تحقیق تاریخچه کامپوزیت

کامپوزیت

کامپوزیت به موادی اطلاق می شود که در ساختار آن بیش از یک جزء استفاده شده باشد. که در این مواد اجزاء مختلف خواص فیزیکی مکانیکی خود را حفظ می کنند. البته این طور هم می توان گفت که کامپوزیت ها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است. ضمن آن که اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می‌بخشند.

جملات بالا تعریف ساده ای از کامپوزیت ها بودند. این را هم اشاره کنم که بررسیها و تحقیقات برای دست یافتن به مواد جدیدتر با خواص مکانیکی بهتر ، همواره انجام می‌گرفته و هنوز هم همگام با پیشرفت صنایع دنبال می‌گردد. در این بررسیها ، اغلب این هدف دنبال می‌شود که به موادی با نسبت مناسب از استحکام کششی به چگالی ، استحکام حرارتی بالا و خواص ویژه سطح خارجی دست یابند. کامپوزیت های در راستای این هداف کشف شدند و مورد استفاده بسیار در انواع صنایع قرار گرفتند.

در این جا سعی داریم شما را با دو نوع بسیار معروف در دنیای کامپوزیت آشنا سازیم این دو نوع کامپوزیت های پلیمری و نانو کامپوزیت ها هستند

فصل اول: کامپوزیت های پلیمری قسمت اول

مقدمه

به طور کلی به ترکیب دو یا چند ماده با هم، ماده مرکب گفته می‌شود که مواد مرکب حاصل از مواد پرکننده یا تقویت کننده با پلیمرها از مهمترین آن ها محسوب می‌شوند. این مواد اهمیت صنعتی فراوانی دارند و هنوز هم تحقیقات در این زمینه ادامه دارند. مواد مصنوعی تقویت شده با الیاف شیشه (فایبرگلاس‌ها) یکی از این مواد می‌باشد که تاکنون کاربرد صنعتی وسیعی پیدا کرده اند.در ضمن صنعت کامپوزیت یکی از صنایع رو به رشد در عرصه مواد مهندسی است. امروزه به خاطر مزایایی که کامپوزیت ها نسبت به فلزات دارند، توسعه زیادی پیدا کرده اند.

تهیه مواد مرکب از پودر چوب یا محصولات سلولزی مانند الیاف سلولز، لیگنین و غیره.با پلی‌اولفین‌ها، بالاخص پلی‌پروپیلن در دهه اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفته است و کشورهای آمریکایی و اروپایی محصولاتی از این نوع را تحت عنوان wood stock برای مصارف گوناگون، عرضه کرده‌اند.

انواع کامپوزیت های پلیمری

کامپوزیت های پلیمری به دو دسته کلی تقسیم بندی می شوند:

1. کامپوزیت تقویت شده با الیاف (Fiber Reinforced Composites): این کامپوزیت ها به کامپوزیت های لیفی هم مشهور هستند (Fibrous Composites). در این نوعاز کامپوزیت،الیاف فاز تقویت کننده می باشد. این دسته از کامپوزیت ها (FRC)کاربرد های سازه ای استفاده فراوانی دارند.

2. کامپوزیت های ذره ای :(Particulate Composite)در این نوع از کامپوزیت ها، فاز تقویت کننده از ذرات تشکیل شده است. این دسته از کامپوزیت ها در قطعات با اصطحکاک زیاد مورد کاربرد قرار می گیرند.

از منظری دیگر می توان کامپوزیت ها پلیمری رابر اساس نوع تقویت شدن، به شیشه ایی ، کربنی و آرامید تقسیم کرد. کامپوزیت هایپلیمری رشته شیشه ای شامل رشته های شیشه ایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه پلیمریاست. در آینده به جای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویت کننده در کامپوزیت هایپلیمری استفاده خواهد شد. چون رشته های کربنی بیشترین استحکام ویژه و مدول ویژه رادر میان مواد رشته های تقویت کننده دارا هستند . رشته های آرامید موادی با استحکامو مدول بالا هستند که در اوایل دهه 1970 عرضه شدند .

در کامپوزیت های زمینهپلیمری ، غیر از سه نوع رشته تقویت کننده شیشه ایی ، کربنی و آرامید گاه از بور ،کاربید سیلیسیم و اکسید آلومینیم در حد محدودی استفاده می شود. رشته های بور در اجزاهواپیماهای نظامی ، تیغه ای پره بالگرد و برخی وسایل ورزشی بکار می رود از رشتهکاربید سیلیسیم و آلومینا در راکتها ی تنیس ، مدار چاپی و دماغه مخروطی موشکاستفاده می شود

کامپوزیت ها براساس منشأ (طبیعی یا مصنوعی) زمینه یا پر کننده نیز طبقه بندی می شوند. طبیعت از کامپوزیت ها در مواد سخت استفاده کرده است. این مواد سخت دارای ساختار پیچیده ای از مواد فیبری یا ذره ای هستند که در زمینه ای آلی قرار گرفته اند (این زمینه مانند چسب عمل می کند). چوب یک کامپوزیت است که از الیاف سلولز به همراه لیگنین (lignin) تشکیل شده است. ابریشم تولیدی از عنکبوت، شامل نانوکریستال های آلی در یک زمینه ی آمورف و آلی است. پوسته ی حلزون (شکل 2) از لایه های یک ماده ی مینرالی سخت تشکیل شده است که بوسیله ی یک بایندر پروتئینی از همدیگر مجزا شده اند. یک ساختار صفحه ای مشابه تولید شده است که بوسیله ی قرارگیری فلس های میکا در یک زمینه ی پلیمر مصنوعی به دست می آید. این پلیمر مصنوعی ترموست به همراه میکای فلس مانند تشکیل مجراهای عبور بخار و مایع در یک میکروکامپوزیت می دهد.

طبقه بندی کامپوزیت های بر اساس کاربرد: این مواد چند سازه ای بر اساس نوع کاربرد و عملکردی که دارند هم طبقه بندی می شوند. برای مثال شخصی می تواند مابین دو بیوکامپوزیت تفاوت قائل شود؛ مثلا بیوکامپوزیت های مورد مصرف برای کاربردهای اکولوژی (ecologicalapplications) که از ترکیب الیاف یا ذرات طبیعی به همراه زمینه ای پلیمری تشکیل شده اند. (این پلمیرها از منابع بازگشت پذیر و غیر قابل بازگشت پذیر تهیه می شوند). این نوع بیوکامپوزیت ها به خاطر داشتن خاصیت تخریب پذیری بوسیله محیط طبیعی، ممتاز هستند. بیوکامپوزیت های مورد استفاده در بیوپزشکی از پلیمرهای تخریب پذیر یا مقاوم در برابر عوامل بیولوژیک تشکیل شده اند که بوسیله ی پر کننده های با سطح فعال یا خنثی اصلاح شده اند. این نوع بیوکامپوزیت ها در شکسته بندی (orthopedics)، ترمیم استخوانی (boneregeneration) یا کاربردهای مهندسی بافت کاربرد دارند.

الیاف شیشه نوعS، تقریباْْ40 درصد استحکام بیشتری نسبت به الیاف شیشه نوعEدارند.الیاف شیشه نوعCیا الیاف شیشه شیمیایی ، دارای ترکیب بور و سیلیکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پایداری شیمیایی بیشتری به خصوص در محیط‌های اسیدی دارد.الیاف شیشه کوارتز، بیشتر در مواردی که خاصیت دی‌الکتریک پایین نیاز باشد، مانند پوشش آنتن‌ها و یا رادارهای هواپیما استفاده می‌شوند

کامپوزیت های پلیمری FRP: این کلمه اختصاری از کلمات Fiber Reinforced Polymer or Plastic می با شد. به عبارت دیگر به یک ماده مرکب و کامپوزیتی اطلاق می شود که از دو بخش فیبر(الیاف تقویتی) و ماتریس رزین از جنس پلیمر تشکیل شده است. این کامپوزیت به دو شکل ورق های FRP و میلگردهای FRP وجود دارد. در ضمنFRP ها را بر اساس فیبر تشکیل دهنده ی آنها به 3 دسته تقسیم می کنند:

1. CFRP الیاف از جنس کربن

2. GFRP الیاف از جنس شیشه

3. AFRP الیاف از جنس آرامید

اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت های پلیمری

کامپوزیت های پلیمری مخلوط هایی از پلیمرها به همراه افزودنی های آلی و غیر آلی هستند. در واقع این افزودنی ها دارای هندسه های مختلفی مانند الیاف، فلس مانند (Flakes)، کره مانند و ذره ای هستند. کارایی کامپوزیتهای پلیمری مهندسی توسط خواص اجزاء آن ها تعیین میشود. اغلب آن ها دارای الیاف با مدول بالا هستند که در ماتریسهای پلیمری قرار داده شده اند. همچنین یک کامپوزیت از دو فاز عمده تشکیل شده است :

1. فاز پیوسته یا ماتریس

2. فاز ناپیوسته

کامپوزیته ای زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری (پلاستیک تقویت شده مولکول درشت) به عنوان زمینه با رشتهایی به عنوان عامل تقویتکننده تشکیل شده است.رزین پلیمری فاز پیوسته و رشته ها (الیاف ها) فاز ناپیوسته کامپوزیت پلیمری هستند.

نقش ماتریس در کامپوزیت ها به شرح زیر می باشد:

1. انتقال تنش بین الیاف

2. نگهداری الیاف در کنار هم

3. حفاظت در مقابل شرایط محیطی سخت وحفاظت از سایش مکانیکی الیاف

4. حفاظت عرضی برای الیاف و جلوگیری از کمانش آن تحت بار فشاری

5. انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور

تاثیر ماتریس ها بر خواص کامپوزیت :

1. استحکام و مدول عرضی موثر

2. خواص فشاری  موثر

3. استحکام برشی  موثر

4. استحکام برشی صفحه ای  موثر

5. خواص کششی  کم اثر

فرایند پذیری یک کامپوزیت به خصوصیات فیزیکی رزین ها مانند گرانروی، نقطه ذوب و دمای پخت بستگی دارد.

فرایند پذیری یک کامپوزیت به خصوصیات فیزیکی رزین ها مانند گرانروی، نقطه ذوب و دمای پخت بستگی دارد.

نقش الیاف ها در کامپوزیت ها:
1. سهم اصلی باربری درمواد مرکب را دارد.
2. بالاترین حجم را در مواد مرکب پر می کند.
3. انتخاب دقیق مقدار و نوع الیاف و جهت قرارگیری بسیار مهم است.
الیاف های دارای ویژگی های زیر هستند :
1. منعطف بودن جهت شکل گیری مورد نظر
2. امکان پیش شکل دادن (Performing) مثل بریدن یا دوختن یا فشردن و افشاندن
3. تراکم مناسب جهت جریان راحت رزین از میان آن

افزودنی های مورد استفاده در کامپوزیت های پلیمری به صورت های مختلفی طبقه بندی می شوند مثلا برخی از آنها تقویت کننده، برخی پرکننده و برخی ترکیبی از خاصیت پرکنندگی و تقویت کنندگی را پدید می آورند. تقویت کننده ها دارای سفتی و استحکام بیشتری نسبت به پلیمرها هستند. و معمولا این مواد باعث افزایش مدول و استحکام پلیمری می شوند. علاوه بر خواص مکانیکی سایر خواص یک پلیمر نیز تحت تأثیر این مواد افزودنی هاست