مقدمه‌ای بر کامپوزیت‌ها

در كاربردهاي مهندسي، اغلب به تلفيق خواص مواد نياز است. به عنوان مثال در صنايع هوافضا، كاربردهاي زير آبي، حمل و نقل و امثال آنها، امكان استفاده از يك نوع ماده كه همه خواص مورد نظر را فراهم نمايد، وجود ندارد. به عنوان مثال در صنايع هوافضا به موادي نياز است كه ضمن داشتن استحكام بالا، سبك باشند، مقاومت سايشي و UV خوبي داشته باشند و ….

از آنجا كه نمي توان ماده‌اي يافت كه همه خواص مورد نظر را دارا باشد، بايد به دنبال چاره‌اي ديگر بود. كليد اين مشكل، استفاده از كامپوزيتهاست.

كامپوزيتها موادي چند جزئي هستند كه خواص آنها در مجموع از هركدام از اجزاء بهتر است.ضمن آنكه اجزاي مختلف، كارايي يكديگر را بهبود مي‌بخشند. اگرچه كامپوزيتهاي طبيعي، فلزي و سراميكي نيز در اين بحث مي‌گنجند، ولي در اينجا ما تنها به كامپوزيتهاي پليمري مي‌پردازیم.

در كامپوزيتهاي پليمري حداقل دو جزء مشاهده مي‌شود:

1- فاز تقويت كننده كه درون ماتريس پخش شده است.

2- فاز ماتريس كه فاز ديگر را در بر مي‌گيرد و يك پليمر گرماسخت يا گرمانرم مي‌باشد كه گاهي قبل از سخت شدن آنرا رزين مي‌نامند.

تقسيم بندي‌هاي مختلفي در مورد كامپوزيتها انجام گرفته است كه در اينجا يكي از آنها را آورده‌ايم:

خواص كامپوزيتها به عوامل مختلفي از قبيل نوع مواد تشكيل دهنده و تركيب درصد آنها، شكل و آرايش تقويت كننده و اتصال دو جزء به يكديگر بستگي دارد.

از نظر فني، كامپوزيتهاي ليفي، مهمترين نوع كامپوزيتها مي باشند كه خود به دو دستة الياف كوتاه و بلند تقسيم مي‌شوند. الياف مي‌بايست استحكام كششي بسيار بالايي داشته، خواص ليف آن (در قطر كم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع قسمت اعظم نيرو توسط الياف تحمل مي‌شود و ماتريس پليمري در واقع ضمن حفاظت الياف از صدمات فيزيكي و شيميايي، كار انتقال نيرو به الياف را انجام مي‌دهد. ضمناَ ماتريس الياف را به مانند يك چسب كنار هم نگه مي‌دارد و البته گسترش ترك را محدود مي‌كند. مدول ماتريس پليمري بايد از الياف پايينتر باشد و اتصال قوي بين الياف و ماتريس بوجود بياورد. خواص كامپوزيت بستگي زيادي به خواص الياف و پليمر و نيز جهت و طول الياف و كيفيت اتصال رزين و الياف دارد. اگر الياف از يك حدي كه طول بحراني ناميده مي‌شود، كوتاهتر باشند، نمي‌توانند حداكثر نقش تقويت كنندگي خود را ايفا نمايند.

اليافي كه در صنعت كامپوزيت استفاده مي‌شوند به دو دسته تقسيم مي‌شوند:
الف)الياف مصنوعي

ب)الياف طبيعي

كارايي كامپوزيتهاي پليمري مهندسي توسط خواص اجزاء آنها تعيين ميشود. اغلب آنها داراي الياف با مدول بالا هستند كه در ماتريسهاي پليمري قرار داده شدهاند و فصل مشترك خوبي نيز بين اين دو جزء وجود دارد.
ماتريس پليمري دومين جزء عمده كامپوزيتهاي پليمري است. اين بخش عملكردهاي بسيار مهمي در كامپوزيت دارد. اول اينكه به عنوان يك بايندر يا چسب الياف تقويت كننده را نگه ميدارد. دوم، ماتريس تحت بار اعمالي تغيير شكل ميدهد و تنش را به الياف محكم و سفت منتقل ميكند.
سوم، رفتار پلاستيك ماتريس پليمري، انرژي را جذب كرده، موجب كاهش تمركز تنش ميشود كه در نتيجه، رفتار چقرمگي در شكست را بهبود ميبخشد.
تقويت كنندهها معمولا شكننده هستند و رفتار پلاستيك ماتريس ميتواند موجب تغيير مسير تركهاي موازي با الياف شود و موجب جلوگيري از شكست الياف واقع در يك صفحه شود.
بحث در مورد مصاديق ماتريسهاي پليمري مورد استفاده دركامپوزيتها به معناي بحث در مورد تمام پلاستيكهاي تجاري موجود ميباشد. در تئوري تمام گرماسختها و گرمانرمها ميتوانند به عنوان ماتريس پليمري استفاده شوند. در عمل، گروههاي مشخصي از پليمرها به لحاظ فني و اقتصادي داراي اهميت هستند.
در ميان پليمرهاي گرماسخت پلياستر غير اشباع، وينيل استر، فنل فرمآلدهيد(فنوليك) اپوكسي و رزينهاي پلي ايميد بيشترين كاربرد را دارند. در مورد گرمانرمها، اگرچه گرمانرمهاي متعددي استفاده ميشوند، PEEK ، پلي پروپيلن و نايلون بيشترين زمينه و اهميت را دارا هستند. همچنين به دليل اهميت زيست محيطي، دراين بخش به رزينهاي داراي منشا طبيعي و تجديدپذير نيز، پرداخته شده است.

از الياف متداول در كامپوزيتها مي‌توان به شيشه، كربن و آراميد اشاره نمود. در ميان رزينها نيز، پلي استر، وينيل استر، اپوكسي و فنوليك از اهميت بيشتري برخوردار هستند. در بخشهاي بعدي، رزينها و الياف و روشهاي شكل دهي كامپوزيتها را مورد بحث قرار داده‌ايم.