آیا کامپوزیت ها جانشینی مناسب برای مواد سنتی هستند؟

کامپوزیت ها (coposites ):

در جوامع پشرفته نیاز به مواد کامپوزیتی دیده می شود .فایبرگلاس ( fiber glass)،که در اواخر دهه ی 1940 تولید شد اولین کامپوزیت مدرن است.و هم اکنون نیز متداولترین کامپوزیت مصرفی در کشورهای مختلف جهان است .امروزه فایبرگلاس تقریباً 65 درصد از کامپوزیت های مصرفی در کشورهای مختلف جهان را تشکیل می دهد .این کامپوزیت در بدنه های قایق (boot hulls)، تخته های موج سواری (surf boards)، وسایل ورزشی ( sporting goods) ، لاینینگ استخرهای شنا(swimming poll lining)، پانل های ساختمانی (building panels)و بدنه های ماشین (car bodies)کاربرد دارد .و این امکان وجود دارد که شما از این کامپوزیت استفاده کرده باشید درحالی که نمی دانستید که جنس آن را از فایبر گلاس است .

چه چیز از یک ماده ی کامپوزیت می سازد ؟

مواد کامپوزیتی ازترکیب دو یا چند ماده با خواص متفاوت به وجود می آیند . مواد مختلف با یکدیگر مخلوط گشته تا خواصی بی همتا به ماده ی کامپوزیتی بدهد .اما ازلحاظ ساختار داخلی به آسانی قابل تشخیص هستند .یعنی مواد ترکیب شده در یک ماده ی کامپوزیتی به آسانی قابل دیدن هستند .و در هم حل نشده اند و با هم پیوند نداده اند .
کامپوزیت ها درطبیعت نیزیافت می شوند .یک تکه چوب کامپوزیتی ازالیاف بلند سلولز (حالتی بسیار پیچیده از نشاسته )که با مواد بسیار ضعیف تری که لیگنین (lignin)نامیده می شوند به هم اتصال پیدا کرده اند .سلولز همچنین در پنبه (linen)و کتان (cotton)نیز وجود دارد ، اما قدرت پیوند لیگنین است که باعث شده یک تکه چوب از یک تکه پنبه محکم تر باشد .

کامپوزیت ها مواد جدیدی نیستند :

انسان ها از مواد کامپوزیتی به مدت هزاران سال استفاده می کردند .مثلاً آجرهای گلی که یک بیسکویت (تکه )از گل خشک شده است به آسانی با یک خم کردن می شکند .
که علت آن ایجاد یک نیروی کششی دریک سمت آن است .اما همین آجر یک دیوار خوب را می سازد و علت این امراین است که کلیه ی نیروهای وارده بر آجر از نوع فشاری است به عبارت دیگر یک تکه حصیر ،مقاومت کششی خوبی دارد .اما اگر آن را مچاله کنید (یعنی آن را فشاردهیم )به آسانی دفورمه می شود .اما اگریک تکه از حصیر را در یک آجر گلی تعبیه کنید . و اجازه دهید قطعه خشک شود .نتیجه ی کار آجری است که هم در برابر کشش و هم دربرابرگسیختگی مقاومت می کند .و یک ماده ی ساختمانی مناسب است .اگربخواهیم فنی تر نگاه کنیم ، این آجر دارای حصیر هم مقاومت کششی (tenside shrongh)هم مقاومت فشاری (compressive strengh)خوبی دارد .
کامپوزیت معروف دیگر بتون است که از مصالح سنگی (سنگ و ماسه های ریز و درشت )تشکیل شده که به وسیله ی سیمان به هم دیگر متصل شده اند .بتون مقاومت خوبی در برابر فشار دادن و این ماده را می توان به وسیله ی افزودن میله های فلزی (metallic rods)، سیم ها (wires)،توری (mesh)یا کابل ها (cables) کامپوزیت کرد تا در برابر کشیدگی نیزبتواند رفتار خوبی داشته باشد .( بنابرای بتون تقویت شده حاصل می شود ).

ساختن یک کامپوزیت (making a composite):

بیشتر کامپوزیت ها فقط از دو نوع ماده ساخته شده اند .یک ماده [ ماتریکس (martix)یا اتصال دهنده ]دراطراف قرار گرفته و موجب اتصال کلوخه ها ، الیاف یا خرده های ماده ی سخت تر [تقویت کننده (reinforcement)می گردد .]
درمورد آجرهای گلی این دو وظیفه به وسیله ی حصیر و گل انجام می شود ، در بتون به وسیله ی سیمان و کلوخه های ماسه ای و دریک تکه چوب به وسیله ی سلولز و لیگنین انجام می شود .درفایبرگلاس ، تقویت کننده الیاف نازکی از شیشه است که عموماً مانند پارچه بافته می شود .و زمینه ( matrix)ازماده ی پلاستیکی تشکیل شده است .
الیاف رشته ای و نازک شیشه در فایبرگلاس در برابر کشش مقاومت بسیار بیشتری نسبت به فشار ازخود نشان می دهند .اما این الیاف بسیار شکننده اند و اگر به تندی خم شوند از هم گسیخته می شوند .ماتریکس نه تنها الیاف را در کنار هم نگه می دارد .بلکه می تواند با توزیع تنش ها در کل ماده از کامپوزیت محافظت کند .
ماتریکس (زمینه )به حدی نرم است که می توان با ابزار آلات آن را شکل دهی کرد .یا با حلال های مناسب آن را نرم کنیم و در صورت نیازآن را ترمیم کنیم .هرتغییرشکل یک صفحه ی فایبرگلاس ، نیاز به کشیده شدن مقداری از الیاف شیشه را دارد .
و این الیاف در برابر آن مقاومت می کنند ، بنابراین حتی یک صفحه ی نازک از فایبرگلاس بسیار محکم است .رنگ این ماده همچنین می تواند بسیار روشن باشد ، که خود یک مزیت دربسیاری از کاربردهاست .
در دهه های اخیر ،بسیاری از کامپوزیت های جدید تولید شده است ، که بعضی از آنها خواص با ارزشی دارند .با دقت در انتخاب تقویت کننده ، زمینه پروسه ی ترکیب این دو ماده درهم ، یک مهندس می تواند خواص مختلف را ترکیب و به خاصیت های مد نظرش برسد .آنها می توانند ، برای مثال یک صفحه ی کامپوزیتی بسیارمحکم در یک جهت بسازند (به وسیله ی موازی کردن الیاف در یک جهت خاص که البته استحکام در جهت دیگر قطعه ممکن است بسیار کمتر از جهت هدایت شده ی ما باشد )که البته ایجاد استحکام در یک جهت از کارهایی است که مد نظر ماست و در بعضی از کاربردها به درد ما می خورد .آنها همچنین می توانند خواصی چون مقاومت در برابر گرما ، عوامل شیمیایی و هوازدگی را به وسیله ی انتخاب زمینه ی مناسب در کامپوزیت ایجاد کنند .

مواد انتخابی برای زمینه (choosing materials for matrix):

برای زمینه ، در تولید بسیاری از کامپوزیت های پیشرفته از پلاستیک های ترموست و ترموپلاست که زرین نیز نامیده می شوند استفاده می شود . پلاستیک ها، پلیمرهایی هستند .که تقویت کننده ها را به هم چسبانده و کمک می کند تا خواص محصول نهایی ایجاد شود .
پلاستیک ها گرمانرم (Thermosoftening plastics)همانگونه که از اسمشان پیداست در دماهای پایین سخت اما هنگامی که به آنها گرما بدهیم نرم می شوند .اگرچه این مواد عموماً کمتر از پلاستیک های ترموست استفاده می شوند.ولی مزایایی چون چقرمگی شکست بالاتر (fracture toughness)،دوام طولانی تر (longer shelflife)، قابلیت بازیافت و محیط کاری ایمن تر و تمیزتر (زیرا از حلال های آلی که برای پروسه ی سخت کردن است استفاده نمی شود )را داراست .
سرامیک ها ، کربن و فلزات به عنوان زمینه برای برخی از اهداف خیلی خاص استفاده می گردد .برای مثال :سرامیک هنگامی استفاده می شود که مواد با دماهای بالا سر و کار دارند .[مثلاً مبدل های حرارتی (heat exchanging)].ازکربن نیز برای تولید محصولاتی که با سایش و پوسیدگی مواجه اند استفاده می شود .[مثلاً یا طاقان ها (bearing)و گریبکس ها (gears)].

مواد انتخابی برای تقویت کننده (choosing materials for the rein for cement):

اگر چه الیاف شیشه (glass fibres)از متداولترین تقویت کننده به حساب می آید .ولی بسیاری از کامپوزیت های پیشرفته درحال حاضر از الیاف نازک کربن خالص تولید می شوند .

الیاف شیشه (Glass fibres)

الیاف کربن (carbon fibres)ازالیاف شیشه محکم تراند ، اما تولید آنها گران تر است .الیاف کربن سبک اند درعین اینکه محکم نیز هستند .این الیاف در ساختار سفینه های فضایی و در تولیدات ورزشی [ مانند وسایل گلف (golf clubs)]و به طور زیاد شونده و با سرعت استفاده ی روز افزون به جای فلز برای ترمیم و جانشین استخوانهای آسیب دیده مورد استفاده قرار می گیرد .الیاف محکم تر (و البته گران تر )ازالیاف کربن الیاف بورن (Boron fibres)هستند .
پلیمرها نه تنها برای زمینه استفاده می شوند .بلکه از آنها مواد تقویت کننده ی خوبی برای استفاده در کامپوزیت ها ایجاد شده است .کولار (kevlar)، الیاف پلیمری است که بی اندازه محکم است .و موجب افزایش چقرمگی در کامپوزیت ها می شود .این پلیمر به عنوان تقویت کننده در تولیدات کامپوزیتی که نیاز به وزن کم (حالت سبکی )و ساختمان پایدار دارد استفاده می شوند .(مثلاً بخش هایی از بدنه ی یک هواپیما ).مواد کامپوزیتی مورد استفاده ی اصلی را از کولار ندارند .کولار برای جایگزینی به جای فولاد در لاستیک های رادیال (radial tyres)و در حال حاضر نیز برای استفاده در جلیقه های ضد گلوله (bullet proofvests)و کلاه های ایمنی (helmets)سنتز و تولید شده است .

ساخت بدنه هواپیما با استفاده از مواد کامپوزیتی

انتخاب روش تولید (choosing the manufacturing process):

تولید یک شیء از مواد کامپوزیتی معمولاً به وسیله ی ایجاد قالب هایی برای فرم دهی انجام می شود .مواد تقویت کننده ابتدا در قالب قرار داده می شوند و سپس ماده ی نیمه مایع زمینه به داخل قالب اسپری یا پمپ می شود و شکل جسم ایجاد می شود .فشارمعمولاً برای خارج کردن حبابهای هوای موجود در نمونه ی کامپوزیتی اعمال می شود .سپس به قالب گرما داده می شود تا زمینه جامد گردد .
پروسه ی قالب گیری معمولاً به وسیله ی دست انجام می شود .ولی امروزه پروسه ی اتوماتیک به وسیله ی دستگاه نیزعمومیت یافته است .یکی از روشهای جدید که اکسترود کششی (pultrusion)[واژه ای که از دو لغت pull به معنای کشیدن (extrusion)با سطح صاف .این مواد سطح مقطع عرضی ثابتی دارند که در تولید به ما کمک می کند مانند تولید تیرهای پل از جنس کامپوزیت .
در بسیاری از ساختارهای نازک با اشکال پیچیده مانند پانل های خمیده ، ساختار کامپوزیت با چسبانیدن صفحات الیاف بافته شده که نقش تقویت کننده را دارند به وجود می آید ، سپس به وسیله ی زمینه ی پلیمری پر می شود .البته این کار در یک قالب پایه انجام می شود و زمانی که پانل درضخامت مورد نظر ساخته شد مواد زمینه خشک و جامد می گردند .

نمونه ای از کامپزیت با ساختار لانه زنبوری

در بسیاری از کامپوزیت های پیشرفته (به عنوان مثال آنهای که در بال و پانل های بدنه ی هواپیما کاربرد دارند )ساختار ممکن است شامل یک پلاستیک به حالت لانه زنبوری باشد که درمیان دو پوسته ی کامپوزیتی تقویت شده با الیاف کربن پیچیده شده باشد .

شکل : الیاف کربنی ( Corbon fibers)

این کامپوزیت های ساندویچی ،استحکام بالا و سختی پیوندی مخصوصی را با وزن کم ایجاد می کنند .شبیه به هرچیزی که به هواپیما مربوط باشد . این پانل ها نیز گران قیمت هستند .
*چرا از کامپوزیت ها استفاده می کنیم ؟ (so why use composites):
بزرگترین حسن مواد کامپوزیتی استحکام و سختی توأمان و سبکی آنهاست . با انتخاب مطلوب مواد تقویت کننده و زمینه ، تولیدات می توانند خواصی داشته باشند که نیازهای ما را برای یک ساختار خاص و برای یک هدف خاص برآورده کند .هوانوردی مدرن ،هردو بخش نظامی و غیرنظامی مثال اول ماست .این صنعت بدون کامپوزیت ها کارآمد نیست .
درحقیقت ، نیازها برای تولیدات صنعتی تمایل به موادی دارد که درعین سبکی ، محکم نیز باشند .این امر منجر به توسعه ی کامپوزیت ها گشته است . قطعات بال (wing)، دم (tail)، ملخ ها (propellers)و پره های چرخان (rotor blades)عمدتاً از کامپوزیت های پیشرفته ساخته می شوند .
بدنه های هواپیماهای کوچکتر از مواد کامپوزیتی تولید می شوند .که اکثر بخشهای آنها از بدنه گرفته تا بال ها و دم از جنس مواد کامپوزیتی است .
در مورد فکرکردن به هواپیماها، این با ارزش است که بدانیم کامپوزیت ها احتمال شکست کامل کمتری نسبت به فلزاتی مانند آلومینیوم (Al )در شرایط اعمال تنش دارند .
یک ترک ریز در داخل یک قطعه ی فلزی می تواند به سرعت گسترش یابد و نتایج مخرب زیادی ایجاد کند .(به خصوص در مورد هواپیما )ولی در کامپوزیت ها الیاف مانند یک سد در برابر گسترش ترک مقاومت نموده و تنش را بر روی محیط اطراف توزیع می کنند .
کامپوزیت های اصلاح شده همچنین در برابر گرما و خوردگی مقاومت می کنند .این مزیت باعث می شود که از کامپوزیت ها در محصولاتی که با محیط های خطرناک مانند قایق ها ، ابزارآلات در تماس با مواد شیمایی (chemical-handling a quipment)و فضاپیما استفاده گردد .به طورعمومی ، کامپوزیت ها موادی مقاوم هستند .مزیت دیگر آنها این است که تولیداتی با انعطاف پذیری تولید می کنند . کامپوزیت ها می توانند به شکل دهی پیچیده قالب گیری شوند .
چیزخوبی که درهنگامی که می خواهیم چیزی مانند یک تخته ی موج سواری یا بدنه ی قایق را بسازیم به ما کمک کند .
عیب کامپوزیت ها معمولاً قیمت بالای آنهاست .اگرچه پروسه ی تولید اغلب کم خرج است .ولی مواد اولیه ی کامپوزیت ها گران قیمت است . کامپوزیت ها هرگز به طورکامل جانشین مواد سنتی مانند فولاد نمی شوند اما در بسیاری از موارد کامپوزیت ها همان چیزی هستند که ما می خواهیم .
منبع:www.science.org