آشنایی با کامپوزیت | هوافضای جوان

آشنایی با کامپوزیت

پیدایش مواد جدید و استفاده انسان از آن‌ها، اغلب باعث بروز تحولات بزرگ در تاریخ زندگی بشر شده است. این تحولات گاهی چنان تأثیر گذار بوده که فصل‌هایی از تاریخ را با مواد متداول آن عصر نام گذاری کرده‌اند. نام‌هایی مثل عصر حجر، دوران برنز، دوران آهن و عصر نیمه هادیها و … بیانگر همین واقعیت است. در این میان، دانش مواد، شیمی و مهندسی مکانیک سهم زیادی در گسترش کاربرد این دسته از مواد در سطوح پیشرفته‌تر داشته‌اند. پیشرفت علوم و به فراخور آن، احساس نیاز به تجهیزات پیشرفته‌تر، اهداف و برنامه‌های بشر را به سمت ایجاد موادی با قابلیت‌های بالاتر سوق داده است. در این راستا، فناوری کامپوزیت‌ها به انسان‌ها کمک می‌کند که با تلفیق خواص چندین ماده مختلف به ماده جدید و با قابلیت‌های برتر دست پیدا کنند.

کامپوزیت‌ها را از دیدگاه‌های مختلف هم می‌توان نوین دانست و هم کهن. هزاران سال پیش بشر با ترکیب کردن دو ماده ناهمگون کاه و گل، ماده‌ی جدید کاهگل را در ساخت بناها به خدمت گرفت. کاهگل به نوعی، نخستین کامپوزیت مصنوع دست بشر بود. بعدها با پیشرفت تکنولوژی و حرکت جوامع به سمت شهرنشینی، موادی نظیر آسفالت و … وارد سیستم‌های عمرانی شدند که می‌شود از آن‌ها به عنوان مثال‌های مدرن کامپوزیت نام برد.

کاهگل نمونه یک کامپوزیت

علی رغم اینکه اولین کامپوزیت‌ها دارای چنین پیشینه قدیمی هستند، باز هم می‌شود انها را به عنوان مواد عصر جدید نام برد. چرا که این مواد از نیمه دوم قرن بیستم به طور جدی مورد توجه قرار گرفتند. شروع روند رو به رشد کاربرد کامپوزیت‌ها، همزمان با کشف و تولید رزین‌های مصنوعی به دست بشر بود. در اوایل دهه ۱۹۳۰ دو شرکت شیمیایی آمریکایی به فرمول رزین پلی استر دست پیدا می‌کنند. همزمان، یک شرکت شیشه سازی دیگر در آمریکا شروع به ساخت الیافی از جنس شیشه کرد. در طی سال‌های ۱۹۳۴ تا ۱۹۳۶ محققی این دو محصول جدید را ترکیب کرد و آنها را در پروسه قالب گیری قایق‌های کوچک به کار گرفت. این زمان را به عنوان مبدا و آغاز کامپوزیت‌های مدرن می‌شناسند.

ساخت یک قایق با کامپوزیت

پس از جنگ جهانی دوم، کامپوزیت‌ها به عنوان یک ماده مهندسی کارا مورد توجه قرار گرفتند. بیشتر روش‌های امروزی تولید قطعات از جنس کامپوزیت در دهه‌های پنجاه و شصت گسترش پیدا کرد. قالب گیری فشاری، پاشش الیاف سوزنی ، قالب گیری به روش انتقال رزین، روش رشته پیچی و استفاده از کیسه خلا از جمله روش‌هایی هستند که همگی در محدوده زمانی بین سال‌های ۱۹۴۶ تا ۱۹۵۵ توسعه یافتند.

روش پاشش الیاف سوزنی برای ساخت کامپوزیت

در اواخر دهه ۱۹۶۰ و اوایل ۱۹۷۰ گسترش انواع رزین‌ها و ظهور الیاف جدید مقاوم از جنس برن، آرامید و کربن، نقطه‌ی عطف دیگری در پیشرفت کامپوزیت‌ها بود. همزمان با گسترش روش‌های تولید، دانش مکانیک نیز با ابداع روش‌های تحلیل سازه‌های ساخته شده از کامپوزیت‌ها نقش مهمی در فراگیر شدن کاربرد کامپوزیت‌ها داشت. امروزه این مواد در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند و توسعه آن‌ها همچنان ادامه دارد. در زمینه طراحی صنعتی، آشنایی با کامپوزیت‌ها و روش‌های شکل دهی و ساخت آنها از اهمیت بالایی برخوردار است  و امروزه یکی از راه‌های اقتصادی و آسان ساخت نمونه‌های اولیه محصولات، استفاده از فرآیندهای ساخت کامپوزیت‌هاست. این فرآیندها به ویژه در استودیوهای شاخص طراحی دنیا به طراحان کمک می‌کند تا نمونه اولیه فرم‌ها و قطعات دلخواه را با فرآیندهای کارگاهی نسبتا آسان ساخته و مورد آزمایش و بررسی قرار بدهند.

کامپوزیت

مخلوط هر دو جسم غیرهمسان را می‌توان کامپوزیت نامید. این تعریف بسیار کلی است و شاید بتوان تمام عالم را در این تعریف گنجاند. اما آنچه که به عنوان کامپوزیت ساخت بشر شناخته می‌شود، خواص زیر را دارا است:

– از دو یا چند جزء مختلف تشکیل شده  که به طور فیزیکی و یا شیمیایی با هم متفاوتند.

– برعکس آلیاژها که نمی‎توان اجزای انها را از هم تفکیک کرد در کامپوزیت‌ها اجزای یک کامپوزیت کاملا از هم مجزا و قابل تفکیکند.

– کامپوزیت دارای خواصی است که اغلب تفاوت قابل توجهی با اجزای تشکیل دهنده خود دارد.

– مشخصه‌های مکانیکی، شیمیایی و الکتریکی و … یک کامپوزیت به طور خلاصه به جنس، اجزاء تشکیل دهنده کامپوزیت و شکل، اندازه و نحوه قرار گرفتن این اجزاء در کنار هم بستگی دارد.

اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت‌ها

  1. بخش سازه‌ایی که با عناوین تقویت کننده یا بخش ناپیوسته  نیز شناخته می‌شود.
  2. بخش زمینه‌ای که با عناوین ماتریکس یا بخش پیوسته نیز شناخته می‌شود.

اجزای تشکیل دهنده کامپوزیت

وظیفه بخش سازه‌ای، شکل دهی ساختار داخلی ماده و افزایش سفتی، مقاومت و چقرمگی محصول نهایی است. معمولا تحمل بخش اعظم بار وارده به جسم بر عهده بخش سازه‌ای است. این بخش می‌تواند اشکال و اندازه‌های مختلفی داشته باشد. وظیفه بخش زمینه‌ای این است که بخش سازه‌ای را در جای خود نگه دارد و از آن در برابر آسیب‌های محیطی ( نظیر دمای زیاد، رطوبت، مواد شیمیایی و …) محافظت کند. همچنین در هنگام اعمال بار به جسم، نیروها را به بخش سازه‌ای که مقاومت بالایی دارد منتقل کند.

کامپوزیت‌ها ناهمگن و ناهمسان گرد محسوب می‌شوند. یک ماده همگن ماده‌ای است که خواص یکسانی در تمام نقاط آن وجود دارد. به طور مثال جسمی ساخته شده از یک ماده همگن را در نظر بگیرید. اگر یک خاصیت ماده، مثلا چگالی یک نقطه از جسم اندازه گیری شود، نباید با چگالی نقطه دیگر جسم تفاوت داشته باشد. یک ماده همسان گرد ماده‌ایست که در هر نقطه از آن، خواص در تمام جهت‌ها یکسان باشد. به طور مثال، جسمی ساخته شده از یک ماده همسان گرد را در نظر بگیرید. اگر در یک نقطه خاص از قطعه ساخته شده از ماده اولیه موردنظر خاصیت مکانیکی و یا فیزیکی، مثلا مقاومت کششی، اندازه گیری شود، نباید با مقاومت کششی آن نقطه در راستای دیگر متفاوت باشد. در قسمت بعدی درس نامه این موضوع مفصل‌تر توضیح داده خواهد شد.

محدودیت‌های استفاده از کامپوزیت‌ها

همان طور که کامپوزیت‌ها مزایای منحصر به فردی دارند، دارای معایب و محدودیت‌های خاص خود نیز هستند. از مهم‌ترین این محدودیت‌ها قیمت نسبتا بالای مواد تقویت کننده و ماتریکس است. ارزان‌ترین تقویت کننده‌ها و ماتریکس‌های مورد استفاده بیش از ۲ دلار به ازای هر کیلوگرم قیمت دارند. این درحالی است که قیمت بعضی از تقویت کننده‌های پیشرفته‌تر به ۴۴۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم نیز می‌رسد. علاوه بر بالا بودن قیمت، ماتریکس‌ها معمولا دارای تاریخ مصرف محدودی هستند و پس از مدت زمان مشخصی، خواص شیمیایی آنها تحت شرایط مختلف محیطی تغییر می‌کند. از سوی دیگر کامپوزیت‌ها نسبت به مواد متداول در ساخت قطعات، ساختار و خواص فیزیکی پیچیده‌تری دارند و آسیب شناسی سازه‌ای آنها نیز دشوار است. با در نظر گرفتن این پیچیدگی در ساختار، روش‌ها و استانداردهایی که باید در طراحی یک قطعه ساخته شده از کامپوزیت لحاظ بشود، طراحی این مواد مشمول پیچیدگی‌های بیشتری نیز خواهد بود. به عنوان مثال در صورت عدم به کار گیری دقت مورد نیاز، ممکن است قطعه نهایی در یک راستا به خوبی از خود مقاومت مکانیکی نشان بدهد، ولی در راستای دیگر ضعیف بوده و مقاومت لازم را نداشته باشد.

تخریب یک سازه کامپوزیتی

کامپوزیت‌ها در مرحله ساخت نیز محدودیت‌هایی دارند. به عنوان مثال روش‌های تولید انبوه کامپوزیت‌ها محدود است و اکثر محصولات به روش دستی و در تیراژ کم تولید می‌شوند. همچنین اتصال قطعات ساخته شده از کامپوزیت یا به عبارت دیگر مونتاژ نهایی قطعات، دشواری‌های خاصی را به همراه دارد.

در بخش بعدی به قسمت سازه‌ای کامپوزیت یا همان الیاف خواهیم پرداخت.


 

 

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.