي شوند .يک تکه چوب کامپوزيتي ازالياف بلند سلولز (حالتي بسيار پيچيده از نشاسته )که با مواد بسيار ضعيف تري که ليگنين (lignin)ناميده مي شوند به هم اتصال پيدا کرده اند .سلولز همچنين در پنبه (linen)و کتان (cotton)نيز وجود دارد ، اما قدرت پيوند ليگنين است که باعث شده يک تکه چوب از يک تکه پنبه محکم تر باشد .

کامپوزيت ها مواد جديدي نيستند :

انسان ها از مواد کامپوزيتي به مدت هزاران سال استفاده مي کردند .مثلاً آجرهاي گلي که يک بيسکويت (تکه )از گل خشک شده است به آساني با يک خم کردن مي شکند .
که علت آن ايجاد يک نيروي کششي دريک سمت آن است .اما همين آجر يک ديوار خوب را مي سازد و علت اين امراين است که کليه ي نيروهاي وارده بر آجر از نوع فشاري است به عبارت ديگر يک تکه حصير ،مقاومت کششي خوبي دارد .اما اگر آن را مچاله کنيد (يعني آن را فشاردهيم )به آساني دفورمه مي شود .اما اگريک تکه از حصير را در يک آجر گلي تعبيه کنيد . و اجازه دهيد قطعه خشک شود .نتيجه ي کار آجري است که هم در برابر کشش و هم دربرابرگسيختگي مقاومت مي کند .و يک ماده ي ساختماني مناسب است .اگربخواهيم فني تر نگاه کنيم ، اين آجر داراي حصير هم مقاومت کششي (tenside shrongh)هم مقاومت فشاري (compressive strengh)خوبي دارد .
کامپوزيت معروف ديگر بتون است که از مصالح سنگي (سنگ و ماسه هاي ريز و درشت )تشکيل شده که به وسيله ي سيمان به هم ديگر متصل شده اند .بتون مقاومت خوبي در برابر فشار دادن و اين ماده را مي توان به وسيله ي افزودن ميله هاي فلزي (metallic rods)، سيم ها (wires)،توري (mesh)يا کابل ها (cables) کامپوزيت کرد تا در برابر کشيدگي نيزبتواند رفتار خوبي داشته باشد .( بنابراي بتون تقويت شده حاصل مي شود ).

ساختن يک کامپوزيت (making a composite):

بيشتر کامپوزيت ها فقط از دو نوع ماده ساخته شده اند .يک ماده [ ماتريکس (martix)يا اتصال دهنده ]دراطراف قرار گرفته و موجب اتصال کلوخه ها ، الياف يا خرده هاي ماده ي سخت تر [تقويت کننده (reinforcement)مي گردد .]
درمورد آجرهاي گلي اين دو وظيفه به وسيله ي حصير و گل انجام مي شود ، در بتون به وسيله ي سيمان و کلوخه هاي ماسه اي و دريک تکه چوب به وسيله ي سلولز و ليگنين انجام مي شود .درفايبرگلاس ، تقويت کننده الياف نازکي از شيشه است که عموماً مانند پارچه بافته مي شود .و زمينه ( matrix)ازماده ي پلاستيکي تشکيل شده است .
الياف رشته اي و نازک شيشه در فايبرگلاس در برابر کشش مقاومت بسيار بيشتري نسبت به فشار ازخود نشان مي دهند .اما اين الياف بسيار شکننده اند و اگر به تندي خم شوند از هم گسيخته مي شوند .ماتريکس نه تنها الياف را در کنار هم نگه مي دارد .بلکه مي تواند با توزيع تنش ها در کل ماده از کامپوزيت محافظت کند .
ماتريکس (زمينه )به حدي نرم است که مي توان با ابزار آلات آن را شکل دهي کرد .يا با حلال هاي مناسب آن را نرم کنيم و در صورت نيازآن را ترميم کنيم .هرتغييرشکل يک صفحه ي فايبرگلاس ، نياز به کشيده شدن مقداري از الياف شيشه را دارد .
و اين الياف در برابر آن مقاومت مي کنند ، بنابراين حتي يک صفحه ي نازک از فايبرگلاس بسيار محکم است .رنگ اين ماده همچنين مي تواند بسيار روشن باشد ، که خود يک مزيت دربسياري از کاربردهاست .
در دهه هاي اخير ،بسياري از کامپوزيت هاي جديد توليد شده است ، که بعضي از آنها خواص با ارزشي دارند .با دقت در انتخاب تقويت کننده ، زمينه پروسه ي ترکيب اين دو ماده درهم ، يک مهندس مي تواند خواص مختلف را ترکيب و به خاصيت هاي مد نظرش برسد .آنها مي توانند ، براي مثال يک صفحه ي کامپوزيتي بسيارمحکم در يک جهت بسازند (به وسيله ي موازي کردن الياف در يک جهت خاص که البته استحکام در جهت ديگر قطعه ممکن است بسيار کمتر از جهت هدايت شده ي ما باشد )که البته ايجاد استحکام در يک جهت از کارهايي است که مد نظر ماست و در بعضي از کاربردها به درد ما مي خورد .آنها همچنين مي توانند خواصي چون مقاومت در برابر گرما ، عوامل شيميايي و هوازدگي را به وسيله ي انتخاب زمينه ي مناسب در کامپوزيت ايجاد کنند .

مواد انتخابي براي زمينه (choosing materials for matrix):

براي زمينه ، در توليد بسياري از کامپوزيت هاي پيشرفته از پلاستيک هاي ترموست و ترموپلاست که زرين نيز ناميده مي شوند استفاده مي شود . پلاستيک ها، پليمرهايي هستند .که تقويت کننده ها را به هم چسبانده و کمک مي کند تا خواص محصول نهايي ايجاد شود .
پلاستيک ها گرمانرم (Thermosoftening plastics)همانگونه که از اسمشان پيداست در دماهاي پايين سخت اما هنگامي که به آنها گرما بدهيم نرم مي شوند .اگرچه اين مواد عموماً کمتر از پلاستيک هاي ترموست استفاده مي شوند.ولي مزايايي چون چقرمگي شکست بالاتر (fracture toughness)،دوام طولاني تر (longer shelflife)، قابليت بازيافت و محيط کاري ايمن تر و تميزتر (زيرا از حلال هاي آلي که براي پروسه ي سخت کردن است استفاده نمي شود )را داراست .
سراميک ها ، کربن و فلزات به عنوان زمينه براي برخي از اهداف خيلي خاص استفاده مي گردد .براي مثال :سراميک هنگامي استفاده مي شود که مواد با دماهاي بالا سر و کار دارند .[مثلاً مبدل هاي حرارتي (heat exchanging)].ازکربن نيز براي توليد محصولاتي که با سايش و پوسيدگي مواجه اند استفاده مي شود .[مثلاً يا طاقان ها (bearing)و گريبکس ها (gears)].

مواد انتخابي براي تقويت کننده (choosing materials for the rein for cement):

اگر چه الياف شيشه (glass fibres)از متداولترين تقويت کننده به حساب مي آيد .ولي بسياري از کامپوزيت هاي پيشرفته درحال حاضر از الياف نازک کربن خالص توليد مي شوند .

الیاف شیشه (Glass fibres)

الياف کربن (carbon fibres)ازالياف شيشه محکم تراند ، اما توليد آنها گران تر است .الياف کربن سبک اند درعين اينکه محکم نيز هستند .اين الياف در ساختار سفينه هاي فضايي و در توليدات ورزشي [ مانند وسايل گلف (golf clubs)]و به طور زياد شونده و با سرعت استفاده ي روز افزون به جاي فلز براي ترميم و جانشين استخوانهاي آسيب ديده مورد استفاده قرار مي گيرد .الياف محکم تر (و البته گران تر )ازالياف کربن الياف بورن (Boron fibres)هستند .
پليمرها نه تنها براي زمينه استفاده مي شوند .بلکه از آنها مواد تقويت کننده ي خوبي براي استفاده در کامپوزيت ها ايجاد شده است .کولار (kevlar)، الياف پليمري است که بي اندازه محکم است .و موجب افزايش چقرمگي در کامپوزيت ها مي شود .اين پليمر به عنوان تقويت کننده در توليدات کامپوزيتي که نياز به وزن کم (حالت سبکي )و ساختمان پايدار دارد استفاده مي شوند .(مثلاً بخش هايي از بدنه ي يک هواپيما ).مواد کامپوزيتي مورد استفاده ي اصلي را از کولار ندارند .کولار براي جايگزيني به جاي فولاد در لاستيک هاي راديال (radial tyres)و در حال حاضر نيز براي استفاده در جليقه هاي ضد گلوله (bullet proofvests)و کلاه هاي ايمني (helmets)سنتز و توليد شده است .

ساخت بدنه هواپیما با استفاده از مواد کامپوزیتی

انتخاب روش توليد (choosing the manufacturing process):

توليد يک شيء از مواد کامپوزيتي معمولاً به وسيله ي ايجاد قالب هايي براي فرم دهي انجام مي شود .مواد تقويت کننده ابتدا در قالب قرار داده مي شوند و سپس ماده ي نيمه مايع زمينه به داخل قالب اسپري يا پمپ مي شود و شکل جسم ايجاد مي شود .فشارمعمولاً براي خارج کردن حبابهاي هواي موجود در نمونه ي کامپوزيتي اعمال مي شود .سپس به قالب گرما داده مي شود تا زمينه جامد گردد .
پروسه ي قالب گيري معمولاً به وسيله ي دست انجام مي شود .ولي امروزه پروسه ي اتوماتيک به وسيله ي دستگاه نيزعموميت يافته است .يکي از روشهاي جديد که اکسترود کششي (pultrusion)[واژه اي که از دو لغت pull به معناي کشيدن (extrusion)با سطح صاف .اين مواد سطح مقطع عرضي ثابتي دارند که در توليد به ما کمک مي کند مانند توليد تيرهاي پل از جنس کامپوزيت .
در بسياري از ساختارهاي نازک با اشکال پيچيده مانند پانل هاي خميده ، ساختار کامپوزيت با چسبانيدن صفحات الياف بافته شده که نقش تقويت کننده را دارند به وجود مي آيد ، سپس به وسيله ي زمينه ي پليمري پر مي شود .البته اين کار در يک قالب پايه انجام مي شود و زماني که پانل درضخامت مورد نظر ساخته شد مواد زمينه خشک و جامد مي گردند .

نمونه ای از کامپزیت با ساختار لانه زنبوری

در بسياري از کامپوزيت هاي پيشرفته (به عنوان مثال آنهاي که در بال و پانل هاي بدنه ي هواپيما کاربرد دارند )ساختار ممکن است شامل يک پلاستيک به حالت لانه زنبوري باشد که درميان دو پوسته ي کامپوزيتي تقويت شده با الياف کربن پيچيده شده باشد .

شکل : الیاف کربنی ( Corbon fibers)

اين کامپوزيت هاي ساندويچي ،استحکام بالا و سختي پيوندي مخصوصي را با وزن کم ايجاد مي کنند .شبيه به هرچيزي که به هواپيما مربوط باشد . اين پانل ها نيز گران قيمت هستند .
*چرا از کامپوزيت ها استفاده مي کنيم ؟ (so why use composites):
بزرگترين حسن مواد کامپوزيتي استحکام و سختي توأمان و سبکي آنهاست . با انتخاب مطلوب مواد تقويت کننده و زمينه ، توليدات مي توانند خواصي داشته باشند که نيازهاي ما را براي يک ساختار خاص و براي يک هدف خاص برآورده کند .هوانوردي مدرن ،هردو بخش نظامي و غيرنظامي مثال اول ماست .اين صنعت بدون کامپوزيت ها کارآمد نيست .
درحقيقت ، نيازها براي توليدات صنعتي تمايل به موادي دارد که درعين سبکي ، محکم نيز باشند .اين امر منجر به توسعه ي کامپوزيت ها گشته است . قطعات بال (wing)، دم (tail)، ملخ ها (propellers)و پره هاي چرخان (rotor blades)عمدتاً از کامپوزيت هاي پيشرفته ساخته مي شوند .
بدنه هاي هواپيماهاي کوچکتر از مواد کامپوزيتي توليد مي شوند .که اکثر بخشهاي آنها از بدنه گرفته تا بال ها و دم از جنس مواد کامپوزيتي است .
در مورد فکرکردن به هواپيماها، اين با ارزش است که بدانيم کامپوزيت ها احتمال شکست کامل کمتري نسبت به فلزاتي مانند آلومينيوم (Al )در شرايط اعمال تنش دارند .
يک ترک ريز در داخل يک قطعه ي فلزي مي تواند به سرعت گسترش يابد و نتايج مخرب زيادي ايجاد کند .(به خصوص در مورد هواپيما )ولي در کامپوزيت ها الياف مانند يک سد در برابر گسترش ترک مقاومت نموده و تنش را بر روي محيط اطراف توزيع مي کنند .
کامپوزيت هاي اصلاح شده همچنين در برابر گرما و خوردگي مقاومت مي کنند .اين مزيت باعث مي شود که از کامپوزيت ها در محصولاتي که با محيط هاي خطرناک مانند قايق ها ، ابزارآلات در تماس با مواد شيمايي (chemical-handling a quipment)و فضاپيما استفاده گردد .به طورعمومي ، کامپوزيت ها موادي مقاوم هستند .مزيت ديگر آنها اين است که توليداتي با انعطاف پذيري توليد مي کنند . کامپوزيت ها مي توانند به شکل دهي پيچيده قالب گيري شوند .
چيزخوبي که درهنگامي که مي خواهيم چيزي مانند يک تخته ي موج سواري يا بدنه ي قايق را بسازيم به ما کمک کند .
عيب کامپوزيت ها معمولاً قيمت بالاي آنهاست .اگرچه پروسه ي توليد اغلب کم خرج است .ولي مواد اوليه ي کامپوزيت ها گران قيمت است . کامپوزيت ها هرگز به طورکامل جانشين مواد سنتي مانند فولاد نمي شوند اما در بسياري از موارد کامپوزيت ها همان چيزي هستند که ما مي خواهيم .
منبع:www.science.org
/س