همه چیز درباره کامپوزیت‌ها: از پیدایش تا کاربرد در زندگی روزانه 

مواد کامپوزیتی، که از ترکیب دو یا چند ماده با خواص متمایز شکل می‌گیرند، نقشی بنیادین در پیشرفت‌های تاریخ بشر ایفا کرده‌اند. این مواد با برخورداری از مزایای کلیدی همچون مقاومت عالی در برابر خوردگی، انعطاف‌پذیری، دوام بالا، وزن سبک و استحکام فوق‌العاده، امروزه به طور گسترده در صنایع متنوعی از جمله ساخت‌وساز، کاربردهای پزشکی، حوزه نفت و گاز، صنعت حمل‌ونقل، تجهیزات ورزشی، هوافضا و حتی در فناوری‌های پیشرفته مانند ساخت موشک‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

ریشه‌های استفاده از کامپوزیت‌ها به هزاران سال پیش بازمی‌گردد؛ به طوری که مصریان باستان و مهاجران بین‌النهرینی در حدود 1500 سال قبل از میلاد، با ترکیب گل و کاه، آجرکامپوزیتی مستحکم و با دوامی تولید می‌کردند. این ترکیب، خاصیت مقاومت فشاری و خمشی قابل توجهی به آجرها می‌بخشید. بعدها، در قرن دوازدهم میلادی، مغول‌ها با نوآوری در ساخت کمان‌های کامپوزیتی متشکل از چسب حیوانی، استخوان و چوب، قدرت نظامی خود را افزایش دادند. این کمان‌ها که با پوست درخت غان پیچیده می‌شدند، استحکام و دقت بالایی داشتند.

بسیاری از پیشرفت‌های چشمگیر در حوزه کامپوزیت‌ها، به ویژه در دوران جنگ‌های جهانی، نتیجه نیازهای مبرم آن دوران بود. در طول جنگ جهانی دوم، مواد کامپوزیتی بسیاری توسعه یافتند و از مرحله آزمایشگاهی به تولید انبوه منتقل شدند. امروزه، مواد کامپوزیتی در تار و پود زندگی ما نفوذ کرده‌اند و به عنوان راه‌حل‌های نوآورانه، مسیر پیشرفت‌های آینده را هموار می‌سازند.

تاریخچه کامپوزیت در صنعت

توسعه و نیاز به مواد کامپوزیتی، صنعت پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف (FRP) را نیز گسترش داد. تا سال 1945، بیش از 7 میلیون پوند الیاف شیشه برای تولید محصولات گوناگون، به‌ویژه در کاربردهای نظامی، مورد استفاده قرار گرفت. مواد کامپوزیتی پس از جنگ به رشد خود ادامه دادند و در دهه 1950 به سرعت توسعه یافتند. نوآوران این عرصه، با هدف معرفی کامپوزیت‌ها به بازارهای دیگر نظیر هوافضا، ساخت‌وساز و حمل‌ونقل، تلاش‌های گسترده‌ای را آغاز کردند. دیری نپایید که مزایای کامپوزیت‌های FRP، به‌ویژه مقاومت در برابر خوردگی، برای بخش عمومی نیز آشکار شد. قایق‌ها از جمله محصولاتی بودند که به‌طور ویژه از این ویژگی بهره‌مند شدند. نخستین بدنه قایق تجاری کامپوزیتی در سال 1946 معرفی شد و در سال 1947، یک بدنه کامل خودرو از جنس کامپوزیت مورد آزمایش قرار گرفت. این دستاوردها، زمینه را برای توسعه شورولت کوروت در سال 1953 فراهم کرد. ظهور صنعت خودرو، روش‌های جدیدی برای قالب‌گیری، مانند قالب‌گیری فشاری ترکیب قالب‌گیری حجیم (BMC) و ترکیب قالب‌گیری ورق (SMC) را به وجود آورد. این دو تکنیک به عنوان روش‌های غالب قالب‌گیری در صنعت خودرو و سایر صنایع، جایگاه خود را تثبیت کردند. در اوایل دهه 1950، روش‌های ساخت دیگری نظیر سیم‌پیچی رشته‌ای در مقیاس بزرگ، پالتروژن (برای تولید قطعات پیوسته با سطح مقطع ثابت، که به عنوان یک فرایند صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد) و قالب‌گیری کیسه خلاء توسعه یافتند.

کاربردهای کامپوزیت  

مواد کامپوزیتی از دهه 1960 به طور فزاینده‌ای در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در دهه ۱۹۶۰، بازار دریایی به بزرگ‌ترین مصرف‌کننده مواد کامپوزیتی تبدیل شد و فیبر کربن به عنوان یک ماده انقلابی به ثبت رسید. دهه ۱۹۷۰ شاهد رشد چشمگیر این صنعت و توسعه رزین‌ها و الیاف تقویت‌کننده پیشرفته بود. از اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل دهه ۱۹۸۰، کامپوزیت‌ها به تدریج وارد کاربردهای زیرساختی در آسیا و اروپا شدند و نویدبخش تحولی بزرگ بودند.

بازارکار و درآمد

با توجه به پیشرفت‌های روزافزون در صنایع مختلف، از جمله هوافضا، خودروسازی، ساخت و ساز و انرژی‌های تجدیدپذیر، تقاضا برای متخصصان در این زمینه به طور پیوسته در حال افزایش است. با مطالعه مقاله مهندسی مواد چیست؟ نیز می‌توانید درباره بازارکار کلی مهندسی مواد اطلاعات کسب کنید. مهندسان مواد، متخصصان طراحی و تحلیل کامپوزیت، تکنسین‌های تولید و فرآوری و محققان در زمینه‌های مختلف مرتبط با کامپوزیت‌ها، فرصت‌های شغلی متنوعی در اختیار دارند. شرکت‌های تولیدکننده مواد کامپوزیتی، شرکت‌های مهندسی و طراحی، مراکز تحقیقاتی و دانشگاه‌ها، از جمله کارفرمایان اصلی در این حوزه هستند.

درآمد در این حوزه بسته به سطح تحصیلات، تجربه کاری، مهارت‌ها و موقعیت شغلی، متغیر است. به طور کلی، مهندسان و متخصصان با تجربه در زمینه‌های تخصصی مانند طراحی و تحلیل سازه‌های کامپوزیتی، می‌توانند درآمدهای بالایی کسب کنند. همچنین، با توجه به رشد روزافزون صنایع مرتبط، فرصت‌های کارآفرینی و ایجاد کسب و کارهای نوپا در زمینه تولید و فرآوری مواد کامپوزیتی نیز وجود دارد. با توجه به اهمیت روزافزون مواد کامپوزیتی در صنایع مختلف و نیاز به متخصصان ماهر در این زمینه، می‌توان انتظار داشت که بازار کار و درآمد در این حوزه در سال‌های آینده نیز به رشد خود ادامه دهد.

آینده مواد کامپوزیتی

شیوع همه‌گیری COVID-19، گذار از مواد معمول به کامپوزیت‌ها را تسریع کرد و مهندسان و تولیدکنندگان را به تفکر نوآورانه واداشت. دنیای مواد کامپوزیتی، پتانسیل گسترده‌ای برای کاربردهای متنوع دارد که نیازمند اکتشاف هستند. صنایعی که عمدتاً به مواد سنتی مانند فلزات متکی بودند، اکنون به دنبال بهره‌مندی از مزایای کامپوزیت‌ها هستند. همه‌گیری COVID-19، با افزایش قیمت فولاد و کاهش دسترسی به آن، این تغییر رویکرد را سرعت بخشید. مهندسان و سازندگان ناگزیر به یافتن مواد جایگزینی شدند که ضمن حفظ استحکام و وزن مورد نیاز در یک فضای معین، مقرون به صرفه باشند. یکی از صنایع رو به رشدی که می‌تواند از مزایای کامپوزیت‌ها بهره‌مند شود، توسعه و ساخت موتورهای الکتریکی است. این موتورها از مواد سنگین‌تری مانند مس، آهنربا و باتری استفاده می‌کنند؛ بنابراین، عناصر ساختاری باید سبک و در عین حال مستحکم باشند. کامپوزیت‌ها دقیقاً این نیازها را برآورده می‌کنند و قابلیت انطباق با اشکال پیچیده را نیز دارند و می‌توانند بخشی از ساختار یکپارچه را تشکیل دهند. به همین منظور برای تسلط بیشتر بر این حوزه می‌توانید در دوره تئوری و عملی ساخت کامپوزیت شرکت کنید.

خودروهای تسلا نمونه بارزی از این کاربرد هستند؛ به طوری که باتری‌های یکپارچه می‌توانند به طور بالقوه تا 10٪ کاهش وزن و 14٪ افزایش برد را به همراه داشته باشند. صنعت خودروهای الکتریکی با این فناوری پیشرفت چشمگیری داشته و سایرین نیز در حال پیروی از این روند هستند. هواپیماهای برقی و VTOL ها می‌توانند عرصه دیگری برای پیشرفت‌های چشمگیر سازه‌های کامپوزیتی یکپارچه باشند.

شرکت‌هایی مانند ZeroAvia و Vertical Aerospace در تلاش برای تحقق این پتانسیل هستند. برنامه‌های بلندمدت آن‌ها برای تجاری‌سازی هواپیماهای الکتریکی، احتمالاً شامل استفاده از مواد کامپوزیتی برای کاهش تعمیرات و افزایش بهره‌وری برد خواهد بود. اتوماسیون می‌تواند راهی برای دستیابی به این اهداف باشد؛ به طوری که ماشین‌ها قادرند قطعات مختلف را روی قالب‌ها چیده و آن‌ها را برای تولید محصول نهایی مونتاژ کنند. آینده مواد کامپوزیتی بسیار روشن به نظر می‌رسد، زیرا بخش‌های خودرو و هوافضا محرک پیشرفت‌های جدید هستند. با افزایش تعداد خودروهای الکتریکی و ظهور تاکسی‌های برقی شهری، شاهد استفاده گسترده‌تر از کامپوزیت‌ها در سازه‌های پیشرفته خواهیم بود. این امر امکان کاهش قیمت و بهبود فرآیندها را فراهم کرده و فناوری را قادر می‌سازد تا در صنایع دیگر نیز نفوذ کند. کسب مهارت در نرم افزارهای مرتبط با مواد کامپوزیتی به شما در پیش قدم شدن در این مسیر کمک می‌کند. برای شبیه‌سازی و طراحی این سازه‌ها می‌توانید در دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان از جمله دوره شبیه‌سازی کامپوزیت‌ها در آباکوس (ABAQUS) پیشنهاد می‌شوند که اگر به نرم افزار آباکوس تسلط ندارید می‌توانید ابتدا در دوره آباکوس مقدماتی (ABAQUS) شرکت فرمایید. 

جمع‌بندی

مواد کامپوزیتی با تاریخچه‌ای غنی، امروزه انقلابی در صنایع مختلف ایجاد کرده‌اند. مقاومت، سبکی و انعطاف‌پذیری، کامپوزیت‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای ساخت‌ و ساز، پزشکی، هوافضا و خودروسازی تبدیل کرده است. از سال 1945 با توسعه پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف (FRP)، کامپوزیت‌ها در صنایع گوناگون جای خود را باز کردند. ظهور فناوری‌های نوین مانند نانو و نانولوله‌های کربنی، خواص آن‌ها را بهبود بخشیده و کاربردهای جدیدی ایجاد کرده است. افزایش قیمت فولاد و نیاز به مواد سبک‌تر، به‌ویژه در خودروسازی الکتریکی برای کاهش وزن و افزایش برد خودرو، استفاده از کامپوزیت‌ها را تسریع کرده است. با کسب مهارت و ارتقا دانش در این حوزه می‌توانید از پیشگامان این عرصه باشید.

 نویسنده: مصطفی عینعلی کارشناسی مهندسی مواد. فاطمه برزگرپور، کارشناسی مهندسی پزشکی.