افزایش نگرانیها در محیط زیست مجدداً باعث جرقه ایی در رشد کامپوزیت های الیاف طبیعی تقویت شده (Natural- Fiber Composites) در محیط زیست شده است، که می توانند جایگزین مناسبی برای پلاستک های تقویت شده توسط الیاف دیگر باشند و محیط سالمی را به وجود آورند. مزایای کامپوزیتهای ساخته شده با الیاف طبیعی شامل خواص مکانیکی و حرارتی خوب، عایق الکتریکی و صوتی، کاهش تراکم، کاهش سایش، قابلیت شکل دهی عالی، ایمن در مقابل ضربه است. این مواد غیر سمی بوده و دوستار محیط زیست هستند و به راحتی با هزینه اندک در دسترس میباشند که در نهایت سبب ارتقای سلامتی و ایمنی در محیط کار نیز می شوند.   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 موادي چند جزئي هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است. ضمن آن که اجزاي مختلف، کارايي يکديگر را بهبود مي‌بخشند.]11،21 [جملات بالا تعریف ساده ای از کامپوزیت ها بودند. این را هم اشاره کنم که بررسيها و تحقيقات براي دست يافتن به مواد جديدتر با خواص مکانيکي بهتر ، همواره انجام مي‌گرفته و هنوز هم همگام با پيشرفت صنايع دنبال مي‌گردد. در اين بررسيها ، اغلب اين هدف دنبال مي‌شود که به موادي با نسبت مناسب از استحکام کششي به چگالي ، استحکام حرارتي بالا و خواص ويژه سطح خارجي دست يابند. کامپوزیت های در راستای این هداف کشف شدند و مورد استفاده بسیار در انواع صنایع قرار گرفتند. ]11،27 [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 1.      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. اين مواد اهميت صنعتي فراواني دارند و هنوز هم تحقيقات در اين زمينه ادامه دارند. مواد مصنوعي تقويت شده با الياف شيشه (فايبرگلاس‌ها) يكي از اين مواد مي‌باشد كه تاكنون كاربرد صنعتي وسيعي پيدا كرده اند.در ضمن صنعت کامپوزيت يکي از صنايع رو به رشد در عرصه مواد مهندسي است. امروزه به خاطر مزايايي که کامپوزيت ها نسبت به فلزات دارند، توسعه زيادي پيدا کرده اند.] 1،15،16،22 [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.[15] 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.[21]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[15] .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. (شکل 3) [17]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.[17] فایبر گلاس: فايبرگلاس(اليافشيشه)کهپرکاربردترينکامپوزيت‌هاهستند،فيبرهايااليافساختبشرمی باشند کهدرآن،ماده‌ تشکيلدهنده‌ فيبر،شيشهاست.اليافشيشه‌ها،موارداستفاده‌هايفراوانيازجملهدرساختبدنه‌ خودروها وقايقهايتندروومسابقه‌اي،کلاهايمنيموتورسواران،عايقکاريساختمانهاوکوره‌هاويخچالهاو … دارند[1] .ساختمانواندازه‌ ايناليافشيشه‌هابسيارمتغيراست.کوچکترينآنهابوسيلهچشمغيرمسلحديدهنمي‌شودوبسيارريزهستند.اندازه‌هايکميبزرگترازآنذراتيهستندکهدرکارخانجاتساختفرآورده‌هاياليافشيشه‌هابهکمکهوانقلوانتقاليافتهوسببشوزشپوستوبينيوگلومي‌شود.اليافشيشهمتداولتريناليافمصرفيکامپوزيت‌هادردنياوايراناستکهمتاسفانهدرايرانساختهنمي‌شود.انواعاليافشيشهعبارتندازانواع E ،C،Sوکوارتز.ترکيباليافشيشهنوعEياالکتريک،ازجنسآلومينوبوروسيليکاتکلسيمبودهودارايمقاومتويژهالکتريکيبالايياست [11] .الیاف شیشه نوعS، تقريباْْ40 درصد استحکام بيشتري نسبت به الياف شيشه نوعEدارند.الياف شيشه نوعCيا الياف شيشه شيميايي ، داراي ترکيب بور و سيليکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پايداري شيميايي بيشتري به خصوص در محيط‌هاي اسيدي دارد.الياف شيشه کوارتز، بيشتر در مواردي که خاصيت دي‌الکتريک پايين نياز باشد، مانند پوشش آنتن‌ها و يا رادارهاي هواپيما استفاده مي‌شوند [11] .کامپوزیت های پلیمری FRP: اين کلمه اختصاري از کلمات Fiber Reinforced Polymer or Plastic مي با شد. به عبارت ديگر به يک ماده مرکب و کامپوزيتي اطلاق مي شود که از دو بخش فيبر(الياف تقويتي) و ماتريس رزين از جنس پليمر تشکیل شده است. این کامپوزیت به دو شکل ورق هاي FRP و ميلگردهاي FRP وجود دارد. در ضمنFRP ها را بر اساس فيبر تشکيل دهنده ي آنها به 3 دسته تقسيم مي کنند:1. CFRP (الياف از جنس کربن)2. GFRP (الياف از جنس شيشه)3. AFRP (الياف از جنس آراميد) [11] 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. کارايي کامپوزيتهاي پليمري مهندسي توسط خواص اجزاء آن ها تعيين ميشود. اغلب آن ها داراي الياف با مدول بالا هستند که در ماتريسهاي پليمري قرار داده شده اند. همچنین یک کامپوزیت از دو فاز عمده تشکیل شده است :1. فاز پیوسته یا ماتریس2. فاز ناپیوسته 21,17] ،11[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.[15] نقش ماتریس در کامپوزیت ها به شرح زیر می باشد:1. انتقال تنش بین الیاف2. نگهداری الیاف در کنار هم3. حفاظت در مقابل شرایط محیطی سخت وحفاظت از سایش مکانیکی الیاف4. حفاظت عرضی برای الیاف و جلوگیری از کمانش آن تحت بار فشاری5. انتقال برش از فيبر تقويتي به ماده مجاور] 22،21،17 [ تاثیر ماتریس ها بر خواص کامپوزیت :1. استحکام و مدول عرضی موثر2. 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.[21] 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. [22] الیاف های دارای ویژگی های زیر هستند :1. منعطف بودن جهت شکل گیری مورد نظر2. امکان پیش شکل دادن (Performing) مثل بریدن یا دوختن یا فشردن و افشاندن3. تراکم مناسب جهت جریان راحت رزین از میان آن [21] 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.[17] الف: تقویت کننده هافاز پیوسته (ماتریس) کامپوزیت های پلیمری:ماتريس پليمري دومين جزء عمده کامپوزيتهاي پليمري است. اين بخش عملکردهاي بسيار مهمي در کامپوزيت دارد. اول اينکه به عنوان يک چسب الياف تقويت کننده را نگه مي دارد. دوم، ماتريس تحت بار اعمالي تغيير شکل مي دهد و تنش را به الياف محکم و سفت منتقل مي کند. سوم، رفتار پلاستيک ماتريس پليمري، انرژي را جذب کرده، موجب کاهش تمرکز تنش ميشود [11] . ویژگی های رزین ها( ویژگی های کلی):1. ویسکوزیته (گرانروی) پایین ( 100 – 1000 CP ) و توانایی پر کردن قالب2. خیس کردن سریع تقویت کننده3. زمان ژل شدن[21] انواع رزین های پلیمری :الف : پلیمر های گرما سخت 1. رزین های پلی استر غیر اشباع2. رزین های اپوکسی3. رزین های فنولیک4. رزین اپوکسی نووالانس5. رزین پلی ایماید6. رزین اوره و ملامین فرمالدئیدب : پلیمر های گرما نرم1. نایلون 6 و 662. پلی استر ها3. پلی کربنات4. پلی استال ها – پلی سولفون ها5. پلی اتراکتون PEEK6. PAI , PEI[21]در ميان رزينها نيز، پلي استر، وينيل استر، اپوکسي و فنوليک از اهميت بيشتري برخوردار هستند.[11] رزین های پلی استر: این نوع از رزین ها انواع مختلفی دارد که در زیر به چند نمونه از آنها اشاره خواهیم کرد:1. پلی استر نوع اورتو با ویژگی های: قیمت پایین و کاربرد عمومی تا 85 %2. پلی اتر نوع ایزود با ویژگی های: مقاومت مناسب در شرایط محیطی و مواد شیمیایی، استفاده در لایه های ژلی3. رزین بیسفنلیک (پلی استر با کارایی بالا) با ویژگی های: مقاومت بالا در مقابل خوردگی، مورد استفاده در لوله های انتقال مواد شیمیایی4. رزین وینیل استر (پلی با کارایی بالا) با ویژگی های : چقرمگی بالا، مقاومت ضربه بالا، مقاومت شیمیایی عالی [21] رزین های اپوکسی: این رزین ها با خواص زیر مورد توجه قرار می گیرند :1. خواص مکانیکی خوب : مانند چقرمگی، سختی، مقاومت سایشی بالا2. خاصیت الکتریکی خوب3. مقاومت حرارتی عالی4. چسبندگی عالی به بسیاری از مواد مانند فلزات، چوب، بتن، شیشه، سرامیک5. مقاومت شیمیایی خوب6. جمع شدگی کم پس از واکنش پخت7. فراورش مشکل تر نسبت به پلی استر ها8. قیمت بالا[21] عامل پخت ( سخت کننده رزین اپوکسی):نوع عامل پخت تعیین کننده سرعت واکنش پخت، میزان حرارت ناشی از واکنش، گرانروی سیستم، زمان ژل شدن و حرارت لازم جهت رزین می باشد.[21] - انواع عوامل پخت: پلی آمین ها، انیدرید ها و پلی آمید هارزین های ویژه:1. رزین اپوکسی ویژه (نووالاک)2. رزین پلی ایماید (Polyimide)این رزین ها با خواص ویژه زیر مورد توجه قرار گرفته است :1. ساختار رزین فنلیک را دارد و نوع فراورش مشابه اپوکسی هاست.2. خواص حرارتی و شیمیایی بهتری دارند.3. خواص مکانیکی در دماهای بالا4. گرانروی بالاتر نسبت به اپوکسی های معمولی دارند.5. کارایی سایشی مطلوب دارند.6. مقاومت بالا در برابر شعله دارند.7. پایداری محیطی ضعیف و فراورش مشکل دارند.8. سختی و استحکام بالا در محدوده وسیعی از دما از 240- تا 300 درجه سانتی گراد دارند.[21] فاز ناپیوسته (الیاف) کامپوزیت های پلیمری:الیاف اصلی ترین المان در مواد مرکب لیفی (مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف) هستند که بالاترین کسر حجمی را در ساختار کامپوزیت دارند. انتخاب صحیح نوع، مقدار و جهت بسیار مهم بوده و تاثیر زیادی در خصوصیاتی نظیر؛ جرم مخصوص، استحکام کششی، مدول کششی، استحکام فشار، استحکام خستگی، قیمت، خواص حرارتی و الکتریکی دارند.[21] طبقه بندی اصلی ترین الیاف مورد استفاده در کامپوزیت ها پلیمری:1. فلزی : شیشه ، ازبست2. معدنی : کربن، گرافیت، آرامید3. عالی : بر، Sic4. طبیعی : طبیعی [21]از الياف متداول در کامپوزيتها مي‌توان به شيشه، کربن و آراميد اشاره نمود. [11]الیاف شیشه (Glass Fibre): این الیاف بالا ترین حجم مصرف دارا هستند و عمومی ترین نوع الیاف مصرفی را در ساختارهای مرکب دارند.[21] -اشکال الیاف شیشه:1. الیاف بلند: منحنی (Yarn)، رشته ای (Roving)، پارچه ای، سوزنی و نمدی،نواری، سه بعدی (ترکیب سوزنی، پارچه زاویه دار در رشته ای)[21] 2. الیاف کوتاه: ساختار الیاف شیشه از سه قسمت موج اصلی تشکیل می شود؛ موج ساده، موج اریب، موج اطلسی، سایر حالات موج الیاف از این سه ساختار نشأت می گیرند.[21] درصد الیاف در روش SMC بسته به نیازهای کاربردی قطعه متفاوت است و این درصد در حد 50 تا 70 درصد وزنی برای کاربردهای با استحکام و مدول بالا بکار می رود و در آمیزه هایی که میزان درصد وزنی الیاف آنها بالاتر از60 درصد است پرکننده بکار برده نمی شود.[21]آمیزه های SMC را بر مبنای شکل الیاف بکار رفته به سه گروه زیر تقسیم می کنند:1. SMC-R: به معنای آرایش اتفاقی الیاف کوتاه در ورقه است.2. SMC-CR: C به معنای الیاف موازی و پیوسته در یک طرف از ورقه و R به معنای الیاف کوتاه در دوطرف دیگر ورقه می باشد.3. XMC: X به معنای الیاف پیوسته با آرایش ضربدری در ورقه می باشد[21] .   ............................................................   دو آمیزه ی جدید شرکت "LNP" به تازگی برای جایگزینی آلومینیوم در بازوی نگهدارنده ی سینی غذای پشت صندلی، مورد آزمایش قرار گرفته است. این دو آمیزه پلی اترایمید (PET) تقویت شده با 30 و 40 در الیاف کربن هستند. گفته می شود، که این ماده ویژگی هایی بهتر از آن چه مورد انتظار بود را تامین کرده است. با این ماده می توان وزن را تا 45 درصد و قیمت تمام شده را 19 تا 77 درصد نسبت به نمونه های آلومینیومی (بسته به روش ساخت که ریخته گری یا تراش کاری باشد) کاهش دهد. این مواد ملاحظات دیر سوز بودن مورد نظر صنعت هواپیمایی را نیز تامین می کنند. بهینه سازی قالب با آنالیز جریان مواد در قالب و آنالیز المان محدود، باعث شده تا مشکل شکست زود هنگام که گاه برای کامپوزیت های گرمانرم پیش می آید رفع شود. این بازوهای پلاستیکی جدید می توانند تا 95 کیلوگرم وزن را تحمل کنند مقاومت تعریف شده برای یک بدنه ی کامپوزیتی هواپیمای مدل از ۴.۹ تا۴.۵ کیلوگرم بر سانتی متر مربع است.که مقاومتی مناسب جهت پرواز ایده آل برای هواپیما است. مواد تشکیل دهنده هواپیمای ایرباس A380 :ایرباس اولین شرکت هواپیما سازی دنیاست که از مواد کامپوزیت درساخت هواپیماهایش بهره گرفت و در نوع جدید ایرباس A380 استفاده ازمواد کامپوزیت به حداکثر خود تاکنون رسیده است. 25 درصد کل مواد متشکله این هواپیما از مواد کامپوزیت است که 22 در صد آن پلاستیکهای تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) میباشد و 3 درصد بقیه کامپوزیت پایه آلومینیومی پوشیده شده با فیبر شیشه (Glare) میباشد که برای اولین بار در هواپیمای مسافربری بکار میرود. همینطور برای اولین بار جعبه بال مرکزی این هواپیما، که یک قسمت بسیار مهم هواپیماست، از کامپوزیتها ساخته شده است (این قسمت بالها را به بدنه هواپیما وصل میکند) قسمت عقب بدنه این هواپیما نیز باز هم برای اولین بار است که از مواد کامپوزیت ساخته شده است.علاوه براین قسمتهای کامپوزیتی، قسمتهای زیادی از هواپیمای مورد بحث از فلزات پیشرفته دیگر تشکیل شده که همگی بوجود آورنده محاسن زیادی از جمله سهولت تعمیر و نگهداری میشوند.پلاستیکهای تقویت شده با فیبر کربن هنگام استفاده درمقابل مواد خورنده و خستگی ناشی از بارهای تکرار شونده (Fatigue) کاملاًمقاوم هستند .ضمناً (Glare) یا همان کامپوزیت فلز آلومینیوم پوشیده شده با شیشه نیز که برای ساخت قسمت بالائی بدنه هواپیما مورد استفاده قرار گرفته است درمقابل خورندگی و خستگی ناشی از بارهای تکرارشونده (Fatigue) بسیار مقاوم است.با توجه به نکات فوق پایین آوردن وزن هواپیما یکی از عمده ترین محاسن مواد کامپوزیت است که منجر به مصرف کمتر سوخت، تولید گازهای مضر کمتر در اگزوز و بالاخره هزینه عملیاتی پایین تر میشود.پمپ هیدرولیک با فشار 5000 psi 

منابع:

http://reptor.blogfa.com

 

reptor.blogfa.com

www.booof.ir

www.ircomas.org

 

www.polynews.ir.

www.daneshju.ir