کامپوزیت

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به ناوبری پرش به جستجو

کامپوزیت (ماده مرکب یا چندسازه) به صورت زیر تعریف می‌شود:ماده‌ای اطلاق می‌شود که از دو فاز ماتریس و تقویت‌کننده تشکیل شده باشد و از فاز دوم حداکثر به اندازه ۵ درصد استفاده شده باشد. به ترکیب ماتریس با الیاف (یا ماده تقویت‌کننده) زیر ۵ درصد کامپوزیت گفته می‌شود.

  • در مهندسی مواد این اصطلاح معمولاً به موادی گفته می‌شود که از یک فاز زمینه (ماتریس) و یک تقویت‌کننده (پرکننده) تشکیل شده باشند.
  • تعریف انجمن متالورژی آمریکا: به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند مادهٔ مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آن‌ها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود.[۱]

کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس و تقویت‌کننده تشکیل شده‌است. ماتریس با احاطه کردن تقویت‌کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می‌دارد. تقویت‌کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می‌گردد. به‌طور کلی تقویت‌کننده می‌تواند به صورت فیبرهای کوتاه یا بلند و پیوسته باشد

دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از دیدگاه زیستی[ویرایش]

  • کامپوزیت‌های طبیعی. مانند استخوان، ماهیچه، چوب و …
  • کامپوزیت‌های مصنوعی (مهندسی)

دسته‌بندی کامپوزیت‌های مهندسی از لحاظ فاز زمینه[ویرایش]

  • CMC (کامپوزیت‌های با زمینهٔ سرامیکی) (به انگلیسی: Ceramic Matrix Composite)
  • PMC (کامپوزیت‌های با زمینهٔ پلیمری) (به انگلیسی: Polymer Matrix Composite)
  • MMC (کامپوزیت‌های با زمینهٔ فلزی) (به انگلیسی: Metal Matrix Composite)

مراحل طراحی کامپوزیت‌ها[ویرایش]

  1. گردآوری اطلاعات در خصوص کاربرد قطعه (نیروهای استاتیک، دینامیک و شرایط محیطی)
  2. مشخصات اولیه قطعه (مواد، ابعاد و چیدمان لایه‌ها)
  3. زمان و هزینه
  4. بررسی روش‌های محاسباتی (تحلیل و عددی)
  5. شناسایی روش‌های ساخت
  6. نحوه مونتاژ (روش‌های اتصال قطعات)

۷. بهینه‌سازی (وزن کم، استحکام بالا و هزینه پایین)[۲]

دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از لحاظ نوع تقویت‌کننده[ویرایش]

  • FRC (کامپوزیت‌های تقویت شده با فیبر)
  • PRC (کامپوزیت‌های تقویت شده توسط ذرات)

کامپوزیت‌های سبز (کامپوزیت‌های زیست‌تجزیه‌پذیر)[ویرایش]

در این‌گونه کامپوزیت‌ها، فاز زمینه و تقویت‌کننده، از موادی که در طبیعت تجزیه می‌شوند، ساخته می‌شوند. در کامپوزیتهای سبز، معمولاً فاز زمینه از پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی و تقویت‌کننده‌ها از فیبرهای گیاهی ساخته می‌شوند.[۳]

مزایای مواد کامپوزیتی[ویرایش]

مهم‌ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، می‌توان خواص آن‌ها را کنترل کرد. به‌طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند:

  • مقاومت مکانیکی بالا نسبت به وزن
  • مقاومت بالا در برابر خوردگی
  • خصوصیات خستگی عالی نسبت به فلزات
  • خواص عایق حرارتی خوب
  • به دلیل صلبیت بیشتر، تحت یک بارگذاری معین، خیز کمتری (بعضا ده‌ها برابر کمتر) نسبت به فلزات دارند
  • استحکام بالا
  • نسبت حجم به وزن کم
  • سبک بودن پاهی تا چندین برابر مستحکم تر از فولاد با وزنی با چندین برابر کمتر
  • هزینه کمتر و صرفه‌جویی اقتصادی

انواع نانو کامپوزیت[ویرایش]

  1. نانو کامپوزیت‌های نانو ذره‌ای
  2. نانو کامپوزیت‌های نانو لوله‌ای
  3. نانو کامپوزیت‌های خاک رس-پلیمر
  4. نانو کامپوزیت‌های الماس-نانو لوله[۴]

مشخصات ابعادی ورق‌های کامپوزیت[ویرایش]

عرض استاندارد ۱۲۲۰ میلی‌متر و عرض حداکثر ۱۵۵۰ میلی‌متر طول استاندارد ۲۴۴۰ میلی‌متر و طول حداکثر ۶۰۰۰ میلی‌متر ضخامت از ۳ تا ۶ میلی‌متر

هر متر مربع از پانل آلومینیوم فقط ۳٫۵ تا ۵٫۵ کیلوگرم وزن دارد که در خصوص ایمنی در مقابل زلزله و حمل و نقل آسان مؤثر است.

کاربردها[ویرایش]

فایبرگلاس یکی از پرکاربردترین کامپوزیت‌هاست. فایبرگلاس یک کامپوزیت با زمینهٔ پلیمری است که توسط فیبرهای شیشه تقویت شده‌است. در ساخت بدنه جنگنده‌های رادارگریز از کامپوزیت‌هااستفاده می‌شود. همچنین در ساخت قطعات هواپیما و پرهٔ نیروگاه بادی و پرهٔ هلیکوپتر از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. بطور کلی مواد کامپوزیتی (مواد مرکب) به دلیل داشتن جرم بسیار کم و مقاومت بالا نسبت به فلزات، در صنعت هوا و فضا کاربرد وسیعی دارند. هم چنین کامپوزیتهای کربن-اپوکسی از نوع کامپوزیتهای استحکام بالا هستند که در صنایع نظامی کاربرد دارند.

از دیگر کاربرد های کامپوزیت میتوان دریچه های منهول پلی اتیلن را نام برد که امروزه کاربرد فراوانی در خطوط لوله دارد.

سختی کامپوزیت‌های تک جهته[ویرایش]

سختی کامپوزیت‌های تک جهته مانند دیگر مواد سازه‌ای می‌تواند توسط روابط مناسب و صحیح تعیین شود. ضرایب یا ثوابت این روابط، می‌تواند در یک دستگاه ثوابت مهندسی یا کامپلیانس یا مدول‌های جزئی جمع‌آوری شود. مقادیر هر یک از دستگاه‌ها می‌تواند مستقیماً توسط ترمهای مقادیر دیگر دستگاه‌ها تعریف شود. سختی کامپوزیت‌های تک جهته توسط همان روابط تنش-کرنش که در مواد سنتی مهندسی موجود است، محاسبه می‌شود. جز آنکه تنها تعداد ثوابت مستقل در کامپوزیت‌ها چهار عدد است.

سه مرحله از تنش روی کامپوزیت‌ها وجود دارد:

  • میکرومکانیکال یا تنش منطقه‌ای که همان محاسبه بر اساس تفاوت‌های موجود میان فازهای پیوسته الیاف، ماتریس و در برخی از موارد فصل مشترک تقویت‌کننده و ماتریس حباب‌های هواست.
  • تنش لایه‌ای که محاسبه بر اساس همگن انگاشتن هر لایه مجزا یا گروهی از لایه هاست. به این ترتیب که الیاف و ماتریس طوری آمیخته‌اند که دیگر فاز مجزایی وجود ندارد.
  • برآیند تنش یک لامینیت N یا برآیند ممان یک لامینیت M عبارتست از متوسط تنش لایه‌ها در ضخامت آن لامینیت.

به هنگام کار کردن با کامپوزیت‌ها باید به علائم توجه تام شود. چراکه اختلاف بین مقاومت‌های فشاری و کششی ممکن است چند صد در صد باشد. به علاوه اختلاف بیشتری میان مقاومت‌های برشی منفی و مثبت وجود دارد. علی‌رغم مواد سنتی که علائم در آن‌ها از اهمیت کمی برخوردار است، در کامپوزیت‌ها اشتباه در علائم، نتایج وخیمی دربر خواهد داشت.

سه دستگاه از ثوابت مواد وجود دارد که هر یک به تنهایی می‌تواند بطور کامل سختی کامپوزیت‌های تک جهته روی محوری را روشن کنند. ویژگی این دستگاه‌ها عبارتند از:

  • مدول‌ها جهت بدست آوردن تنش از کرنش بکار برده شده‌است. این اساسی‌ترین دستگاهی است که برای سختی لامینیت‌های چند جهته مورد نیاز است.
  • کامپلیانس‌ها جهت محاسبه کرنش از روی تنش بکار می‌رود. این دستگاهی است که جهت محاسبه ثوابت مهندسی مورد نیاز است. این دستگاه جهت بدست آوردن سختی لامینیت‌های چند جهته مورد نیاز نمی‌باشد.
  • ثوابت مهندسی از آثار مواد سنتی است؛ و طراحان سنتی در کار کردن با ثوابت مهندسی احساس راحتی بیشتری می‌کنند. می‌توان از یک دستگاه ثوابت، دستگاه دیگری را یافت؛ و همه در عین حال معادل یکدیگرند. یک رابطه مستقیم میان مدول‌ها و کامپلیانس‌های جزئی وجود دارد؛ و هر یکی برگردان دیگری است.

کامپلیانس‌های کوپل و مدول‌های کوپل با هم برابرند. به عبارت دیگر از دیدگاه اصطلاح جبر ماتریس، کامپلیانس و مدول قرینه است.

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

استفن و. تسوای اچ. توماس هان، مقدمه‌ای به مواد کامپوزیت، تهران، دانشگاه امام حسین (ع)

  1. ASM Handbook Vol. 21,Composites, ASM International, 2001.
  2. http://www.irancomposites.org/,accessed in 2010
  3. Bioinert, biodegradable and injectible polymeric matrix composites... ,Joao F. Mano et al. -Composite Science and technology, ۶۴ (۲۰۰۴) ۷۸۹–۸۱۷
  4. علی‌نژاد، داریوش و هادی گلی، نانو کامپوزیت‌ها و کاربردهای آنها، تهران: نشر زبان تصویر، 1388

منابعی برای مطالعهٔ بیشتر[ویرایش]

  • V.K. Tewary, Mechanics of Fibre Composites, John Wiley & Sons, New York, 1978
  • J.R. Vinson and T.W. Chou, Composite Materials and their use in structures, John Wiley & Sons, New York, 1975
  • COMPOSITE MATERIALS HANDBOOK: VOLUME 4. METAL MATRIX COMPOSITES, UNITED STATES OF AMERICA DEPARTMENT OF DEFENSE HANDBOOK, Rev. 21 September 1999.
  • خوشروی غیاثی، عمران، فناوری ساخت مواد مرکب، مشهد، عمران خوشروی غیاثی، ۱۳۹۲.
  • [Advanced Mechanics of Composite Materials [V.V. Vasiliev and E. Morozov] [2013] [Third Edition