بخشی از مقاله
کامپوزیت چیست؟
کامپوزیت ماده ای است که از چند ماده متمایز ساخته شده است (البته از لحاظ ماکروسکوپیک نه میکروسکوپیک) یکی از کامپوزیت های آشنا بتون است که از سیمان و ماسه ساخته می شود.بسیاری از مواد می توانند در گروه کامپوزیت ها قرار گیرند اما در این جا کمی در مورد کامپوزیت هایی از نوع فیبر های استحکامی پلیمری می نویسیم.
کامپوزیت های پلیمری پلاستیک هایی هستند که درون آن ها رشته ها و ذرات قرار داده شده اند.که این نوع پلاستیک به عنوان یک ماتریس است که فیبرها و ذرات برای بخشیدن استحکام به آن درون آن پراکنده شده اند.
معمولا استحکام ماتریس شامل ذرات و رشته ها بیشتر است از اتریس(پلاستیک) خالص از این رو کامپوزیت ها را شکل می دهند.معمولا مواد استحکام بخش در جهت های مخصوصی در ماتریس(پلاستیک) قرار می گیرند.قرار گرفتن مواد استحکام بخش در جهت های مختلف کامپوزیت هایی با خواص متفاوت را نتیجه می دهد.که به واسطه این خصوصیات معمولا طرح های خاص به بهره برداری می رسند.
کامپوزیت های با ماتریس پلیمری (PMCها) موادی هستند که از یک صمغ پلیمری به عنوان ماتریس کامپوزیت در آن ها استفاده می شود که با قرار دادن فیبرها و ذرات در آن به استحکام آن افزوده می شود.هم پلیمرهای ترموست(غیر قابل ارتجاع با حرارت) و هم پلیمرهای ترموپلاستیک(قابل ارتجاع با حرارت) می توانند به عنوان ماتریس مورد استفاده قرار گیرند.از کامپوزیت های پلیمری معمولی با ماتریس ترموست می توان پلی استر . وینیل استر و اپوکسی را نام برد.و از کامپوزیت های پلیمری ترمو پلاستیک می توان PEEK.PEI و PPS را نام برد.استحکام بخش ها عبارتند از: شیشه.کربن و فیبر های آرامید.
کامپوزیتها یا چندسازه‌های مصنوعی
مقدمه
از اولین کامپوزیتها یا همان چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به کاه گل اشاره کرد. قایق‌هایی که سرخ‌پوست‌ها با قیر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل ، پودر شیشه و پشم بز ساخته می‌شدند و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است، از کامپوزیت‌های نخستین هستند. بسیاری از نیازهای صنعتی صنایعی مانند صنایع فضایی ، راکتورسازی ، الکترونیکی و غیره نمی‌تواند با استفاده از مواد معمولی شناخته شده ، برآورده شود. اما قسمتی از آن نیازها ، می‌تواند با استفاده از چندسازه‌ها یا کامپوزیتها برآورده گردد. چندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوطی از دو یا چند عنصر ساخته شده باشند.
در حالیکه در چندسازه‌ها ، نه فقط خواص هر یک از اجزاء آن برجا باقی می‌ماند، بلکه در نتیجه پیوستن آنها با یکدیگر ، خواص جدیدتر و بهتر هم بدست می‌آید. مواد مختلط همیشه ناهمگن می‌باشد. 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.
انواع چندسازه‌ها
انواع چندسازه‌ها را می‌توان به گروههای زیر طبقه‌بندی نمود.
• کامپوزیت‌های پایه پلیمری : این مواد اهمیت صنعتی فراوانی دارد و هنوز هم تحقیقات در این زمینه ادامه دارد. مواد مصنوعی تقویت شده با الیاف شیشه (فایبرگلاس‌ها) یکی از این مواد می‌باشد که تاکنون کاربرد صنعتی وسیعی پیدا کرده است.
• کامپوزیت‌های پایه فلزی
• کامپوزیت‌های پایه سرامیکی :کامپوزیت‌های پایه پلیمری بیش از 90% کاربرد کامپوزیتها را به خود اختصاص داده‌اند و از بقیه مهمتر هستند.
ساختمان فایبر گلاس‌ها
ساختمان و اندازه این الیاف شیشه‌ها بسیار متغیر است. کوچکترین آنها بوسیله چشم غیر مسلح دیده نمی‌شود و بسیار ریز هستند. اندازه‌های کمی بزرگتر از آن ذراتی هستند که در کارخانجات ساخت فرآورده‌های الیاف شیشه‌ها به کمک هوا نقل و انتقال یافته و سبب شوزش پوست و بینی و گلو می‌شود. الیاف شیشه متداولترین الیاف مصرفی کامپوزیتها در دنیا و ایران است که متاسفانه در ایران ساخته نمی‌شود. انواع الیاف شیشه عبارتند از انواع E ، C ، S و کوارتز. ترکیب الیاف شیشه نوع E یا الکتریکی ، از جنس آلومینوبور و سیلیکات کلسیم بوده و دارای مقاومت ویژه الکتریکی بالایی است.
الیاف شیشه نوع S ، تقریباْْ 40 درصد استحکام بیشتری نسبت به الیاف شیشه نوع E دارند. الیاف شیشه نوع C یا الیاف شیشه شیمیایی ، دارای ترکیب بور و سیلیکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پایداری شیمیایی بیشتری بخصوص 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.
سبکی ، سهولت شکل‌دهی ، مقاومت در برابر خوردگی و قابلیت آب‌بندی ، از ویژگیهای کامپوزیت‌هایی است که در صنعت ساختمان بکار می‌رود. فایبرگلاس یا الیاف شیشه که پرکاربردترین کامپوزیتها هستند، فیبرها یا الیاف ساخت بشر است که در آن ، ماده تشکیل دهنده فیبر ، شیشه است. الیاف شیشه‌ها ، موارد استفاده‌های فراوانی از جمله در ساخت بدنه خودروها و قایقهای تندرو و مسابقه‌ای ، کلاه ایمنی موتورسواران ، عایقکاری ساختمانها و کوره‌ها و یخچالها و … دارند.
کاربردهای کامپوزیتها
سابقه استفاده از کامپوزیت‌های پیشرفته به دهه 1940 باز می‌گردد. در آن زمان ارتشهای آمریکا و شوروی سابق در رقابتی تنگاتنگ با یکدیگر ، موفق به ساخت کامپوزیت پایه پلیمری الیاف بور - رزین اپوکسی برای استفاده در صنعت هوا فضا شدند. 20 تا 30 سال پس از آن ، کامپوزیت‌های پایه پلیمری بطور گسترده‌ای به سوی صنایع شهری از جمله ساختمان و حمل و نقل روی آوردند. بطور مثال امروزه خودروهایی ساخته می‌شود که تماماْْ کامپوزیتی هستند. استفاده از کامپوزیتها در این کاربرد به علت ویژگیهایی چون وزن کمتر ، در نتیجه سوخت کمتر و عمر طولانی‌تر آنهاست.
با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیت‌های پایه پلیمری و مقاومت بسیار خوب آنها در محیط‌های خورنده، این کامپوزیتها، کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده‌اند که از آن جمله می‌توان به ساخت بدنه قایقها و کشتیها و تاسیسات فراساحلی اشاره داشت. استفاده از کامپوزیتها در این صنعت، حدود 60% صرفه‌جویی اقتصادی داشته است که علت اصلی آن مربوط به پایداری این مواد است. صنعت ساختمان پرمصرف‌ترین صنعت برای مواد کامپوزیتی است. استخرهای شنا ، وان حمام ، سینک ظرفشویی و دست‌شویی ، کف‌پوش ، نماپوش ، سقف‌پوش ، برج‌های خنک‌کننده و … همگی کامپوزیت‌های پایه پلیمری هستند
برتری ها و کاستی های نانو کامپوزیت ها
ظهور نانو کامپوزیت ها، تحولی اساسی درویژگی های مکانیکی و حرارتی مواد ایجاد کرده است. ویژگی های منحصر به فرد مواد نانو کامپوزیت عبارتند از :
• پودرهای نانو کامپوزیت نسبت سطح به حجم بالایی دارند ؛ این نسبت درحالت بی شکل (آمورف) نسبت به حالت بلوری بیشتر است. به این ترتیب کسرزیادی از اتم ها درسطح ذرات پودر یا در مرز دانه های ریز ساختار قرار دارند و در نتیجه پودرهای نانو کامپوزیت قابلیت تف جوشی بالایی دارند.
• در ساخت نانو کامپوزیت ها از پودرهای نانو متری، به دلیل کنترل فرایند درمقیاس نانو، ریز ساختاری کاملا یکنواخت به دست می آید.
• نانو کامپوزیت ها درمحدوده دمایی گسترده ای ویژگی های فیزیکی و مکانیکی مناسبی همانند استحکام، سختی، چقرمگی و مقاومت حرارتی بالا دارند. افزودن 5 تا 10 در صد حجمی فاز دو به زمینه، باعث افزایش چشمگیری در ویژگی های فیزیکی و مکانیکی نانو کامپوزیت ها می شود.
در مقابل این ویژگی های منحصر به فرد، در ساخت نانو کامپوزیت ها مشکلات فرایندی قابل توجهی وجود دارد که نقش تعیین کننده ای دارند. از اساسی تری این مشکلات می توان به موارد زیر اشاره کرد :
• در نانو کامپوزیت ها عدم توزیع یکنواخت فاز دوم درون فاز زمینه، ویژگی های مکانیکی نانو کامپوزیت را کاهش می دهد.
• تجمع ذرات بسیار پودر در نانو کامپوزیت ها موجب افزایش انرژی سطحی آنها و کاهش ویژگی های مکانیکی ماده می شود.
• به کار گیری مواد شیمیایی گران بها برای توزیع یکنواخت فاز دوم در زمینه و جلوگیری از بهم چسبیدن ذرات پودر نانو کامپوزیتی و ساخت نانو کامپوزیتی با ریز ساختار همگن و ویژگی های مکانیکی بالا، باعث غیر اقتصادی شدن و همچنین پیچیده تر شدن فرایند می شود.
شرکت ACCیک موسسه تحقیقاتی می باشد که ثابت کرد کامپوزیت همانند فولاد دارای ایمنی بسیار بالا می باشد که با این تفاوت که کامپوزیت حذف زنگ زدگی فلز _ کاهش وزن _ استحکام بالا _ قابلیت طراحی و زیبایی و کاهش هزینه ساخت می باشد.
قیمت تمام شده مواد کامپوزیت از جمله فایبرگلاس بسیار ارزان تر از محصولات معدنی _ فلزی است و نیز سبکتر و مقاومتر به ویژه به علت ترکیب مواد بکار رفته در یاخت آن اصولا زنگ نمی زند.
تعریف عمومی از مواد کامپوزیت عبارتست از ترکیب از دو یا چند از مواد و کامپوزیت های F.R.P شامل یک تقویت کننده به استحکام بالا به شکل الیاف می باشد.
رزین مورد استفاده در عملیات F.R.P بطور معمول پلی استرهای اشباع نشده می باشند.
جهت افزایش قابلیت های رزین از چند نوع افزودنی مانند: رنگ دانه ها _ تاخیراندازهای آتش _ افرودنی های رسانا استفاده می شود.
الیاف شیشه به علت ارزان و مشخصه های استحکام به وزن نسبتا خوبی که دارا هستند معمولترین تقویت کننده به کار رفته در کل صنعت کامپوزیت می باشند. بطور کلی رزین بعنوان ماتریس پلیمری و الیاف بعنوان تقویت کننده در صنعت کامپوزیت بکار می رود.
سالانه بیش از 6 میلیون تن مواد کامپوزیتی به ارزش 145 میلیارد دلار در صنایع مختلف جهان مصرف می‌شود.
دکتر مهرداد شکریه، رئیس موسسه کامپوزیت ایران با اعلام این مطلب افزود: سرانه مصرف کامپوزیت در کشورهای پیشرفته جهان 3 کیلوگرم است
در حالی که این سرانه در کشور ما تنها 3/0 کیلوگرم است.
عضو هیات علمی دانشگاه علم و صنعت ایران در ادامه به خبرنگار ما گفت:
ایران از نظر سرانه مصرف مواد کامپوزیتی، همرده کشورهای آسیایی قرار دارد. وی با اشاره به این که علت پایین بودن سرانه مصرف مواد کامپوزیتی در این قاره وسعت این قاره و نیز وجود کشورهای فقیر در این منطقه است، در عین حال از کشور ژاپن با سرانه 5/4 کیلوگرم در سال به عنوان نمونه‌ای از یک کشور آسیایی پیشرفته با مصرف سرانه مواد کامپوزیتی بالا نام برد.
رئیس موسسه کامپوزیت ایران از تلاش متخصصان ایرانی برای افزایش سهم مواد کامپوزیتی در صنایع مختلف کشور برای رسیدن به معیارهای توسعه خبر داد و افزود: با این هدف در سال 83 انجمن کامپوزیت ایران با همکاری موسسه کامپوزیت ایران، دفتر همکاری‌های فناوری ریاست جمهوری و نیز 12 صنعت وابسته به کامپوزیت تشکیل شده است.
دکتر شکریه انجمن کامپوزیت ایران را یک انجمن صنفی دانست که با هدف ارتقای کیفیت تولیدات مواد کامپوزیتی در کشور تاسیس شده است.
استفاده از مواد کامپوزیتی مقاومت بتون را سه برابر افزایش می‌دهد استفاده از مواد کامپوزیتی برای مقاوم سازی سطح خارجی بتون، میزان باروری بتون را 300 درصد افزایش می‌دهد.
به گزارش خبرنگار ما، یکی از طرح‌های ارائه شده در نمایشگاه فناوری، محور توسعه پایدار، روش مقاوم سازی سطح خارجی بتون با استفاده از مواد کامپوزیتی است که توسط موسسه کامپوزیت ایران به عنوان اختراع به ثبت رسیده.
دکتر مهرداد شکریه رئیس موسسه کامپوزیت ایران در تشریح این روش به خبرنگار ما گفت: در این روش لایه‌هایی از الیاف شیشه یا کربن به ضخامت 3/0 میلیمتر با استفاده از یک رزین مثل اپوکسی روی سازه بتونی کشیده می‌شود و به این ترتیب میزان مقاومت بتون 3 برابر خواهد شد.
عضو هیات علمی دانشگاه علم و صنعت ایران از جمله کاربردهای این روش را کاهش خسارت وارده به سازه‌های استراتژیک بتونی همچون پل‌ها یا ساختمانها به هنگام وقوع زلزله عنوان کرد.
دکتر شکریه از جمله پروژه‌های در دست مقاوم سازی با استفاده از این روش را پالایشگاه نفت آبادان، پل تقاطع اتوبان شهید همت و اتوبان شیخ فضل الله نوری و نیز دو پل راه آهن در استان یزد اعلام کرد.
پدیده تبادل یون برای اولین بار در سال 1850 و به دنبال مشاهده توانایی خاک‌های زراعی در تعویض برخی از یون‌ها مثل آمونیوم با یون کلسیم و منیزم موجود در ساختمان آنها گزارش شد. در سال 1870 با انجام آزمایش‌های متعددی ثابت شد که بعضی از کانیهای طبیعی بخصوص زئولیتها واجد توانایی انجام تبادل یون هستند. در واقع به رزین‌های معدنی ، زئولیت می‌گویند و این مواد یون‌های سختی آور آب (کلسیم و منیزیم) را حذف می‌کردند و به جای آن یون سدیم آزاد می‌کردند از اینرو به زئولیت‌های سدیمی مشهور شدند که استفاده از آن در تصفیه آب مزایای زیاد داشت چون احتیاج به مواد شیمیایی نبود و اثرات جانبی هم نداشتند.
اما زئولیت‌های سدیمی دارای محدودیتهایی بودند. این زئولیتها می‌توانستند فقط سدیم را جایگزین کلسیم و منیزیم محلول در آب نمایند و آنیونهایی از قبیل سولفات ، کلراید و سیلیکات‌ها بدون تغییر باقی می‌مانند. واضح است چنین آبی برای صنایع مطلوب نیست. پس از انجام تحقیقات در اواسط دهه 1930 در هلند زئولیتهایی ساخته شد که به جای سدیم فعال ، هیدروژن فعال داشتند. این زئولیتها که به تعویض کننده‌های کاتیونی هیدروژنی معروف جدید ، سیلیس نداشته و علاوه بر این قادرند همزامان هم سختی آب را حذف کنند و هم قلیائیست آب را کاهش دهند.
برای بهبود تکنولوژی تصفیه آب ، گامهای اساسی در سال 1944 برداشته شد که باعث تولید زرین‌های تعویض آنیونی شد. زرین‌های کاتیونی هیدروژنی تمام کاتیونی آب را حذف می‌کنند و رزین‌های آنیونی تمام آنیونهای آب را از جمله سیلیس را حذف می‌نمایند ، در نتیجه می‌توان با استفاده از هر دو نوع زرین ، آب بدون یون تولید کرد. همچنین پژوهشگران دریافتند که سیلیکات آلومینیم موجود در خاک قادر به تعویض یونی می‌باشد. این نتیجه گیری با تهیه ژل سیلیکات آلومینیم از ترکیب محلول سولفات آلومینیم و سیلیکات سدیم به اثبات رسید. بنابراین اولین رزین مصنوعی که ساخته شد سیلیکات آلومینیم بود. و امروزه اکثر زرین‌های تعویض یونی که در تصفیه آب بکار می‌روند رزین‌های سنتزی هستند که با پلیمریزاسیون ترکیبات آلی حاصل شده‌اند.
