نگاهی به کاربرد کامپوزیت در صنایع مختلف
کامپوزیت‌ها در واقع موادی هستند که از ترکیب حداقل دو عنصر ایجاد می‌شوند که در این ترکیب، یکی از اجزا نقش زمینه و دیگری نقش تقویت‌کننده را بازی می‌کند. به عبارت دیگر کامپوزیت نوعی ماده مرکب است که اجزای تشکیل‌دهنده آن متغیر هستند. کامپوزیت‌ها در ترکیبات مختلفی تولید می‌شوند و استفاده و کاربرد زیادی هم در صنایع مختلف دارند.
با استناد بر تعریف فوق، می‌توان تاریخچه کامپوزیت را مربوط به ۱۵۰۰ سال قبل از میلاد مسیح دانست، زمانی که از کاه گل برای ساختن خانه‌ها و سازه‌های مختلف استفاده می‌کردند و بدن اجساد را مومیایی می‌کردند. مومیایی و کاه گل دو نوع از ابتدایی‌ترین کامپوزیت‌ها هستند. اما شروع شکل‌گیری کامپوزیت به شکل کنونی، به حدود صد سال پیش برمی‌گردد.
پس از اینکه اجزای تشکیل‌دهنده کامپوزیت‌های کنونی کم کم کشف شدند، کامپوزیت‌ها در سال‌های نه چندان دور به شکل کنونی تولید شد و در چندین نوع با ویژگی‌های متفاوت وارد صنعت شدند و هم‌اکنون توانستند که جای خود را در میان دیگر مواد صنعتی باز کنند. در این مقاله قصد داریم تا نگاهی به کاربرد کامپوزیت و انواع آن در صنایع گوناگونی بپردازیم و شما را با کارکرد مدل‌های مختلف کامپوزیت آشنا کنیم.
موارد استفاده کامپوزیت‌ها در صنعت ساختمان برای ساخت سقف کاذب، در و پنجره، پوشش بام خانه‌ها، لوازم سرویس بهداشتی مثل دوش، وان و سینک در رایج‌ترین نوع خود در نماکاری ساختمان است. اما کاربرد کامپوزیت در صنعت ساختمان به همین‌جا ختم نمی‌شود. کامپوزیت‌ها در ساخت برخی از سازه‌های ساختمانی مثل میلگرد، پروفیل، خرپاها و... هم نقش دارند.
کاربرد کامپوزیت در صنعت ساختمان
صنعت ساختمان روز به روز در حال پیشرفت و توسعه است. با گسترش تکنولوژی هم مواد طبیعی کم کم جای خود را باید به مواد مصنوعی بدهند. استفاده از مواد مصنوعی تا حدی قابل قبول است که به محیط زیست آسیبی وارد نکند و برای انسان راحتی را فراهم کند.
در صنعت ساختمان‌سازی قدیم، چوب را می‌توان اصلی‌ترین ماده مورد استفاده قلمداد کرد. پس از رشد این صنعت آهن و مواد فلزی که با آهن ساخته می‌شدند، جایگزین آن شدند و الان زمان جایگزین کردن مصالح مصنوعی مثل کامپوزیت، به جای استفاده از مصالح طبیعی است.
برای ساختمان‌سازان مهم است سازه‌ای که می‌خواهند بسازند، علاوه بر داشتن استحکام خوب و مقاومت کافی، از نظر اقتصادی هم مقرون‌به‌صرفه درآید. اگر نگاهی به قیمت ورق بیاندازید، متوجه خواهید شد که هزینه‌ها یکی از پارامترهای مهمی است که خصوصا در صنعت ساختمان‌سازی به آن توجه ویژه‌ای می‌شود.
اما دلیل انتخاب ساختمان‌سازان تنها هزینه کمتر کامپوزیت‌ها نیست و این مواد ویژگی‌های خاص دیگری هم دارند که افراد فعال در صنعت ساختمان را مجاب می‌کند که از آن استفاده کنند. در ادامه به برخی از ویژگی‌های کامپوزیت‌ها خواهیم پرداخت:
- با کمتر شدن منابع طبیعی و سوخت‌های فسیلی انسان‌ها مجبورند که از جایگزین‌های آن استفاده کنند تا آن منابع حفظ شوند و کامپوزیت می‌تواند بهترین جایگزین باشد.
- وزن کامپوزیت نسبت به سایر مصالح سبک‌تر است و همین ویژگی باعث کاهش هزینه‌ها و همچنین افزایش ایمنی ساختمان در برابر زلزله می‌شود.
- کامپوزیت‌ها به راحتی و با هزینه‌ی کمتری نسبت به سایر مصالح تعمیر می‌شوند.
- کامپوزیت‌ها در برابر رطوبت و خوردگی مقاومت بالایی دارند.
- مقاومت مکانیکی کامپوزیت‌ها هم بسیار بالاست و قابلیت جذب انواع ضربه و فشار را دارند و این در حالی است که وزن کمی هم دارد.
- کامپوزیت‌ها فرم‌دهی و انعطاف‌پذیری نسبتا بالایی دارند و به همین دلیل می‌توان آن‌ها را به اشکال مختلف درآورد و استفاده کرد.
موارد استفاده کامپوزیت‌ها در صنعت ساختمان برای ساخت سقف کاذب، در و پنجره، پوشش بام خانه‌ها، لوازم سرویس بهداشتی مثل دوش، وان و سینک در رایج‌ترین نوع خود در نماکاری ساختمان است. اما کاربرد کامپوزیت در صنعت ساختمان به همین‌جا ختم نمی‌شود. کامپوزیت‌ها در ساخت برخی از سازه‌های ساختمانی مثل میلگرد، پروفیل، خرپاها و... هم نقش دارند.
میلگردهای کامپوزیتی
میلگردهای ساخته شده از کامپوزیت، در دسته کامپوزیت‌های زمینه پلیمری قرار می‌گیرد. از این نوع میلگردها در صنعت ساختمان‌سازی به عنوان آرماتور استفاده می‌کنند و به دلیل اینکه در برابر خوردگی و همچنین گرما و سرما، مقاومت بالایی دارند، برای ساخت پل‌های بتنی از این میلگردها استفاده می‌شود.
به عنوان مثال زمانی که برای جلوگیری از یخ‌زدگی جاده‌ها داخل آن نمک می‌ریزند، شرایط خوردگی و پوسیدگی برای ستون‌های فلزی استفاده شده در پل‌ها فراهم می‌شود، اما با وجود میلگردهای کامپوزیتی، این اتفاق نخواهد افتاد و این نوع از میلگردها را می‌توان جایگزین مناسبی برای آرماتورهای فولادی در بتن دانست.
میلگردهای کامپوزیتی در صنعت ساختمان به سه نوع تقسیم می‌شوند:
- میلگردهای GFRP
- میلگردهای CFRP
- میلگردهای AFRP
هر کدام از این مدل‌ها خواص و مزایای مخصوص به خود را دارد، اما به طور کلی از آن‌ها در ساخت سازه‌های دریایی، سازه پارکینگ‌ها، عرشه پل و هر سازه‌ای که در برابر رطوبت حساس باشد، استفاده می‌شود؛ قیمت میلگرد کامپوزیتی براساس انواع آن می تواند در بازار متغیر باشد. FRP چی
تیرها و پانل‌های کامپوزیتی
از دیگر کاربردهای کامپوزیت، مشارکت در ساخت تیرها و پانل‌ها است. تیرها و پانل‌های کامپوزیتی در عین سبکی، از قدرت و استحکام خوبی هم برخوردارند. این نوع تیرها و پانل‌ها در جذب انرژی‌های داخلی ساختمان بسیار عالی عمل می‌کنند و به‌راحتی قابل جابه‌جایی و چرخش هستند. استفاده کامپوزیت در ساخت این مصالح اگر به صورت صحیح و استاندارد انجام شود، این امکان را فراهم می‌کند که به جای فولاد، بتن و چوب در بسیاری از پروژه‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
از دیگر مزایا و کاربردهای کامپوزیت مورد استفاده در تیرها و پانل‌ها، می‌توان به مقاومت در برابر باد، طوفان و نفوذ حشرات موذی به داخل ساختمان اشاره کرد.
خرپاهای کامپوزیتی
خرپاها، سازه‌هایی مثلث شکل هستند که برای تحمل نیروهای کششی و فشار زیاد استفاده می‌شوند. مواد به کار رفته در فرآیند ساخت خرپاها، تعیین‌کننده طول عمر آن است. با استفاده کامپوزیت در فرآیند ساخت و تولید خرپا، علاوه بر اینکه به سبک‌تر شدن وزن آن کمک می‌کند، طول عمر بالایی را هم برای خرپا ایجاد می‌کند.
ستون‌های کامپوزیتی
کامپوزیت استفاده شده در ستون‌ها، نوع دیگری از کاربرد کامپوزیت در صنعت ساختمان‌سازی است. کامپوزیت مورد استفاده در ستون‌ها، زمینه‌ی پلیمری دارد و به افزایش دوام و مقاومت آن‌ها در برابر خوردگی و پوسیدگی هم کمک می‌کند.
نمایی از انواع کامپوزیت
کاربردهای کامپوزیت زمینه فلزی (MMC)
کامپوزیت‌ها بعد از اینکه از دو عنصر متفاوت تشکیل شدند، عناصری که نقش زمینه را بازی می‌کنند، به سه دسته کلی تقسیم می‌شوند. کامپوزیت‌های زمینه پلیمری، کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی و کامپوزیت‌های زمینه فلزی. در این بخش بنا داریم تا چندین کاربرد کامپوزیت زمینه فلزی را مورد بررسی قرار دهیم و با آن بیشتر آشنا شویم.
کامپوزیت‌های زمینه فلزی یا به اختصار (MMC) در فرآیند ساخت، از یک قطعه فلزی مثل آلومینیوم به عنوان بستر خود استفاده می‌کنند و به وسیله الیاف سیلیکون تقویت می‌گردند. کامپوزیت‌های زمینه فلزی سالیان زیادی نیست که تولید شدند، اما در همین مدت زمان کم، توانستند به خوبی جای خود را در میان دیگر رقبای خود باز کنند.
کامپوزیت‌های زمینه فلزی در سه روش تولید و ساخته می‌شوند:
- روش مایع یا ریخته‌گرd
- روش متالوژی پودر
- روش آلیاژسازی مکانیکی
اما شاید برای شما سوال پیش آمده باشد که کامپوزیت با زمینه فلزی به غیر از زمینه متفاوت، در ویژگی‌های خود چه تفاوت‌هایی با سایر کامپوزیت‌ها دارد. برای یافتن پاسخ سوال خود کافی است که نگاهی به موارد زیر بیاندازید.
- کامپوزیت‌های زمینه فلزی نسبت به کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی از ظرفیت گرمایی پایین‌تر و از کامپوزیت‌های زمینه پلیمری از ظرفیت گرمایی بالاتری برخوردارند.
- تقویت‌کننده مورد استفاده در کامپوزیت زمینه فلزی، استحکام و مقاومت زمینه را بالا می‌برد اما تقویت‌کننده‌ی کامپوزیت زمینه سرامیکی باعث کاهش احتمال تاب برداشتن می‌شود.
- در کامپوزیت‌های فلزی، جنس زمینه یک فلز آلیاژی و خالص است، برعکس دو نوع دیگر که پلیمر یا سرامیک جنس زمینه را تشکیل می‌دهند.
کاربرد کامپوزیت زمینه فلزی
کامپوزیت‌های زمینه فلزی با توجه به مزایا و خصوصیاتی که دارند، برای استفاده در صنایع خودروسازی و هوافضا بسیار مناسب هستند و در هر کدام از این صنایع، برای ساخت قطعات مختلفی استفاده می‌شوند.
صنعت خودروسازی:
در صنعت خودروسازی، کامپوزیت‌های زمینه فلزی در ساخت قطعات مختلفی از جمله محورهای متحرک ماشین برای کاهش سروصدا و افزایش سرعت چرخش استفاده می‌شود. کامپوزیت‌های زمینه فلزی، به دلیل مقاومتی که در برابر حرارت دارند، برای ساخت قطعاتی که زیادی گرم می‌شوند هم انتخاب مناسبی هستند و حتی خودروسازان مطرح دنیا، به فکر استفاده کامپوزیت در ساخت قطعات موتور ماشین‌ها برای کاهش وزن و افزایش مقاومت در برابر سایش هستند.
صنعت هوافضا:
در ادامه بخشی را به صنعت هوافضا و کاربردهای کامپوزیت در آن اختصاص دادیم، اما بد نیست به صورت خلاصه و البته با نگاهی جزئی‌تر به کاربرد کامپوزیت زمینه فلزی در این صنعت بپردازیم.
درست مثل صنعت خودروسازی، صنعت هوافضا هم نیازمند قطعاتی است که وزن کمتری داشته باشند و در برابر گرما و البته فشار، مقاومت خوبی از خود نشان دهند. به همین خاطر از کامپوزیت در ساخت برخی از قطعات انواع هواپیما و فضاپیماها استفاده می‌شود. البته کامپوزیت‌ها در بخش دیگری از صنعت هم وجود دارند و آن هم تلسکوپ‌های فضایی است که برای ساخت برخی از قطعات آن از این ماده استفاده می‌کنند.
نمایی از تست خواص کامپوزیت
کاربرد کامپوزیت در پزشکی
کامپوزیت‌ها در پزشکی و خصوصا دندانپزشکی هم کاربرد دارند. کامپوزیت‌ها در دندانپزشکی باعث آسان شدن روش‌های درمانی شدند و همچنین در موارد زیبایی دندان هم استفاده می‌شوند. کامپوزیت دندان جایگزین روش‌های سنتی درمان دندان شده است و برای روکش دندان کاملا از کامپوزیت استفاده می‌کنند.
کامپوزیت‌ها در ترمیم‌های مختلف دندانپزشکی مثل ترمیم تاج‌های دندان، ترمیم پل‌های دندانی، جایگزین دندان از بین رفته (دندان مصنوعی)، روکش دندان و مواردی که برای زیبایی دندان مثل بهبود شکل ظاهری دندان‌ها استفاده می‌شوند. دلیل این استفاده گسترده از کامپوزیت، ویژگی‌های منحصربه‌فرد و مناسبی است که دارد. در ادامه به تعدادی از این موارد اشاره کردیم:
- استفاده از کامپوزیت، زمان آماده‌سازی را کاهش می‌دهد و چون به سوراخ‌کاری کمی نیاز دارد، می‌تواند باعث شود که درمان در یک جلسه تکمیل شود.
- استفاده از کامپوزیت نسبت به روش‌های سنتی که برای روکش انجام می‌گرفته است، ایمنی بیشتری دارد و سلامت دهان و دندان را با ضمانت بیشتری می‌تواند فراهم کند.
- کامپوزیت نسبت به سایر روش‌ها هزینه کمتری دارد و می‌تواند جایگزین مناسبی برای زمانی باشد که هزینه‌های درمان بیمار زیاد است.
- با استفاده از ماده کامپوزیت رنگ دندان را می‌توان اصلاح کرد، شکاف بین دندان‌ها را از بین برد و ترمیم‌های زیادی را انجام داد.
البته تمامی مواردی که گفته شد، تنها برای دندانپزشکی است که کاربرد کامپوزیت در آن پررنگ‌تر از سایر رشته‌های مرتبط با پزشکی است.
کاربرد کامپوزیت در صنایع هوافضا
صنعت هوافضا، یکی از صنایع مهم و حساس است که نیازمند محاسبات دقیق و برنامه‌ریزی شده است. در صنعت هوافضا، وزن اجسام از اهمیت بالایی برخوردارند. از سال 1987 کامپوزیت‌ها به شکل چشمگیری در این صنعت رشد کردند تا از آن برای کاهش وزن هواپیماها استفاده کنند. کامپوزیت‌ها معمولا در ساخت ستون‌های هواپیما و آنتن‌های آن استفاده می‌شود تا احتمال سقوط را کمتر کنند.
هواپیماهای مختلفی از جمله، هواپیماهای جنگی، هواپیماهای بدون سرنشین، هواپیماهای مسافربری و حتی شاتل‌های فضایی، از ماده کامپوزیت در داخل اجزای سازنده خود بهره‌مند هستند تا علاوه بر کاهش وزن، مقاومت آن‌ها را نیز افزایش دهد. در میان انواع کامپوزیت، کامپوزیت‌های زمینه فلزی که تقویت‌کننده آن الیاف کربن است، استفاده بیشتری در این صنعت دارند. اما نمی‌توان کاربرد دیگر انواع کامپوزیت را در این صنعت نادیده گرفت. در ادامه برخی از این کاربردها را مشاهده خواهید کرد:
- کامپوزیت زمینه فلزی که برپایه مس ایجاد شده است، برای ساخت محفظه احتراق، نازل (راکت وسایل فضایی) و مبدل‌های حرارتی استفاده می‌شود؛ به همین خاطر تغییر قیمت مس در بازار جهانی، می تواند نرخ کامپوزیت فلزی را دچار نوسان کند.
- کامپوزیتی که برپایه آهن ایجاد شده و در دسته زمینه فلزی قرار می‌گیرد، در ساخت تیوپ‌ها نقش دارد.
- کامپوزیت‌های زمینه فلزی که برپایه نیکل_تیتانیوم باشد، در ساخت تیغه و دیسک‌ها خود را نشان می‌دهند.
- زمینه آلومینیوم را می‌توان پرکاربردترین نوع کامپوزیت‌های زمینه فلزی دانست که در تولید محفظه‌ه، پمپ‌ها، وسایل اندازه‌گیری، مفصل‌های مکانیکی و ماهواره‌ها نقش دارد.
وجود کامپوزیت‌ها در صنعت هوافضا می‌تواند باعث بهبود عمکرد هواپیماها شود. کامپوزیت‌ها و به طور خاص کامپوزیت‌های با زمینه‌ی فلزی، با حضور خود می‌توانند مدول یا ضریب مخصوص بالاتر، استحکام بیشتر، عملکرد بهتر در درجه حرارت‌های بالا، ضریب انبساط حرارتی کمتر و مقاومت بیشتر در برابر سایش را فراهم کنند.
سخن پایانی
کامپوزیت‌ها در انواع مختلف خود، توانستند در صنایع مهمی وارد شوند و کارکردهای قابل توجهی را به همراه خود بیاورند. هرکدام از مدل‌های کامپوزیت، ویژگی‌های مناسبی دارند و به همین خاطر کاربرد کامپوزیت به بخش جدانشدنی از صنایع‌ای مثل ساختمان‌سازی و هوافضا تبدیل شده است.
کامپوزیت‌ها در حال گسترش و پیشرفت هستند و در آینده‌ای نه چندان دور امکان اینکه در صنایع دیگری هم مورد استفاده قرار بگیرند و کاربرد آن‌ها، بیش از چیزی که الان هست، شود هم خیلی دور از انتظار نیست.
کاربردهای کامپوزیت تنها به موارد گفته شده در این مطلب منتهی نمی‌شود و استفاده‌هایی بیش از چیزی که گفته شد، دارد. ما سعی کردیم که به کاربردهای عمومی این ماده مرکب در صنایع مهم بپردازیم و شما را تا حدودی با آن آشنا کنیم. امیدواریم که موضوعات گفته شده در این مقاله برای مورد استفاده شما قرار گرفته باشد و اگر کاربرد دیگری از کامپوزیت سراغ دارید که در این مطلب ذکر نشد، با ما در بخش نظرات به اشتراک بگذارید. منتظر نظرات و پیشنهادات شما هستیم.
