آشنایی با کامپوزیت‌ها و کاربردشان در مهندسی هوافضا

کامپوزیت‌ها (مواد مرکب) یکی از مهم‌ترین و پیشرفته‌ترین مواد مهندسی در عصر حاضر به شمار می‌روند که با ترکیب دو یا چند ماده با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت، ماده‌ای با ویژگی‌های بهبود یافته تولید می‌کنند. این مواد در مقایسه با فلزات سنتی، از خواصی نظیر وزن سبک، مقاومت مکانیکی بالا، دوام طولانی و مقاومت در برابر خوردگی برخوردارند که آن‌ها را برای کاربردهای حساس و پیشرفته، به ‌ویژه در صنعت هوافضا، به گزینه‌ای ایده‌آل تبدیل کرده است.

در مهندسی هوافضا، وزن کم و مقاومت بالا نقش کلیدی در طراحی سازه‌های پروازی ایفا می‌کند. استفاده از کامپوزیت‌ها در ساخت بدنه هواپیماها، بال‌ها، پره‌های توربین و حتی اجزای داخلی فضاپیماها، باعث کاهش مصرف سوخت، افزایش بازدهی پروازی و ارتقاء ایمنی شده است. به‌ همین دلیل، کامپوزیت‌ها به یکی از محورهای اصلی توسعه فناوری در صنعت هوافضا تبدیل شده‌اند.

معرفی کامپوزیت و نقش آن در صنعت

کامپوزیت‌ها موادی هستند که از ترکیب دو یا چند ماده با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت تشکیل می‌شوند. هدف از این ترکیب، به دست آوردن ماده‌ای است که خواصی بهتر از هر یک از اجزای تشکیل‌ دهنده به تنهایی داشته باشد. در این ترکیب، الیاف تقویت‌کننده و ماتریس زمینه‌ای هر کدام نقش خاص خود را ایفا می‌کنند.

نمونه‌های طبیعی کامپوزیت‌ها:

•         چوب: الیاف سلولز در ماتریس لیگنین
•         استخوان: ذرات هیدروکسی ‌آپاتیت در ماتریس کلاژن

در مواد کامپوزیتی ساخته دست بشر، می‌توان از پلاستیک‌های تقویت ‌شده با فیبر نام برد که در صنایع مختلف، به ویژه هوافضا، کاربرد دارند.

مواد کامپوزیتی مهم در صنعت هوافضا

        CFRP (پلاستیک تقویت‌ شده با فیبر کربن)

o        الیاف کربن تقویت‌ شده با ماتریس پلیمری

o        استحکام و سختی بالا، چگالی کم

        GFRP (پلاستیک تقویت ‌شده با فیبر شیشه)

o        الیاف شیشه در ماتریس پلیمری

o        مقاوم در برابر کشش و ضربه

این مواد در طراحی و ساخت اجزای مختلف هواپیما، به خصوص بدنه و سازه‌های اصلی آن، به‌ کار می‌روند.

کامپوزیت‌های ذره‌ای:

        MMC (کامپوزیت‌های زمینه فلزی)

o        ذرات غیر فلزی (مانند کاربید سیلیکون) در ماتریس فلز

o        کاربرد در صنعت هوافضا برای مقاومت در برابر فشار و دماهای بالا

استفاده از این کامپوزیت‌ها به دلیل ویژگی‌هایی مانند استحکام بالا، چقرمگی و دوام در شرایط خاص، باعث شده تا در طراحی قطعات هواپیما، موتور و سایر سامانه‌های حساس از این مواد استفاده شود.

مقایسه انواع کامپوزیت‌ها و کاربرد آن‌ها

کامپوزیت‌های ذره‌ای و مواد فلزی معمولی دارای خواص ایزوتروپیک هستند، به این معنی که خواص آن‌ها مانند مقاومت و سختی در همه جهات یکسان است. در مقابل، کامپوزیت‌های الیافی غیر ایزوتروپیک هستند، یعنی خواص آن‌ها بسته به جهت بار و جهت الیاف تغییر می‌کند.

برای مثال، در چوب بالسا، خم کردن آن در امتداد و موازی الیاف نسبت به عمود بر الیاف بسیار راحت‌تر است. این ویژگی غیر ایزوتروپیک بودن کامپوزیت‌ها را نشان می‌دهد. این ویژگی، زمانی که لایه‌های بسیار نازک (معمولاً در حد میلی‌متر) با زاویه‌های مختلف روی هم چیده شوند، بیشتر به چشم می‌آید و به شکل یک لمینیت در می‌آید.

 در بیشتر کاربردهای هوافضا، این رویکرد به یک مرحله جلوتر رفته و لایه‌ها با جهت‌گیری‌های مختلف در توالی خاص روی هم چیده می‌شوند تا ویژگی‌های لمینیت به‌ طور دقیق تنظیم شود و بتوان بهترین عملکرد را از آن گرفت.

 مراحل ساخت اجزای کامپوزیتی

1.  تهیه لایه‌ها: لایه‌ها معمولاً با ماتریس رزین آغشته می‌شوند.

2.  برش لایه‌ها به شکل‌های مورد نیاز: لایه‌ها بر اساس طرح مورد نظر برش داده می‌شوند.

3.  چیدن لایه‌ها روی یک فرم: لایه‌ها طبق توالی مشخص روی فرمِر (قاب نگه ‌دارنده) چیده می‌شوند.

4.  پخت کامپوزیت: مجموعه لایه‌ها در معرض دما و فشار قرار می‌گیرند تا "سخت" شوند.

5.  بررسی محصول نهایی: بررسی ابعادی و کیفیت محصول برای اطمینان از نبود حباب‌ها یا حفره‌های هوا در داخل لمینت.

در نهایت، این فرآیند به گونه‌ای طراحی شده است که ضمن استفاده بهینه از مواد، به ویژگی‌هایی همچون سبکی، استحکام بالا و چقرمگی دست پیدا کرده و می‌تواند در شرایط مختلف هوافضایی عملکرد مطلوبی از خود نشان دهد.

کاربرد کامپوزیت در مهندسی هوافضا

یکی از نخستین کاربردهای مواد کامپوزیت مدرن به حدود ۴۰ سال پیش بازمی‌گردد، زمانی که کامپوزیت اپوکسی تقویت ‌شده با بور در ساخت پوسته‌های جنگنده‌های F14 و F15 ایالات متحده به کار رفت. در آن زمان، کامپوزیت‌ها تنها در اجزای ثانویه سازه‌ها استفاده می‌شدند. اما با پیشرفت‌های علمی و توسعه فناوری مواد، به تدریج در ساختارهای اصلی همچون بال‌ها و بدنه‌ها نیز به کار گرفته شدند.

درصد استفاده از کامپوزیت‌ها در سازه‌های هواپیما به‌ مرور افزایش یافته است:

·         F15: تنها حدود ۲٪ از وزن سازه از کامپوزیت‌ها تشکیل شده بود.

·         F18: میزان استفاده به ۱۹٪ رسید.

·         F22: این مقدار به حدود ۲۴٪ افزایش یافته است.

در جنگنده اروپایی یوروفایتر، کاربرد کامپوزیت‌ها بسیار گسترده‌تر شده است. حدود ۷۵٪ از سطح بیرونی از پوسته‌های اپوکسی سخت شده با فیبر کربن ساخته شده است. 40% از وزن کل سازه این هواپیما را کامپوزیت‌های تقویت ‌شده با فیبر کربن تشکیل می‌دهند.

·         اجزایی نظیر موارد زیر همگی با استفاده از این مواد تولید می‌شوند:

o        پوست بال‌ها

o        فلاپرون‌ها

o        سکان عمودی

o        بدنه

یکی از جالب‌ترین نمونه‌ها، بمب ‌افکن رادارگریز B 2 است. به ‌دلیل نیاز به ویژگی پنهان‌کاری، استفاده از مواد جاذب رادار روی بدنه الزامی است، که باعث افزایش وزن هواپیما می‌شود. برای جبران این افزایش وزن، از مواد کامپوزیتی سبک اما مقاوم در ساختارهای اصلی استفاده شده است. در مهندسی هوافضا، برای طراحی و تحلیل دقیق قطعات کامپوزیتی از نرم ‌افزارهای پیشرفته استفاده می‌شود. نرم افزار آباکوس برای تحلیل لایه‌ای (Laminate Modeling) توصیه می‌شود. MATLAB برای مدل‌سازی و تحلیل داده‌های کامپوزیت‌ها و کتیا و سالیدورک برای طراحی هنسی قطعات کامپوزیتی. بنابراین شما می‌توانید با توجه به نیاز خود در دوره آباکوس، دوره متلب، دوره کتیا و دوره سالیدورک شرکت کنید. گروه آموزشی پارس پژوهان با در نظر داشتن کاربرد مواد کامپوزیتی اقدام به برگزاری دوره‌های عملی و کارگاهی و همچنین دوره‌های شبیه‌سازی‌های عددی و نرم افزاری برای کاهش گپ بین تئوری‌های دانشگاهی و نیاز صنعت قدم برداشته است. دوره کارگاه ساخت کامپوزیت و دوره شبیه سازی کامپوزیت در آباکوس از جمله مهم‌ترین این دوره‌ها است. البته که دوره‌های جامع دیگری شامل سرفصلی مخصوص به کامپوزیت‌ها در مجموعه ما توسط اساتید فعال در صنعت تدریس می‌گردد.

 نتیجه‌گیری

مواد کامپوزیتی به‌ عنوان یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌های مهندسی مواد، نقش حیاتی در تحول صنعت هوافضا ایفا کرده‌اند. ترکیب خواصی مانند وزن کم، استحکام بالا، مقاومت در برابر خوردگی و انعطاف در طراحی باعث شده است که این مواد جایگزین مناسبی برای فلزات سنتی در بسیاری از کاربردهای حساس باشند. استفاده فزاینده از کامپوزیت‌ها در سازه‌های اصلی هواپیماهای پیشرفته نظامی و غیرنظامی نشان ‌دهنده اعتماد روزافزون صنعت به عملکرد و مزایای این مواد است.

افزون بر این، توانایی شکل‌دهی پیچیده، کاهش تعداد قطعات و حذف اتصال ‌دهنده‌ها، علاوه‌ بر افزایش کارایی، موجب بهینه‌سازی وزن و صرفه‌جویی در هزینه و زمان تولید شده است، عواملی که در صنعت هوافضا اهمیت حیاتی دارند. در مجموع، تسلط بر دانش تئوری و مهارت عملی در حوزه کامپوزیت‌ها، نه ‌تنها یک مزیت رقابتی برای مهندسان محسوب می‌شود، بلکه زمینه‌ساز ورود مؤثر به صنایع پیشرفته‌ای چون هوافضا خواهد بود.

نویسنده: سایه صفاییان، کارشناسی مهندسی مواد