مقدمه:

1. مقدمه: بطور كلي به تركيب دو يا چند ماده كه به صورت شيميايي ،مجزا و غير محلول در يكديگر باشند كامپوزيت گفته ميشود . بعبارت ديگر كامپوزيت به موادي اطلاق ميشود كه آميزه اي از مواد با تركيب متفاوت بوده كه اجزاي تشكيل دهنده ي آن هويت خود را حفظ مينمايند . با توجه به اين امر، كامپوزيت از آلياژ فلزي متفاوت ميباشد .

2. تاريخچه: قديمي ترين مثال از كامپوزيت ها مربوط به افزودن كاه به گل جهت تقويت گل و ساخت آجري مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است . قدمت اين كار به 4000 سال قبل از ميلاد مسيح باز مي گردد . در اين مورد كاه نقش تقويت كننده و گل نقش زمينه يا ماتريس را دارد . مثال ديگر تقويت بتن توسط ميله هاي فولادي مي باشد . كه قدمت آن به سال 1800 ميلادي باز مي گردد . نمونه ي ديگر قایق‌هایی است 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. تاريخچه مواد پليمري تقويت شده با الياف به سالهاي 1940 در صنايع دفاعي و به خصوص كاربردهاي هوا - فضا بر مي گردند براي مثال در سال 1945 بيش از 7 ميليون پوند الياف شيشه به طور خاص براي صنايع نظامي ، مورد استفاده قرار گرفته است . در ادامه با توجه به مزاياي آنها ، به صنايع عمومي نيز راه يافتند .

3. تعريف: در مهندسي مواد این اصطلاح معمولاً به موادی گفته می‌شود که از یک فاز زمینه (ماتریکس) و یک تقویت کننده (پرکننده) تشکیل شده باشند. تعریف انجمن متالوژي آمريكا: به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند مادهٔ مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود.

4. کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس و تقویت کننده تشکیل شده‌است. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می‌دارد. تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میگردد. به طور کلی تقویت کننده میتواند به صورت اليافهاي کوتاه و یا بلند و پیوسته باشد. در یک کامپوزیت به طور کلی الیاف، عضو بار پذیر اصلی سازه هستند در حالیکه ماتریکس آنها را در محل و آرایش مطلوب نگاه داشته وبعنوان یک محیط منتقل کننده بار بین الیاف عمل میکند،به علاوه آنها را از صدمات محیطی دراثربالا رفتن دما و رطوبت حفظ می کند.

5. مزایا: مزايايي از قبيل سبکي قطعات کامپوزيتي درعین بالا بودن نسبت مقاومت به وزن آنها(حتی تا 15برابر برخی از فولادها)، خواص مکانيکي بالاي آنها، مقاومت در برابر خوردگي، سهولت توليد و کاهش آلودگي محيط‌ زيست دراثراستفاده از قطعات کامپوزيتي سبب استفاده روزافزون ازاين قطعات در بسیاری از صنایع گرديده است. مطالعات و تحقيقات زيادي در مورد استفاده از اين مواد به جاي قطعات فلزي خودرو و بهبود خواص آنها در دست انجام است.

6. حوزه های کاربرد کامپوزیت: 1- صنايع حمل و نقل شامل حمل و نقل هوايي ، جاده اي و دريايي 2- صنايع نظامي و هوا – فضا 3- صنايع انرژي در هر يك از حوزه هاي توليد و انتقال برق و صنعت نفت ، گاز و پتروشيمي 4- صنعت ساخت و ساز شامل صنايع زير بنايي و صنعت ساختمان 5- صنايع مبلمان شهري 6- وسايل خانگي 7- لوازم ورزشي

7. دسته بندي: كامپوزيت ها بر اساس نوع زمينه اي كه تقويت كننده را احاطه نموده است به سه گروه عمده بر اساس يك طبقه بندي بين المللي واحد تقسيم مي شوند كه عبارتند از: 1- كامپوزيت هاي زمینه فلزيMattel Matrix Composites يا (MMC ) 2- كامپوزيت هاي زمینه سراميكي  Ceramic Matrix Compositesيا (CMC) 3- كامپوزيت هاي زمینه پليمري Polymer Matrix Composites يا (PMC)

8. البته کامپوزیتها دسته بندی دیگری هم دارند که بر اساس نوع تقویت کننده صورت می گیرد و عبارتست از: کامپوزیت ذره ای کامپوزیت الیافی یا رشته ای کامپوزیت لایه ای

9. کامپوزیتهای زمینه فلزی: كامپوزيت زمينه فلزي مجموعه‌اي است از زمينه آلياژ فلزي نرم و افزودني استحكام بخش كه معمولاً ماده‌اي سراميكي است و براي تأمين استحكام و سفتي مناسب به زمينه افزوده مي‌شود. از سوپر آلیاژها ، آلیاژهای آلومنییم و منیزیم ، تیتانیم و مس به عنوان مواد زمینه واز رشته های کربن ، کاربید سیلیسیم ، بور ، آلومینا و فلزات دیر گداز ميتوان به عنوان تقويت كننده استفاده كرد. دلايل زيادي براي تمايل طراحان و مهندسان به استفاده از قطعات از جنس کامپوزيت ‌هاي زمينه فلزي وجود دارد از جمله: بهبود مقاومت سایشی ،بهبود مقاومت در برابر خزش ، کاهش ضریب انبساط حرارتی و امکان کاهش وزن با بالا بردن نسبت استحکام به وزن میباشد.

10. روش تولید کامپوزیت زمینه فلزی: کامپوزيت ‌هاي زمينه فلزي به روش‌هاي مختلفي از جمله متالورژي پودر، آلياژسازي مکانيکي و روشهاي ريخته‌گري تهيه مي‌شوند. از بين اين روشها، روشهاي ريخته‌گري يا روشهايي که در آنها کامپوزيت از فاز مذاب فلز زمينه توليد مي‌گردد به علت سرعت بالاتر و هزينه‌هاي پايين‌تر، بيش ازسايرروشها درتوليد انبوه قطعات صنعتي مورد توجه قرار گرفته است.

11. کامپوزیتهای زمینه سرامیکی: سراميكهاي پيشرفته داراي ويژگيهاي مطلوبي مانند سختي، استحكام بالا، تحمل دماهاي بالا، خنثايي شيميايي، مقاومت در برابر فرسايش و چگالي كم هستند. ولي در برابر بارهاي كششي و ضربه ضعيفهستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطافپذيري نشان نميدهند. سراميكها تنها گروهي از مواد هستندكه دردماهاي بالا قابل استفادهاند و داراي مدول الاستيكي بالاتري نسبت به فلزات و پليمرها ميباشند. همچنين چگالي، ضريب انبساط حرارتي و هدايت الكتريكي و حرارتي كمي دارند.

13. كامپوزيتهاي زمینه سراميكي: يكي ازراههاي مهم دستيابي به چقرمگي بالاتردر سراميكها، تهيه ي كامپوزيت زمینه سراميكي است كهبا گنجاندن الياف و ذرات تقويتكننده در يك زمينه ي سراميكي ميتوان به يك ماده ي سراميكي چقرتر دست يافت. زمینه های مهم در تهيه كامپوزيتهاي زمينه سراميكي عبارتند از: انواع گوناگون شيشه،سراميكهايي همچون كربن، كاربيدسيليسيوم، نيتريدسيليسيوم، آلوميناتها و اكسيدها. تقويتكنندهاي مورد استفاده عبارتند از :كاربيدها، بوريدها، نيتريدها و كربن. عمدهترين كامپوزيتهاي زمينه سراميكي عبارتند از: كامپوزيتهاي كربن/كربن، كامپوزيتهاي آلومينا/SiC و كامپوزيتهايي با زمينه Si3N4 يا SiC تقويت شده با الياف پيوسته SiC و كربن.

14. كاربرد كامپوزيت زمینه سراميكي: معمولاً كاربرد كامپوزيتهاي پايه سراميكي به دو دستة هوافضايي و غيرهوافضايي تقسيم ميشوند. در كاربردهاي هوافضايي از كامپوزيتهاي كربن/كربن با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتي در شاتلهاي فضايي استفاده شده است و كامپوزيتهاي كاربيدسيليسيم/كربنمواد مناسبي براي هواپيماها هستندکه ازآنها براي ساخت شیشه های ضد مه وضد یخ و پنجره هواپیماها، اجزای مختلف موتور جت، قطعات با مقاومت داماهای زیاد، اجزای الکتریکی – الکترونیکی فضایی و ناوبری و لنزهای تلسکوپ ها فضایی استفاده میشود.

15. از كاربردهاي غيرهوافضايي كامپوزيتهاي سراميكي ميتوان به اجزاي موتورهاي دما بالا، مته و ابزار تراش، اجزاي مقاوم در برابر سايش، لوله اگزوز، نازل، لولههاي مبدل گرما و غيره اشاره كرد.

16. كامپوزيتهاي زمينه پليمري: در كامپوزيتهاي زمينه پليمري ، ماتريكس يا همان زمينه يك ماده پليمري است كه به آن لفظ رزين اطلاق مي گردد و شامل دو دسته كلي ترموپلاستيك ها هستند. الياف تقويت كننده نيز شامل انواع شيشه ، آراميد ، كربن و بور ميباشد. دراين تركيب نقش باربري به صورت عمده بر عهده الياف است. رزين وظيفه توزيع بار اعمال شده در شبكه الياف و نگهداشتن موقعيت الياف در جاي خود را بر عهده دارد .

17. مزاياي كامپوزيتهاي زمينه پليمري: كاهش وزن سازه ي ساخته شده ايمن بودن در برابر پديده خوردگي قابليت تحمل بارهاي متناوب و مقاومت بسيار مناسب در برابر پديده خستگي سادگي روشهاي توليد و امكان توليد اشكال بسيار پيچيده با روشهاي بسيار آسان، كارآمد و مقرون به صرفه سهولت فرآيندهاي تعمير و عيب يابي خصوصيات ارتعاشي بسيار مناسب و مقاوم بودن نسبت به پديده تشديد در ارتعاشات نسبت به فلزات

18. روشهاي توليد كامپوزيت زمينه پليمري: روشهای مختلفی جهت تولید قطعات کامپوزیتی زمينه پلیمری وجود دارد که به طور کلی به سه دسته تقسیم می شوند : 1- روشهای تولید ساده ، لایه چینی دستی و پاششی که شامل روش های تولید با قالب باز هستند. 2- روشهای تولید خاص، پیچش الیاف و لایه نشانی پیوسته که جهت تولید قطعات خاص مانند لوله ، پروفیل ، ورق و غیره مورد استفاده قرار میگیرند.

19. فايبر گلاس: لوله هاي فايبرگلاس ، از الياف شيشه آغشته به رزين توليد مي شوند. اين تركيب ممكن است مواد اضافي ديگري از جمله ماسه هاي پركننده (سيليس) را شامل شود. با انتخاب مناسبي از الياف شيشه ، رزين ، پركننده و طراحي مي توان به دامنه وسيعي از عملكرد دست يافت. در طي سالها آزمايش با مواد متنوع و مختلف نامهاي مختلفي براي لوله هاي فايبرگلاس معرفي شده است. از جمله لوله ساخته شده از رزين تقويت شده ضد حرارت (RTRP) ، لوله هاي ساخته شده از پلاستيك تقويت شده (RPMP) و لوله پلاستيكي تقويت شده با الياف شيشه (GRP) و لوله پلاستيكي تقويت شده به كمك الياف شيشه (FRP) و … مي باشد. صرفنظر از امكان توليد با تركيبات مختلف ، عموما اين لوله ها را لوله فايبرگلاس مينامند. اين اسم تمام انواع تركيبات لوله را پوشش مي دهد.

21. پارچه نسوز فایبرگلاس با فویل آلومینیوم: جهت ایزولاسیون لوله های با حرارت بالا در نیروگاهها و پتروشیمی ها ، دوخت لباسهای نسوز مورداستفاده در آتشنشانیها ، صنایع مرتبط با ذوب فلزات .

22. نوار و نخ های نسوز فایبرگلاس : پکینگها ی فایبرگلاس با 850 درجه سانتیگراد مقاومت حرارتی بسیار مناسب جهت آب بندی کانالهای دود و هوای گرم ، آببندی دریچه کوره ها ، بویلرها ، دریچه تانکهای آب و بخار

23. كاربردها : لوله فايبرگلاس در بسياري از صنايع و براي ده ها هزار كاربرد بكار مي روند، از جمله: صنايع شيميايي َ لوله كشي مجاري و تخليه فرآيند وابسته  به حرارت مركزي زمين صنعت فاضلاب آبياري مناطق نفت خيز(ميدان نفت) آب آشاميدني سردكردن نيروگاه برقي و آب سرد انتقال آب دريا لوله كشي آب دريچه سدها فايبر گلاس ها، موارد استفاده ي فراوانی از جمله در ساخت بدنه‌ خودروها و قایقهای تندرو و مسابقه‌ای ، کلاه ایمنی موتورسواران ، عایقکاری ساختمانها و کوره‌ها و یخچالها و … دارند.

24. كاربرد مواد كامپوزيتي در خودرو: در دهه ي 1930 بنا به درخواست هنري فورد، دانشمندان شركت "فورد موتور" شروع به جستجوي راه‌هاي توسعه قطعات ارگانيكي ( آلي) خودرو كردند. در سال 1940 ماده مناسبي براي اين كار پيدا شد و آن روغن سويا بود. بنا به گفته دانشمندان، روغن سويا ميتوانست در داخل پلاستيك تقويت‌شده با الياف , قالب گيري شود و به طور شگفت‌انگيزي استحكام داشته باشد. (مقاومت به ضربه آن 10 برابر فولاد بود) و هنري فورد، خود با ضربه زدن با يك تبر به يك قطعه ساخته شده از روغن سويا آن را امتحان كرد. اما روغن سويا داراي دو مشكل عمده بود: زمان زيادي براي خشك شدن نياز داشت و براحتي قالب گيري نمي شد.

25. كاربرد مواد كامپوزيتي در خودرو: كامپوزيتهايي كه امروزه توسعه يافته اند، موادپليمري هستند كه پس از تشكيل, محكم­تر وچقرمه تر و بسيار بادوام­تر از هر دو ماده اوليه ميشوند. اين مواد جديد، تركيبي از الياف محكم كربن و الياف چقرمه كولار با پلاستيكهاي مقاوم در برابر خوردگي هستند كه باهم تشكيل كامپوزيتي ميدهند كه بسيار بهتر از فولاد و آلومينيوم عمل ميكند.

26. كاربرد مواد كامپوزيتي در خودرو: از اوايل دهة 80 كامپوزيت‌هاي پيشرفته به طور متداول در اتاق سرنشين خودروهاي مسابقه اي فرمول يك، مورد استفاده قرار گرفتند و به گونه اي طراحي شده اند كه از جان راننده هنگام تصادفات با سرعت‌هاي بالاي 100 مايل در ساعت محافظت كنند.

27. كاربرد كامپوزيت در صنعت ساختمان: امروزه در مهندسي ساختمان از آرماتورها و كابلهاي غيرفلزي ‏F R P‏ تهيه شده از مواد كامپوزيتی جهت مسلح كردن سازه ها استفاده میشود . اين مواد جهت سازه هاي بتني به خصوص پلها، سازه هاي دريايي و ... كاربرد دارند.

28. رواج پل های کامپوزیتی در دنیا: پروفیل‌های کامپوزیتی که به روش پالتروژن تهیه می‌شوند، کاربرد فراوانی در ساخت پل‌ها دارند. پل‌های کامپوزیتی حاصل، در مقایسه با پل­های مشابه از جنس بتن و فولاد، از سبکی، طول عمر و سرعت نصب بیشتری برخوردارند و هزینة نصب کمتری دارند.

29. كاربرد كامپوزيت FRP در صنعت برق ومخابرات: حدود 20 سال است كه كامپوزيتهاي پليمري تقويت شده با الياف FRP در كاربردهاي الكتريكي مصرف مي شوند . اين مواد در ساخت قطعات گوناگون صنعت برق و مخابرات به كار مي روند . از جمله:سيني كابل، سيستم هاي حمل كابل در تونل ها و پل ها، كابل‌هاي فيبر نوري، تيرهاي انتقال برق، بازوهاي عرضي (كراس آرم ها)، برج هاي ارتباطي .