کامپوزیت پلیمری چیست؟ کاربرد کامپوزیت زمینه پلیمری
درس مهندسی کامپوزیت واحدیست که دانشجویان مهندسی پلیمر باید ان را در سالهای اخر تحصیل خود بگذرانند و از انجاییکه کامپوزیت پلیمری در سالهای اخیر پیشرفت چشمگیری داشته است این درس بسیار مهم بوده و از دروسی است که میتوانید با فهم عمیق مفاهیم آن وارد صنایع بزرگی مانند صنایع نظامی شوید. با ما تا اخر مقاله همراه باشید تا علاوه بر اینکه بدانیم انها چه موادی هستند، به بررسی کاربرد های کامپوزیت ها نیز بپردازیم بدانیم انها چگونه خواص فوق العاده ای به ما میدهند. همچنین درس کامپوزیت از جمله دروس تخصصی و اصلی است که تحت زیرمجموعه بخش تکنولوژی پلیمر ها در کنکور کارشناسی ارشد پلیمر از آن 7 الی 10 سوال می اید.
کامپوزیت چیست؟
در حقیقت میتوان گفت هر قطعه که اجزای تشکیل دهنده ان بیش از یک جزء تشکیل شده است که خواص حداقل 5 برابری نسبت به ماده تک جزئی ان میدهد کامپوزیت نامیده میشود.اگر با دقت به اطرافتان نگاهی بیندازید کامپوزیتهای زیادی هستند که ممکن است تا به حال به انها دقت نکرده باشید .
به عنوان مثال بتن یکی از ان کامپوزیت هاست که شامل شن، سیمان و سنگ میباشد.که معمولا به جهت تقویت خواصش میلگردهایی را در آن میگذارند. جالب است بدانید که احتمالا از اولین کامپوزیت های ساخته ی دست انسان کاهگل میباشد. کاه گل یک کامپوزیت میباشد چون دارای بیش از یک جزء میباشد (گل و کاه)، و همچنین خواصش هم از کاه و هم از گل به طور تنها بسیار بهتر میباشد.
کامپوزیت پلیمری
همانطور که میدانید امروزه صنعت پلیمر بسیار پیشرفت کرده است و همین باعث شده تا از انها در صنایع گوناگون استفاده شود به عنوان مثال یکی از مهمترین کاربردهای انها، چه طبیعی باشد و چه مصنوعی، استفاده در کامپوزیت ها به عنوان ماتریس پلیمری میباشد. که البته تا به امروز کامپوزیت هایی که ماتریس (زمینه) پلیمری دارند پیشرفته ترین نوع صنعت کامپوزیت میباشند. کامپوزیت ها معمولا از خواص حرارتی و مکانیکی خوبی به دلیل اجزای سازنده خود دارا میباشند.
اساسا استحکام و مدول ماده تقویت کننده که ان را لیف مینامیم بسیار بالاتر از پلیمر خالص میباشد. پس باید بدانیم عنصر اصلی تحمل بار در کامپوزیت هایی که زمینه انها پلیمری میباشد، تقویت کننده ها هستند. و از طرفی، ماتریس یا همان زمینه سبب انتقال یکدست نیرویی است که به تقویت کننده اعمال میشود. و عموما ماتریس ها به عنوان توزیع کننده بار اعمالی به کل کامپوزیت میشوند. پس نیاز است که ماتریس تقویت کننده را محکم نگهداری کند. بدین معنی که فصل مشترک بین انها به خوبی برقرار باشد که نهایتا سبب افزایش چشمگیر خواص مکانیکی در کامپوزیت های زمینه پلیمری میشود. عملکرد این نوع کامپوزیت ها که زمینه پلیمری دارند به چند عامل وابسته است.به عنوان مثال خواص تقویت کننده یا فایبر، هندسه و جهت گیری تقویت کننده در داخل کامپوزیت، خواص ماتریس پلیمری، نسبت تقویت کننده به ماتریس.
کامپوزیت های با زمینه ی پلیمری که اخیرا در مواقع زیادی به جای فلزات به کار برده میشوند به دلیل بهبود خواص مکانیکی ایجاد شده کامپوزیت های زمینه پلیمری در مقایسه با زمینه خالص یا همان پلیمر خالص میباشد. به همین دلیل اخیرا بهره برداری از خواص ویژه ای که رشته های شیشه ای، کربنی و آرامیدی به ما میدهند بسیار باب شده است. البته تنوع مواد مورد استفاده در کامپوزیت ها به منظور تقویت کنندگی و آرایش هایی که ممکن است انها داشته باشند(الیاف تک جهتی و یا بریده شده ی تصادفی و بافت های متعدد و غیره) گستره ی خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری ممکن است بسیار از هم متفاوت باشد. و همچنین خواصی که ما از قطعه با توجه به کاربردش نیاز داریم نسبت به عواملی همچون : شکل تقویت کننده، کسر حجمی و هندسه آن حساس است.
دلایل توسعه کامپوزیتهای زمینه پلیمری در مقیاس بزرگ و صنعتی
از دلایلی که کامپوزیت های زمینه پلیمری توسعه سریع تر و بیشتری نسبت به دیگر کامپوزیت ها مانند کامپوزیت های زمینه فلزی و کامپوزیت های زمینه سرامیکی داشته اند میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- همانطور که میدانیم خواص فیزیکی مکانیکی اغلب پلیمرهای خالص استفاده از آن ها را برای استفاده در اهداف ساختمانی محدود میکند. از جمله مهم ترین انها استحکام ، مدول کم و همچنین خواص وابسته به زمان انها نسبت به فلزات و سرامیک است. اما با توجه به کاربرد ها و خواص بالقوه انها تقویت پلیمرها با خواص حداقل 5 برابری سبب کاربردهای گسترده انها شد.افزودن تقویت کننده (فایبر) حداقل در ابتدا نیاز به خواص استثنایی ندارد بلکه عوامل دیگر در ان بسیار موثرتر است.
- روش ساخت و فرآوری تولید این کامپوزیت ها در صنعت و حتی به صورت اکادمیک نیازی به فشار و دمای بالا برای تولید نداشته. در نتیجه مشکلات مربوط به تولید انها چه از نظر تجهیزاتی چه نیاز به اوپراتور های خاص به وجود نمی اید.
به دلایل بالا و به طور کل اسان بودن کار با انها امروزه به جز بتن ها، پلیمرهای تقویت شده که با الیاف شیشه تقویت شده اند از نظر حجمی پر کاربردترین کامپوزیت های در حال حاضر هستند.که از نظر آلودگی محیط زیستی نیز ترجیح مهندسان میباشد.
انواع کامپوزیت های زمینه پلیمری و دسته بندی انها
یک نوع از چندین دسته بندی موجود برای کامپوزیت ها به شرح زیر است:
نوع ماتریس (ترموست هستند یا ترموپلاستیک)
شکل تقویت و کننده هندسه انها
کاربرد آنها
نوع تقویت کننده از نظر شیمیایی (کربن، شیشه، آرامید و…)
منشاء ماتریس و الیاف انها (طبیعی یا مصنوعی)
وظیفه اصلی فایبر یا همان تقویت کننده چیست؟
کامپوزیتها اغلب از دو جز تشکیل میشوند، ماتریس (زمینه( و لیف. لیفها بسته به کاربردمیتواند الیاف شیشه الیاف کولار الیاف کربن الیاف بورون الیاف پلیاتیلن و.. باشد که معمولاً از الیاف شیشه بیش از همه استفاده میشود. ماتریس ها نیز معمولاً یک ترموست و یا ترموپلاستیک مانند رزین اپوکسی،رزین پلی استر، پلیدیسیکلوپنتادیاِن یا پلیایمید میباشد. لیف ها برای محکم کردن و افزایش خواص مد نظر درون ماتریس چیده میشود. کامپوزیتهای دارای الیاف دو مزیت بسیار مهمی دارا میباشد.ابتدا استحکام بسیار خوبی را براورده میکنند و سپس میتوان گفت بسیار سبک میباشند.این نوع کامپوزیت ها از فولاد محکمتر بوده اما وزن مخصوص بسیار کمتری را به ارمغان می اورند. که با این شرایط میتوان با استفاده از انها خودروهای سبکتر و کممصرفتر تولید کرده و همچنین وزن ساختمانها را پایین اوریم. به عنوان مثال امروزه صنایع پزشکی، ساخت وسایل ورزشی و سرگرمی، ،هواپیماسازی، الکترونیک و کاملا به کامپوزیت های پلیمری وابسته هستند. باید توجه کنیم که جایگزینی کامپوزیت های زمینه پلیمری به جای آلیاژهای فلزی می تواند به طور موثری هزینه های تولید قطعات را برای تولید کنندگان کاهش دهند.
دسته بندی الیاف و تقویت کننده های کامپوزیت
الیاف را عموما به چهار نوع اصلی تقسیم بندی میکنند :
- ذرات (particles)
- الیاف پیوسته (continuous fibers)
- الیاف ناپیوسته (discontinuous fibers)
که بسته به خواص مد نظر از انها استفاده میکنند.
وظیفه ماتریس چیست؟
ابتدایی ترین کار فاز ماتریس ، کنار هم نگه داشتن الیاف میباشد. قطعا قابل تصور است که یک دسته الیاف جدا از هم چندان خواصی نداشته و کاربردی نیستند. اگر توجه کنیم نیز متوجه میشویم الیاف بسیار سخت و محکم با مدول بالا ،قبل از استفاده بسیار شکننده نیز میباشند. ماتریس های پلیمری نیز در واقع مواد ویسکوالاستیکی میباشند که خواص مکانیکی ضعیفی را به دنبال دارد. و در حقیقت استحکام و سفتی کامپوزیت اغلب از فاز لیف به دست می اید. وقتی لیف ها درون ماتریس و زمینه پلیمری قرار میگیرند قضیه برگشته بدین صورت که ماتریس انرژی ایجاد شده و وارد شده درون بالک را که ممکن است در اثر فشار باشد با تغییر شکل، جذب کرده و به الیاف انتقال دهد. ماتریس در حقیقت باعث چقرمگی کامپوزیت میشود. دو گروه اصلی از پلیمرها (ترموست ها و ترموپلاستیک ها) معمولا برای ماتریس کامپوزیت پلیمری استفاده می شوند.
رزین های ترموست مورد استفاده در کامپوزیت ها
اگر بخواهیم از رزین ها که مورد استفاده در کامپوزیت ها نام ببریم میتوان گفت معمولا اپوکسی ها، پلی ایمیدهای ترموست، بیسمال ایمیدها ، سیانات استرها، ، وینیل استرها، پلی استرهای ترموست و فنولیک ها استفاده میشوند.
پلیمرهای ترموپلاستیک مورد استفاده در کامپوزیت ها
رزین های ترموپلاستیک نیز از این قرارند پلی اتر ایمید پلی کربنات ، پلی استایرن آکریلونیتریل بوتادین استایرن (ABS) ، پلی سولفون که همگی مواد آمورف میباشند. رزین های ترموپلاستیک شامل پلی اتیلن ، نایلون ، پلی فنیلن سولفید، پلی استال، پلی پروپیلن، پلی پلی اتر اترکتون (PEEK) و اترسولفون که همگی بلورین هستند. ترموپلاستیک های آمورف در اغلب موارد مقاومت ضعیفی در برابر حلال دارا میباشند.همچنین پلیمرهای بلورین نیز از نظر مقاومت به حلال ها بسیار بهتر هستند.
نتیجه گیری
انتخاب نوع فایبر و انتخاب نوع زمینه پلیمری همچنین به دست اوردن پارامتر های مهم همگی در درس مهندسی کامپوزیت بررسی میشوند که موسسه جهش نوین پلیمر ایرانیان با مدرس برتر خود 10 سالیست که تمامی دروس رشته مهندسی پلیمر را ارائه کرده و امار قبولی دانشگاه های سراسری بسیار بالایی را هرساله داشته است. توصیه ما به شما دانشجویان و یا صنعتی کارانی که به دنبال پیشرفت کار خود هستید تهیه پکیج ها میباشد که در ابتدا میتوانید به صورت تک درس درس مدنظرتان را تهیه کرده و سپس در صورت رضایت پکیج کامل را خریداری نمایید.
دیدگاهتان را بنویسید