علم و فناوری مواد کامپوزیت

در جامعه ای پیشرفته مانند ما ، همه ما در برخی از جنبه های زندگی خود به مواد کامپوزیتی وابسته هستیم. فایبرگلاس فایبرگلاس یک ماده کامپوزیت ساخته شده از الیاف شیشه ای ریز بافته شده در پارچه ای که سپس با پلاستیک یا رزین مصنوعی پیوند خورده است. در اواخر دهه 1940 توسعه یافت و اولین کامپوزیت مدرن بود. این هنوز هم رایج ترین است و حدود 65 درصد از کل کامپوزیت های تولید شده امروز را تشکیل می دهد. از آن برای بدنه های قایق ، تخته های گشت و گذار ، کالاهای ورزشی ، روکش استخر ، پانل های ساختمان و اجساد ماشین استفاده می شود. شما ممکن است بدون دانستن آن از چیزی از فایبرگلاس استفاده کنید.

چه چیزی یک ماده را به عنوان کامپوزیت تبدیل می کند

مواد کامپوزیت با ترکیب دو یا چند ماده که خاصیت کاملاً متفاوتی دارند تشکیل می شوند. مواد مختلف با هم کار می کنند تا خصوصیات منحصر به فرد کامپوزیت را ارائه دهند ، اما در داخل کامپوزیت می توانید به راحتی مواد مختلف را از هم جدا کنید - آنها به یکدیگر حل نمی شوند یا مخلوط نمی شوند.

کامپوزیت ها در طبیعت وجود دارند. یک تکه چوب یک کامپوزیت است ، با الیاف طولانی سلولز (یک شکل بسیار پیچیده از نشاسته) که توسط یک ماده بسیار ضعیف تر به نام لیگنین نگهداری می شود. سلولز همچنین در پنبه و کتان یافت می شود ، اما این قدرت اتصال لیگنین است که یک تکه چوب را بسیار قوی تر از یک دسته از الیاف پنبه می کند.

این ایده جدیدی نیست

انسان هزاران سال است که از مواد کامپوزیت استفاده می کند. به عنوان مثال آجر گل مصرف کنید. اگر سعی کنید یک کیک از گل خشک شده را خم کنید ، به راحتی می شکنند اما اگر سعی کنید کدو کنید یا آن را فشرده کنید ، قوی است. از طرف دیگر ، یک تکه نی ، وقتی سعی می کنید آن را دراز کنید ، قدرت زیادی دارد اما تقریباً هیچکدام از آن را خرد می کنید. هنگامی که گل و نی را در یک بلوک ترکیب می کنید ، خواص این دو ماده نیز ترکیب می شوند و آجری می گیرید که در برابر فشردن و پاره شدن یا خم شدن قوی است. از نظر فنی تر ، هر دو قدرت فشاری فشاری فشاری خوب دارند ، حداکثر استرس که یک ماده در هنگام قرار گرفتن در معرض بار قرار می دهد که آن را به هم سوق می دهد. و استحکام کششی خوب استحکام کششی حداکثر استرس یک ماده در هنگام قرار گرفتن در معرض بار کششی تحمل می کند. بشر

کامپوزیت مشهور دیگر بتن است. در اینجا کل (سنگ های کوچک یا شن) توسط سیمان به هم متصل می شوند. بتن تحت فشرده سازی قدرت خوبی دارد و با اضافه کردن میله های فلزی ، سیم ، مش یا کابل به کامپوزیت می توان آن را تحت فشار قرار داد (بنابراین ایجاد بتن مسلح).

کامپوزیت ها از نوعی کربن به نام گرافن همراه با مس فلزی ساخته شده اند و به تنهایی 500 برابر قوی تر از مس تولید می شوند. به طور مشابه ، کامپوزیتی از گرافن و نیکل قدرت بیشتری از 180 بار نیکل دارد.

در مورد فایبرگلاس ، این ماده از مواد جامد پلاستیکی پلاستیکی پلاستیکی متشکل از پلیمرهای آلی ساخته شده است. که توسط رشته ها یا الیاف شیشه تقویت شده است. این رشته ها یا می توانند در کنار هم قرار بگیرند ، و در یک تشک بافته شوند ، یا بعضی اوقات آنها را به طول کوتاه که به طور تصادفی در ماتریس پلاستیکی قرار دارند ، بریده می شوند.

بیش از قدرت

امروزه بسیاری از کامپوزیت ها برای کارکردهایی غیر از بهبود قدرت یا سایر خصوصیات مکانیکی ساخته می شوند. بسیاری از کامپوزیت ها متناسب با هادی های خوب یا عایق گرما هستند یا خاصیت مغناطیسی خاصی دارند. خواص بسیار خاص و تخصصی اما بسیار مهم و مفید است. این کامپوزیت ها در طیف گسترده ای از دستگاه های برقی از جمله ترانزیستورها ، سلول های خورشیدی ، سنسورها ، آشکارسازها ، دیودها و لیزرها و همچنین برای تهیه پوشش های سطح ضد خورنده و ضد استاتیک استفاده می شوند.

کامپوزیت های ساخته شده از اکسیدهای فلزی همچنین می توانند از خاصیت الکتریکی خاصی برخوردار باشند و برای تولید تراشه های سیلیکونی استفاده می شوند که می توانند کوچکتر و بسته بندی متراکم تر در رایانه باشند. این باعث بهبود ظرفیت و سرعت حافظه رایانه می شود. از کامپوزیت های اکسید نیز برای ایجاد خواص ابررسانا با دمای بالا که اکنون در کابل های الکتریکی استفاده می شود ، استفاده می شود.

ساخت یک کامپوزیت

بیشتر کامپوزیت ها فقط از دو ماده تشکیل شده اند. یک ماده (ماتریس یا چسب) یک خوشه از الیاف یا قطعاتی از یک ماده بسیار قوی تر (تقویت کننده) را احاطه کرده و به هم متصل می کند. در مورد آجرهای گل ، این دو نقش توسط گل و نی گرفته می شوند. در بتن ، توسط سیمان و کل ؛در یک تکه چوب ، توسط سلولز و لیگنین. در فایبرگلاس ، تقویت شده توسط نخ های ریز یا الیاف شیشه ، که اغلب در یک نوع پارچه بافته می شوند ، تهیه می شود و ماتریس پلاستیک است.

نخ های شیشه ای در فایبرگلاس تحت فشار بسیار قوی است اما در صورت تمایل خمش نیز شکننده هستند و اگر به شدت خم شوند ، می چسبند. ماتریس نه تنها الیاف را در کنار هم قرار می دهد ، بلکه با به اشتراک گذاشتن هرگونه نیروی استرس واژه نامه استرس در هر واحد ، آنها را نیز از آسیب ها محافظت می کند. در همان واحدهای فشار ، یعنی Pascals (PA) اندازه گیری می شود. مواد به طور معمول دارای نقاط قوت در محدوده megapascal (MPA) (1 MPa = 1،000،000 Pa) هستند. در میان آنهاماتریس به اندازه کافی نرم است که با ابزارهایی شکل می گیرد و می تواند توسط حلالهای مناسب نرم شود تا امکان تعمیرات انجام شود. هرگونه تغییر شکل یک ورق فایبرگلاس لزوماً برخی از الیاف شیشه ای را دراز می کند و آنها قادر به مقاومت در برابر این امر هستند ، بنابراین حتی یک ورق نازک بسیار قوی است. همچنین کاملاً سبک است که در بسیاری از برنامه ها یک مزیت است.

طی دهه های اخیر بسیاری از کامپوزیت های جدید توسعه یافته اند ، برخی با خاصیت بسیار ارزشمندی. با انتخاب دقیق آرماتور ، ماتریس و فرآیند تولیدی که آنها را گرد هم می آورد ، مهندسان می توانند خواص را برای برآورده کردن نیازهای خاص تنظیم کنند. به عنوان مثال ، آنها می توانند با تراز کردن الیاف به این ترتیب ، ورق کامپوزیت را از یک جهت بسیار قوی کنند ، اما در جهت دیگری ضعیف تر هستند که قدرت آنقدر مهم نیست. آنها همچنین می توانند با انتخاب یک ماده ماتریس مناسب ، خواصی مانند مقاومت در برابر گرما ، مواد شیمیایی و هوازدگی را انتخاب کنند.

انتخاب مواد برای ماتریس

برای ماتریس ، بسیاری از کامپوزیت های مدرن از پلاستیک های ترمووزاسیون یا ترمووزنتیک (که به آن رزین نیز گفته می شود) استفاده می کنند.(استفاده از پلاستیک در ماتریس نام "پلاستیک های تقویت شده" را که معمولاً به کامپوزیت ها داده می شود توضیح می دهد). پلاستیک ها پلیمرهای پلیمرهای پلیمرهای بزرگ مولکولهای بزرگ هستند که از بسیاری از واحدها (مونومر) تشکیل شده اند که در یک زنجیره به هم وصل می شوند. پلیمرهای طبیعی (مانند نشاسته و DNA) و پلیمرهای مصنوعی (مانند نایلون و سیلیکون) وجود دارد. این تقویت را در کنار هم نگه می دارد و به تعیین خصوصیات بدنی محصول نهایی کمک می کند.

پلاستیک های حرارتی هنگام تهیه مایع هستند اما سخت می شوند و سفت می شوند (یعنی آنها را درمان می کنند) هنگام گرم شدن. فرآیند تنظیم غیر قابل برگشت است ، به طوری که این مواد در دمای بالا نرم نشوند. این پلاستیک ها همچنین در برابر سایش و حمله توسط مواد شیمیایی مقاومت می کنند ، حتی در صورت قرار گرفتن در معرض محیط های شدید ، آنها را بسیار بادوام می کند.

همانطور که از نام آن پیداست ، پلاستیک های حرارتی در دماهای پایین سخت هستند اما هنگام گرم شدن نرم می شوند. اگرچه از آنها معمولاً کمتر از پلاستیک های ترموزاسیون استفاده می شود ، اما مزایای آن وجود دارد ، از جمله سختی شکستگی بیشتر ، ماندگاری طولانی مواد اولیه ، ظرفیت بازیافت و یک محل کار تمیزتر و ایمن تر زیرا حلال های آلی برای فرآیند سخت شدن مورد نیاز نیست.

سرامیک ، کربن و فلزات به عنوان ماتریس برای برخی از اهداف بسیار تخصصی استفاده می شود. به عنوان مثال ، سرامیک ها در هنگام قرار گرفتن در معرض دمای بالا (مانند مبدل های حرارتی) استفاده می شوند و کربن برای محصولاتی که در معرض اصطکاک و سایش قرار دارند (مانند یاتاقان ها و چرخ دنده ها) استفاده می شود.

انتخاب مواد برای تقویت

اگرچه الیاف شیشه ای رایج ترین تقویت کننده هستند ، اما بسیاری از کامپوزیت های پیشرفته اکنون از الیاف ریز کربن خالص استفاده می کنند. دو نوع اصلی کربن وجود دارد که می توان از آنها استفاده کرد - گرافیت و نانولوله های کربن. اینها هر دو کربن خالص هستند ، اما اتم های کربن در تنظیمات مختلف کریستالی چیده شده اند. گرافیت یک ماده بسیار نرم است (در ‘Lead Pencils استفاده می شود) و از ورق های اتم های کربن که در هگزاژها مرتب شده اند ، ساخته شده است. اوراق قرضه که شش ضلعی را در کنار هم قرار می دهد بسیار قوی است ، اما اوراق قرضه نگه داشتن ورق های شش ضلعی در کنار هم بسیار ضعیف است ، این همان چیزی است که گرافیت را نرم می کند. نانولوله های کربن با گرفتن یک برگه گرافیت (معروف به گرافن) و چرخاندن آن به داخل لوله ساخته می شوند. این یک ساختار بسیار قوی ایجاد می کند. همچنین می توان لوله های ساخته شده از استوانه های متعدد - لوله های موجود در لوله ها را تهیه کرد.

کامپوزیت های فیبر کربن سبک و بسیار قوی تر از الیاف شیشه ای هستند ، اما همچنین گران تر هستند. از این دو ، الیاف گرافیتی ارزان تر و تولید آن از نانولوله های کربن آسان تر هستند. آنها در سازه های هواپیما و تجهیزات ورزشی با کارایی بالا مانند کلوپ های گلف ، راکت تنیس و قایق های قایقرانی استفاده می شوند و به جای فلزات به طور فزاینده ای برای تعمیر یا جایگزینی استخوان های آسیب دیده مورد استفاده قرار می گیرند.

حتی قوی تر (و پرهزینه تر) از الیاف کربن نخ های بور هستند. نانولوله های نیترید بور مزیت اضافی دارند که نسبت به الیاف کربن نسبت به گرما بسیار مقاوم هستند. آنها همچنین دارای خصوصیات پیزوالکتریک هستند ، به این معنی که در صورت اعمال فشار فیزیکی بر روی آنها ، مانند پیچاندن یا کشش ، می توانند برق تولید کنند.

از پلیمرها همچنین می توان به عنوان ماده تقویت کننده در کامپوزیت ها استفاده کرد. به عنوان مثال ، Kevlar ، که در ابتدا برای جایگزینی فولاد در لاستیک های شعاعی ساخته شده است اما به دلیل استفاده از آن در جلیقه های ضد گلوله و کلاه ایمنی شناخته شده است ، فیبر پلیمری است که بسیار قوی است و چقرمگی را به یک کامپوزیت اضافه می کند. از آن به عنوان تقویت در محصولات کامپوزیتی که نیاز به ساخت و سازهای سبک و قابل اعتماد دارند (به عنوان مثال ، قسمتهای ساختاری بدنه یک هواپیما) استفاده می شود. حتی قوی تر از Kevlar ماده ای است که از ترکیبی از گرافن و نانولوله های کربن ساخته شده است.

منبع: ناسا گودارد / یوتیوب. مشاهده جزئیات ویدیو و متن.

انتخاب فرآیند تولید

تهیه یک شی از یک ماده کامپوزیت معمولاً شامل نوعی قالب است. ماده تقویت کننده ابتدا در قالب قرار می گیرد و سپس ماده ماتریس نیمه مایع برای تشکیل جسم پاشیده یا پمپ می شود. ممکن است فشار برای مجبور کردن حباب هوا اعمال شود و سپس قالب گرم می شود تا ماتریس جامد شود.

فرآیند قالب بندی اغلب با دست انجام می شود ، اما پردازش خودکار توسط ماشین ها رایج تر می شود. یکی از این روشها به نام Pultrusion Glossary Pultrusion یک فرآیند قالب گیری مداوم نامیده می شود که به طور مکانیکی رشته های طولانی تقویت کننده ها را برای یک ماده کامپوزیت تراز می کند و سپس آنها را از طریق حمام رزین ترمووزاسیون عبور می دهد. رشته های روکش شده قبل از فرآیند پخت توسط یک راهنمای مکانیکی جمع می شوند.(اصطلاحی حاصل از کلمات "کشش" و "اکستروژن"). این فرآیند برای تولید محصولاتی که مستقیم و دارای یک مقطع ثابت مانند تیرهای پل هستند ، ایده آل است.

در بسیاری از سازه های نازک با اشکال پیچیده ، مانند پانل های خمیده ، ساختار کامپوزیت با استفاده از ورق های تقویت فیبر بافته شده ، اشباع شده با مواد ماتریس پلاستیکی ، بر روی یک قالب پایه مناسب ساخته شده است. هنگامی که پانل به ضخامت مناسب ساخته شده است ، سپس ماده ماتریس درمان می شود.

کامپوزیت های ساندویچ

بسیاری از انواع جدید کامپوزیت ها با استفاده از روش ماتریس و آرماتور ساخته نمی شوند بلکه با قرار دادن چندین لایه از مواد. ساختار بسیاری از کامپوزیت ها (مانند آنهایی که در پانل های بال و بدن هواپیما استفاده می شوند) ، شامل یک لانه زنبوری پلاستیکی است که بین دو پوست مواد کامپوزیت تقویت شده با فیبر کربن ساخته شده است.

این کامپوزیت های ساندویچ با استحکام بالا و به ویژه سفتی خمشی ، با وزن کم ترکیب می شوند. روش های دیگر شامل صرفاً قرار دادن چندین لایه متناوب از مواد مختلف (به عنوان مثال ، گرافن و فلز) برای ساخت کامپوزیت است.

چرا از کامپوزیت ها استفاده می کنیم؟

بیشترین مزیت مواد کامپوزیت ، قدرت و سفتی همراه با سبکی است. تولید کنندگان با انتخاب ترکیب مناسب از مواد آرماتور و ماتریس ، می توانند خواصی تولید کنند که دقیقاً مطابق با الزامات مربوط به یک ساختار خاص برای یک هدف خاص باشد.

استرالیا ، مانند همه کشورهای پیشرفته ، علاقه زیادی به مواد کامپوزیت دارد ، که بسیاری از افراد آن را "مواد آینده" می دانند. نگرانی اصلی کاهش هزینه ها است ، به طوری که می توان از کامپوزیت ها در محصولات و برنامه هایی استفاده کرد که در حال حاضر هزینه را توجیه نمی کنند. در عین حال ، محققان می خواهند عملکرد کامپوزیت ها را بهبود بخشند ، مانند مقاومت بیشتر آنها در برابر ضربه. یک تکنیک جدید شامل "کامپوزیت های نساجی" است. به جای اینکه الیاف تقویت کننده ای که به صورت جداگانه در آن قرار می گیرند ، که کند و پرهزینه است ، می توان آنها را بافتنی یا بافته کرد تا نوعی پارچه بسازند. این حتی می تواند سه بعدی باشد تا مسطح. فضاهای بین و اطراف الیاف نساجی سپس با مواد ماتریس (مانند رزین) پر می شود تا محصول بسازد. این فرآیند به راحتی می تواند توسط ماشین ها انجام شود نه با دست ، و آن را سریعتر و ارزان تر می کند. اتصال تمام الیاف به یکدیگر همچنین به این معنی است که کامپوزیت در هنگام ضربه کمتر آسیب دیده است. با کاهش هزینه ها ، سایر کاربردهای کامپوزیت ها شروع به جذاب به نظر می رسند. ساختن بدنه ها و ساختارهای قایق از کامپوزیت ها از مقاومت آنها در برابر خوردگی استفاده می کند. Minehunters نیروی دریایی استرالیا دارای پوسته های کامپوزیتی است ، زیرا اثر مغناطیسی یک پوسته فولادی در تشخیص مین تداخل دارد. همچنین در خط لوله ، واگن هایی برای قطارها ، تراموا و سایر "افراد حرکت دهنده" ، ساخته شده از کامپوزیت ها به جای فولاد یا آلومینیوم وجود دارد. در اینجا جذابیت سبک بودن کامپوزیت ها است ، زیرا وسایل نقلیه از انرژی کمتری استفاده می کنند. به همین دلیل ، ما در آینده می خواهیم کامپوزیت های بیشتر و بیشتری را در اتومبیل ببینیم.

هواپیمایی مدرن ، چه نظامی و چه مدنی ، نمونه بارز است. بدون کامپوزیت بسیار کارآمدتر خواهد بود. در حقیقت ، خواسته های این صنعت برای موادی که هم سبک و هم قوی هستند ، نیروی اصلی توسعه کامپوزیت ها بوده است. اکنون پیدا کردن بخش های بال و دم ، پروانه ها و تیغه های روتور ساخته شده از کامپوزیت های پیشرفته ، به همراه بسیاری از ساختار داخلی و اتصالات معمول است. هواپیماهای هوایی برخی از هواپیماهای کوچکتر کاملاً از کامپوزیت ها ساخته می شوند ، مانند پانل های بال ، دم و بدنه هواپیماهای تجاری بزرگ.

در فکر کردن در مورد هواپیماها ، لازم به یادآوری است که کامپوزیت ها نسبت به فلزات (مانند آلومینیوم) کمتر از استرس شکسته می شوند. یک شکاف کوچک در یک قطعه فلز می تواند خیلی سریع با عواقب بسیار جدی (به ویژه در مورد هواپیما) گسترش یابد. الیاف در یک عمل کامپوزیت برای جلوگیری از گسترش هرگونه شکاف کوچک و به اشتراک گذاشتن استرس در اطراف.

کامپوزیت های مناسب نیز در برابر گرما و خوردگی ایستاده اند. این امر آنها را برای استفاده در محصولاتی که در معرض محیط های شدید مانند قایق ها ، تجهیزات شیمیایی و فضاپیما قرار دارند ، ایده آل می کند. به طور کلی ، مواد کامپوزیت بسیار بادوام هستند.

یکی دیگر از مزایای مواد کامپوزیت این است که آنها انعطاف پذیری طراحی را ارائه می دهند. کامپوزیت ها را می توان به شکل های پیچیده ای شکل داد - یک دارایی عالی هنگام تولید چیزی مانند یک تخته موج سواری یا پوسته قایق.

علاوه بر این ، در حال حاضر کارهای زیادی به سمت توسعه مواد کامپوزیت ساخته شده از مواد زاید ، مانند زباله های کشاورزی ، مصالح ساختمانی یا ظروف نوشیدنی پلاستیکی انجام می شود.

روند نزولی کامپوزیت ها معمولاً هزینه است. اگرچه فرآیندهای تولید هنگام استفاده از کامپوزیت ها اغلب کارآمدتر هستند ، اما مواد اولیه گران هستند. کامپوزیت ها هرگز کاملاً جایگزین مواد سنتی مانند فولاد نخواهند شد ، اما در بسیاری موارد آنها فقط همان چیزی هستند که ما نیاز داریم. و بدون شک با تکامل فناوری ، کاربردهای جدیدی پیدا می شود. ما هنوز تمام آنچه را که کامپوزیت ها می توانند انجام دهند ندیده ایم.