مواد کامپوزیت نقش مهمی در طول تاریخ بشر، از مسکن تمدن‌های اولیه گرفته تا نوآوری‌های آینده، کامپوزیت ها مزایای زیادی دارند مهمترین آنها مقاومت در برابر خوردگی، انعطاف پذیری، دوام، وزن سبک و استحکام بالا است. کامپوزیت ها در زندگی روزمره ما نفوذ کرده اند مانند محصولاتی که در ساخت و سازها، کاربردهای پزشکی، نفت و گاز، حمل و نقل، ورزش، هوافضا و بسیاری موارد دیگر مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از کاربردها، مانند موشک ها که احتمالاً بدون مواد کامپوزیتی از زمین خارج نمی شدند.
کامپوزیت ها در طبیعت وجود دارند. یک تکه چوب یک کامپوزیت با الیاف سلولزی بلند است که توسط ماده ای به نام لیگنین ( پلیمری عالی است که وظیفه اتصال الیاف چوب و سلول ها را دارد ) به هم چسبیده است. مواد کامپوزیتی از ترکیب دو یا چند ماده که خواص کاملاً متفاوتی دارند، تشکیل می‌شوند و در یکدیگر حل نمی‌شوند یا با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند. مواد مختلف در کامپوزیت با هم کار می کنند تا خواص منحصر به فردی به کامپوزیت بدهند. انسان ها هزاران سال است که از مواد کامپوزیت در مناطق مختلف استفاده می کنند. اولین استفاده از کامپوزیت ها به 1500 سال قبل از میلاد برمی گردد، زمانی که مصریان اولیه و مهاجران بین النهرینی از مخلوطی از گل و کاه برای ایجاد ساختمان های مستحکم و بادوام استفاده کردند. ترکیب گل و کاه در یک بلوک آجر خاصیت قوی در برابر فشار و پاره شدن یا خم شدن آن را فراهم می کند. در سال 1200 پس از میلاد، مغول ها اولین کمان کامپوزیت را با استفاده از ترکیبی از «چسب حیوانی»، استخوان و چوب اختراع کردند. کمان ها فشرده شده و با پوست درخت غان پیچیده شده بودند. این کمان ها قوی و دقیق بودند. کمان های ترکیبی مغولی به تضمین تسلط نظامی چنگیز خان کمک کرد. با توجه به مزایای آنها مانند وزن سبک و استحکام، بسیاری از بزرگترین پیشرفت ها در کامپوزیت ها نتیجه نیازهای زمان جنگ بود. در طول جنگ جهانی دوم، بسیاری از مواد کامپوزیتی توسعه یافتند و از آزمایشگاه به تولید واقعی منتقل شدند.
انقلاب کامپوزیت در صنعت:
توسعه و نیاز به مواد کامپوزیتی همچنین منجر به صنعت پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف (FRP) می‌شود. تا سال 1945، بیش از 7 میلیون پوند الیاف شیشه برای محصولات مختلف، عمدتاً برای کاربردهای نظامی استفاده شد. مواد کامپوزیت پس از جنگ به رشد خود ادامه دادند و تا دهه 1950 به سرعت رشد کردند. نوآوران کامپوزیت به طور بلندپروازانه ای در تلاش بودند تا کامپوزیت ها را به بازارهای دیگر مانند هوافضا، ساخت و ساز و حمل و نقل معرفی کنند. به زودی مزایای کامپوزیت های FRP به ویژه مقاومت در برابر خوردگی آن، برای بخش عمومی شناخته شد. قایق ها یکی از محصولات آشکاری بودند که سودمند بودند. اولین بدنه قایق تجاری کامپوزیتی در سال 1946 معرفی شد. بدنه کامل خودرو از کامپوزیت ساخته شد و در سال 1947 آزمایش شد. این امر منجر به توسعه شورولت کوروت 1953 شد. ظهور عصر خودرو باعث ایجاد چندین روش جدید برای قالب‌گیری مانند: قالب‌گیری فشرده‌سازی ترکیب قالب‌گیری حجیم (BMC) و ترکیب قالب‌گیری ورق (SMC) شد. این دو تکنیک به عنوان روش غالب قالب‌گیری برای صنعت خودرو و سایر صنایع پدیدار شدند. در اوایل دهه 1950، روش های ساخت مانند سیم پیچی رشته ای در مقیاس بزرگ،pultrusion (برای تولید قطعات پیوسته با سطح مقطع ثابت که به عنوان فرایند صنعتی به کار میرود) و قالب گیری کیسه خلاء توسعه یافت.
کاربرد های کامپوزیت:
در دهه 1960، بازار دریایی به بزرگترین مصرف کننده مواد کامپوزیت تبدیل شد. در سال 1961، اولین فیبر کربن به ثبت رسید و چندین سال بعد به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت. در دهه 1970 صنعت کامپوزیت شروع به رشد کرد. بسیاری از رزین های بهتر و الیاف تقویت کننده بهبود یافته در این دوره برای کاربردهای کامپوزیت ساخته شدند. در دهه 1970، بازار خودرو به عنوان بازار شماره یک از بازار دریایی پیشی گرفت، موقعیتی که امروزه حفظ کرده است. در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980، کامپوزیت ها برای اولین بار در کاربردهای زیرساختی در آسیا و اروپا مورد استفاده قرار گرفتند. اولین پل عابر پیاده تمام کامپوزیتی در آبرفلدی اسکاتلند در دهه 1990 نصب شد. در این دوره، اولین عرشه پل بتنی تقویت شده با FRP در مک کینلی ویل، ویرجینیای غربی ساخته شد و اولین عرشه پل خودرویی تمام کامپوزیت در راسل، کانزاس ساخته شد. نانومواد در الیاف و رزین های بهبود یافته مورد استفاده در کامپوزیت های جدید ترکیب می شوند. استفاده از فناوری نانو در محصولات تجاری در اوایل دهه 2000 آغاز شد. نانولوله های کربنی حجیم می توانند به عنوان تقویت کننده کامپوزیت در پلیمرها برای بهبود خواص مکانیکی، حرارتی و الکتریکی محصول حجیم استفاده شوند.
امروزه، صنعت کامپوزیت هنوز در حال تکامل است، و بیشتر رشد، در حال حاضر حول انرژی های تجدید پذیر متمرکز شده است. مهندسان می توانند کامپوزیت را بر اساس نیازهای عملکردی طراحی کنند، و با تراز کردن الیاف، ورق کامپوزیت را در یک جهت، بسیار قوی کنند، اما در جهت دیگری که قدرت چندان مهم نیست، ضعیف تر باشد. موازی با گسترش روز افزون کامپوزیت ها در صنعت، به تحقیقات و تولید مقالات علمی در این زمینه به شدت احساس نیاز شده است تا خوراک پیشرفت بیشتر و بهینه تر کامپوزیت ها را فراهم کنند. از این روی در گروه آموزشی پارس پژوهان با توجه به درخواست زیاد فعالان این حوزه دوره های تخصصی هم با رویکرد ساخت کامپوزیت ها(کلیک کنید) و هم با رویکرد شبیه سازی کامپوزیت ها(کلیک کنید) تدوین شده است.
آینده مواد کامپوزیتی:
همه‌گیری COVID-19 تغییر استفاده از مواد معمولی به کامپوزیت‌ها را تسریع کرده است و مهندسان و تولیدکنندگان را مجبور می‌کند که خارج از چارچوب فکر کنند. دنیای مواد کامپوزیتی دارای پتانسیل بی حد و حصری برای کاربردهای متنوعی است که فقط منتظر کشف شدن هستند. بخش‌هایی که عمدتاً از مواد معمولی مانند فلزات استفاده می‌کنند، به دنبال دستیابی به سود حاصل از استفاده از کامپوزیت‌ها هستند. همه گیر COVID-19 به دلیل افزایش قیمت فولاد و کاهش در دسترس بودن، این تغییر را تسریع کرده است. مهندسان و سازندگان مجبور شده اند خارج از جعبه فکر کنند و از مواد جایگزینی استفاده کنند که سختی و وزن مورد نیاز یکسان را در یک چارچوب فضایی معین به دست آورند. یکی از صنایعی که به سرعت در حال رشد است و می تواند از مزایای کامپوزیت ها استفاده کند، توسعه و ساخت موتورهای الکتریکی است. این موتورها از مواد سنگین تری مانند مس، آهنربا و باتری استفاده می کنند، بنابراین، عناصر ساختاری باید سبک و همچنین قوی باشند. کامپوزیت ها دقیقاً با این هدف مطابقت دارند و همچنین قابلیت انطباق با اشکال پیچیده را دارند و می توانند بخشی از ساختار یکپارچه را تشکیل دهند.
خودروهای تسلا نمونه خوبی از جایی هستند که در حال حاضر این اتفاق افتاده است، جایی که باتری های یکپارچه می توانند به طور بالقوه 10٪ کاهش وزن و افزایش برد 14٪ را ارائه دهند. صنعت خودروهای الکتریکی با این فناوری پیشرفت‌های زیادی می‌کند و سایرین نیز از آن پیروی می‌کنند. جایی که سازه های کامپوزیتی یکپارچه می توانند بزرگترین پیشرفت خود را ببینند هواپیماهای برقی وVTOL است.
شرکت‌هایی مانند ZeroAvia و Vertical aerospace به دنبال آن هستند که آنچه ممکن است انجام دهند. برنامه‌های بلندمدت آنها برای تجاری سازی هواپیماهای الکتریکی ممکن است به دنبال استفاده از مواد کامپوزیتی برای اهداف کاهش تعمیرات و افزایش برد کارا باشد. یک روش برای دستیابی با اتوماسیون خواهد بود. اکنون ماشین ها می توانند چندین قطعه را روی قالب ها چیده و آنها را برای محصول نهایی کنار هم قرار دهند.
آینده مواد کامپوزیت آینده بسیار امیدوار کننده ای است، زیرا بخش خودرو و هوافضا باعث پیشرفت های جدید می شود. با افزایش خودروهای الکتریکی در جاده ها و ظهور تاکسی های برقی شهری، همچنان شاهد استفاده گسترده تر از کامپوزیت ها برای سازه های پیشرفته خواهیم بود. این امکان کاهش قیمت را به همراه پالایش فرآیندها فراهم می‌کند و فناوری را قادر می‌سازد تا در صنایع دیگر فیلتر شود.
نویسنده: مهندس مصطفی عینعلی کارشناس دپارتمان مهندسی مواد گروه آموزشی پارس پژوهان
