کلمه کامپوزیت (composite) که آن را در فارسی به مواد مرکب یا مواد چند سازه‌ای ترجمه کرده‌اند، به معنی مرکب از دو یا چند جزء مشخص است و از کلمه ترکیب کردن (to compose) گرفته شده است. لذا یک ماده با دو یا چند جزء مشخص را می‌توان یک کامپوزیت در نظر گرفت، در صورتی که فازها و یا اجزای تشکیل‌دهنده آن، خواص کاملاً متفاوتی با یکدیگر داشته باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک، یک مخلوط فیزیکی از دو یا چند ماده مختلف را ـ که این مواد مشخصات فیزیکی و شیمیایی خود را حفظ کرده و مرز مشخصی را با یکدیگر تشکیل دهند ـ کامپوزیت گویند. یک کامپوزیت شامل یک یا چند فاز غیرپیوسته در یک فاز پیوسته است. فاز غیرپیوسته معمولاً سخت‌تر و قوی‌تر از فاز پیوسته است، لذا به آن فاز تقویت‌کننده گویند. تقویت‌کننده‌ها اشکال گوناگونی دارند و می‌توانند ذره‌ای، پولکی (flake)، لیفی و صفحه‌ای باشند (شکل ۱-۲). فاز پیوسته، زمینه (matrix) نامیده می‌شود . مدتاً در یک کامپوزیت، سه ناحیه متمایز شامل فاز پیوسته، فاز غیرپیوسته و فصل مشترک (interface) این دو فاز وجود دارد که تعیین‌کننده خواص و رفتار کامپوزیت می‌باشند
بسیاری از مواد طبیعی نیز کامپوزیت هستند. چوب یک کامپوزیت طبیعی است که در آن سلولز به‌صورت لیفی، در زمینه‌ی لیگنین قرار گرفته است. استخوان و یا دندان نمونه‌ای دیگر از یک کامپوزیت طبیعی است که در آن کریستال‌های معدنی سخت هیدروکسی آپاتیت (hydroxy apetite) و یا اوستئون (Osteons) در زمینه‌ی نرم کلاژن (Collagen) پخش شده‌اند
کامپوزیت‌ها را می‌توان از دیدگاه‌های مختلف طبقه‌بندی کرد. یکی از متداول‌ترین روش‌های طبقه‌بندی، بر اساس مکانیزم تقویت‌کنندگی است؛ زیرا هدف از ساخت بسیاری از کامپوزیت‌ها، بهبود خواص مکانیکی مانند استحکام، سفتی (مدول الاستیسیته)، چقرمگی (Toughness) و همچنین افزایش کارایی در دماهای بالا می‌باشد.
مکانیزم تقویت‌کنندگی تا حد زیادی به شکل هندسی (Geometry) تقویت‌کننده وابسته است. از این‌رو، طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها بر اساس شکل و هندسه تقویت‌کننده، روشی مناسب و کاربردی محسوب می‌شود. در این روش، تقویت‌کننده‌ها بر حسب شکل هندسی خود به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که این دسته‌بندی در شکل 1 ارائه شده است.
علاوه بر این، ماتریس کامپوزیت‌ها را می‌توان بر اساس نوع آنها نیز طبقه‌بندی نمود. بر این اساس، ماتریس یک کامپوزیت به سه گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
در میان این سه گروه، کامپوزیت‌های با زمینه پلیمری (PMC) بیشترین سهم مصرف را در صنایع مختلف به خود اختصاص داده‌اند. در این نوع کامپوزیت‌ها، هدف اصلی از افزودن تقویت‌کننده، افزایش خواص مکانیکی نظیر استحکام، سختی و مقاومت به ضربه است.
در کامپوزیت‌های با زمینه فلزی (MMC)، علاوه بر بهبود خواص مکانیکی، ارتقای ویژگی‌های فرآوری مانند ماشین‌کاری، مقاومت سایشی و عملکرد در دماهای بالا نیز مورد توجه قرار می‌گیرد. از سوی دیگر، در کامپوزیت‌های با زمینه سرامیکی (CMC)، هدف اصلی افزایش چقرمگی و کاهش تردی ذاتی سرامیک‌ها است. با این حال، فرآیند ساخت این دسته از کامپوزیت‌ها نسبت به دو گروه دیگر پیچیده‌تر و دشوارتر است. با توجه به نوع تقویت کننده کامپوزیت ها به 3 دسته ی کامپوزیت های لیفی ، ذره ای و نانوکامپوزیت ها تقسیم می شوند .
مهمترین کامپوزیت‌ها، کامپوزیت‌های لیفی هستند که فاز ناپیوسته آنها را الیاف تشکیل می‌دهند و این ناشی از آن است که توانایی دستیابی به استحکام بالا در آنها وجود دارد. این امر کاملا شناخته شده است که استحکام تجربی بسیاری از مواد، به مراتب کمتر از استحکام تئوری آنها است. عقیده بر آن است که این تفاوت در استحکام‌ها، ناشی از وجود ناخالصی‌ها یا نقص‌های (defect) ذاتی مواد است. هرگونه تلاش در جهت کاهش و یا حذف این نقص‌ها استحکام یک ماده را افزایش خواهد داد. نقص‌هایی که به صورت ترک (cracks) بوده و در جهت عمود بر جهت اعمال نیرو قرار گرفته باشند، استحکام را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهند. بنابراین مواد در حالت لیفی شکل در مقایسه با حالت توده‌ای (bulk) آنها، استحکام به مراتب بیشتری از خود نشان می‌دهند. این بدان جهت است که ترک‌ها و یا سایر نقایصی که ممکن است در توده مواد وجود داشته باشند، در حالت لیفی به جهت سطح مقطع کم آنها به حداقل رسیده‌اند. این ویژگی دلیل اصلی استفاده از مواد لیفی شکل در کامپوزیت‌هاست. در الیاف پلیمری، علاوه بر این امر، آرایش ساختار مولکولی، عامل افزایش استحکام و سختی آنها در حالت لیفی است. خواص تعدادی از الیاف و مواد رایج در جدول ۴-۱ داده شده است. این جدول به روشنی اهمیت الیاف را در دستیابی به استحکام بالا نشان می‌دهد. استحکام بالای الیاف شیشه به دلیل عاری از نقص بودن سطح مقطع آن است؛ در حالی که استحکام بالای الیاف کربن و آرامید ناشی از آرایش بهبود یافته اتم‌های آنها، به عبارتی ناشی از ساختار مولکولی آنها است. پرمصرف‌ترین الیاف تقویت‌کننده در صنعت کامپوزیت، الیاف شیشه نوع E می‌باشد که ناشی از خواص مکانیکی خوب همراه با قیمت نسبتا پایین آن است. الیاف کربن، آرامید و نیز مدول قابل توجهی دارند. در این میان الیاف کربن از تنوع زیادی برخوردار می‌باشند که این امر ناشی از توانایی کنترل ساختار آنها به هنگام تولید است.
الياف به دليل داشتن سطح مقطع كم، به طور مستقيم در كاربردهاى مهندسى مورد استفاده قرار نمى كيرند و آنها را در مواد ديكر قرار مى دهند تا كاميوزيت هاى ليفى، شكل كيرند. در واقع قسمت اعظم نيروى وارد شده به يك كاميوزيت توسط الياف تحمل مى شود وزمينه پليمرى ضمن حفاظت الياف از صدمات فيزيكى – شيميايى نيرو رابه الياف انتقال مى دهد. ضمناً زمينه مانند يك حسب، الياف راكنار هم نكَاه مى دارد و بسته به خواص آن مى تواند كَسترش ترك رانيز محدود سازد. در كامپوزيت هاى تقويت شده با الياف كوتاه، نقش زمينه در انتقال نيرو به الياف بسيار حساس تر از كاميوزيت هاى الياف بلنداست.
براساس نحوه مطالعه خواص تجربى و تورى كامپوزيت هاى ليفى، مى توان آنها را به دو دسته كلى كامپوزيت هاى تكلايه (single-layer) و كاميوزيت هاى حند لايه (multi-layer) یا کامپوزیت های زاویه دار تقسیم بندی نمود . کامپوزیت های تك لايه ممكن است از تعدادى لايه مشخص با آرايش و خواص يكسان تشكيل شوند، لذا چنين چند لايه اى (laminate) را مى توان يك كاميوزيت تك لايه در نظر كرفت.
كامپوزيت هاى قالبگيرى شده داراى الياف غيرپیوسته را اگرچه ممكن است آرايش صفحه اى الياف در جهت ضخامت بصورت يكنواخت نباشد – مى توان يك كاميوزيت تكلايه در نظر گرفت. بيشتر كاميوزيت هايى كه در كاربر دهاى ساختارى مورد استفاده قرار مى گيرند، كامپوزيت هاى چندلايه هستند. در اين كامپوزيت ها ارايش الياف در لايه هاى مختلف، متفاوت است. زمانى كه مواد تشكيل دهنده تمام لايهها يكسان باشد، به آن جندلايه اى (laminates) گويند. اگر مواد تشكيل دهنده لايه هاى مختلف متفاوت باشد، مثلاً در يك لايه الياف شيشه و در لايه ديكر الياف كربن استفاده شده باشد، به آن كاميوزيت مخلوط (Hybrid) كَويند.
دو ويژگى برجسته كاميوزيت هاى ليفى، استحكام ويژه (نسبت استحكام به وزن) بالا و كنترل خواص ناهمسانى (anisotropic) آنها يعنى تابعيت خواص به جهت اندازه گيرى است. استحكام ويژه بالاى اين نوع كامپوزيت ها سبب گرديده است كه بتوانند از اين نظر با بسيارى از مواد رقابت كنند. ويژگى ناهمسان بودن خواص اين امكان را فراهم كرده كه طراح بتواند در مكان هاى مورد نظر بدون افزايش وزن به خواص مطلوب دست يابد. اين ويژگى ها همراه با دوام، مقاومت محيطى عالى و مقاومت خوب در برابر نيروهاى خستگی سبب جلب توجه صنعتگران و گسترش روز افزون استفاده از کامپوزیت ها شده است .
كامپوزيت پودرى يا ذرهاى (particulate composite) به كامپوزيتى گفته مى شود كه تقويت كننده آن به صورت پودرى است. پودر به ماده اى اطلاق مى شود كه نسبت طول به قطر آن تقريباً باهم برابر است. به عبارت ديگر به جزئى گفته مى شود كه بُعد بزرگى ندارد. ابعاد تقويت كننده نقش مؤثرى بر خواص كامپوزيت دارد؛ يك تقويت كننده با طول بلند از رشد ترك عمود بر آن ممانعت مى كند، بنابراين الياف در بهبود مقاومت شكست يك زمينه بسيار مؤثر هستند. در كامپوزيت هاى پودرى خواص به جهت اندازه گيرى بستگى ندارد، اما در كامپوزيت هاى ليفى اين امر بسيار اهميت دارد. بطور كلى ذرات در بهبود مقاومت شكست (fracture resistance) نقشى ندارند اگرچه ذرات از نوع لاستيكى، مقاومت شكست زمينه هاى شكننده را با ايجاد ترك هاى ريز (crazing) و ممانعت از گسترش آنها بهبود مى بخشند. در زمينه هاى فلزى ذراتى نظير سراميكها، فلزات و پودرهاى معدنى اثر تقويت كنندگى دارند، اما مكانيسم تقويت كنندكى در اين كامپوزيتها متفاوت است. اين ذرات در تغيير شكل پلاستيك زمينه ممانعت ايجاد مى كنند زيرا در مقايسه با ماتریس ها، اساساً اين ذرات سخت تر هستند. پودرها در تحمل نيروى وارده بر كامپوزيت نيز مشاركت مى كنند اما سهم آنها در مقايسه با الياف به مراتب كمتر است. پودرها در افزايش سفتى يا مدول كامپوزيت بسيار مؤثراند اما عمدتاً توانايى افزايش استحكام راندارند. حتى وجود ذرات سخت دريك زمينه شكننده، به دليل ايجاد نقاط تمركز تنش (stress concentration)استحكام كامپوزيت را کاهش می دهند .
پركننده هاى پودرى به مقدار متنابهى براى بهبود بعضى از خواص زمينه، نظير هدايت الكتريكى و حرارتى، كارآيى بهتر در دماى بالا، كاهش اصطكاك، مقاومت در برابر اتش، افزايش مقاومت سايشى و بهبود قابليت ماشينكارى، افزايش سختى سطح وكاهش جمع شدكى (shrinkage) مورد استفاده قرار مى گيرند. در بسيارى از موارد پركننده هاى پودرى فقط به منظور كاهش قيمت استفاده مى شوند.
مواد پولكى جنبه هاى تقويت كنندگى جالبى دارند. آنها از نظر هندسى دو بعدى بوده و از اين رو استحكام يكسانى رادر جهت هاى مختلف ايجاد مى كنند. هنگامي كه مواد پولكى به صورت موازى قرار بگيرند مى توان آن ها را نسبت به الياف و يا ذرات كروى، بسيار متراكم تر نمود. ميكاى پولكى در كاربردهاى الكتريكى وعايق هاى حرارتى مورد استفاده قرار مى كيرد. آلومينيم پولكى در رنگها وپوششها استفاده مى شود. آن ها خود را به صورت موازى سطح آرايش داده و خواص استثنايى خوبى به پوشش مى دهند. لازم به تذكر است كه فرآيندهاى ساخت كامپوزيت هاى پولكى نسبتاً مشكل است.
در حالت معمول وقتى به پليمرها تقويت كنندة پودرى اضافه مى شود، برهمكنش زيادى بين تقويت كننده و پليمر وجود ندارد. اما اگر ذرات تقويت كننده كوچكتر شوند، اين برهم كنش بيشتر مى شود و در صورتى كه اندازه اين ذرات در حد اتم يا مولكول باشد، این خاصيت تقويت كنندگى به حداكثر ميزان ممكن مى رسد. به عنوان مثال نانو لوله هاى كربن استحكام كششى معادل1.7 TPa از خود نشان داده اند. اين موضوع در مورد تقويت كننده هاى معمولى مثل خاك رس، وقتى كه ابعادى در حد نانومتر پيدا مى كنند، نيز صادق است. به طور كلى، به تقويت كننده هايى كه يكى از ابعاد آنها در مقياس نانو باشد، تقويت كنده نانو (nano reinforcement) مى گويند. در صورت استفاده از اين تقويت كنندهها، كامپوزيت حاصل را نانو كامپوزيت مى نامند. مهم ترين ويژگى نانو كامپوزيتها، بهبود خواص در مقادير كم تقويت كننده است به طورى كه افزودن ٥٪ حجمى نانو ذره به پليمر، خواص فيزيكى – مكانيكى آنرا تا ٧٠٪ بهبود مى بخشد. متداول ترين تقويت كننده نانو، خاك رس مى باشد كه براى تقويت پلاستيك هاى گرمانرم از قبيل پلى اولفينها، نايلون ٦، پلى استايرن ونيز رزين هاى گرماسخت مانند يلى استر و ايوكسى به كار رفته است. تكنولوزى ساخت نانوكاميوزيتها، تكنولورى خاصى است، چون با كوچك تر شدن ذرات تقويت كننده، سطح آنها زياد شده و تمايلشان براى تجمع و به هم چسبيدن از تمايل به پخش يكنواخت درون يك زمينة پليمرى افزايش مى يابد.
در طراحی و ساخت کامپوزیت‌ها، مجموعه‌ای از خواص مکانیکی و فیزیکی مورد توجه قرار می‌گیرد تا ماده نهایی بتواند نیازهای کاربرد مورد نظر را برآورده سازد. مهمترین این خواص عبارت‌اند از:
علاوه بر خواص مکانیکی، برخی ویژگی‌های حرارتی نظیر ضریب هدایت حرارتی و ضریب انبساط نیز نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد کامپوزیت‌ها دارند . از آنجا که کامپوزیت‌ها هم در فرآیند ساخت و هم در شرایط بهره‌برداری ممکن است تحت بارهای مکانیکی، تنش‌های حرارتی و شرایط محیطی مختلف قرار گیرند، انتخاب صحیح نوع زمینه، تقویت‌کننده و نحوه آرایش آنها نقش بسیار مهمی در دستیابی به خواص مطلوب و عملکرد مناسب کامپوزیت خواهد داشت.
مقدمه رزین اپوکسی یکی از پرکاربردترین مواد در صنعت سنگ ساختمانی، به ویژه برای تقویت و افزایش...
