مواد کامپوزیتی چیست؟
مواد کامپوزیتی (که به عنوان مواد ترکیبی یا به عبارت ساده‌تر کامپوزیت نیز گفته می‌شوند) موادی هستند که از ترکیب دو یا چند ماده با ویژگی‌های مختلف برای تولید ماده نهایی با خصوصیات منحصر به فرد تشکیل شده‌اند. این مواد با هم ترکیب یا حل نمی‌شوند، بلکه در ساختار کامپوزیت نهایی، متمایز باقی می‌مانند. مواد کامپوزیتی به دلیل خواصی که از ترکیب اجزای مختلف آن‌ها به دست می‌آید می‌توانند قوی‌تر، سبک‌تر و با دوام‌تر از مواد مرسوم باشند.
بیشتر کامپوزیت‌ها از دو ماده ساخته شده‌اند که در آن ماتریس (یا پیونددهنده) خوشه‌ای از الیاف یا قطعات یک ماده قوی‌تر (تقویت‌کننده) را احاطه کرده‌است. نمونه متداول این ساختار، فایبرگلاس است که در دهه ۱۹۴۰ به عنوان اولین کامپوزیت نوین ساخته شد و هنوز هم مورد استفاده گسترده قرار می‌گیرد. در فایبرگلاس، الیاف نازک شیشه‌ای که در انواع مختلف پارچه بافته می‌شود، در ماتریس پلاستیک یا رزین به عنوان تقویت‌کننده عمل می‌کند.
در حالی که مواد کامپوزیتی مفهوم جدیدی نیستند (برای مثال، آجرهای خشتی، ساخته‌شده از گِل خشک‌شده همراه با قطعات کاه حدود هزاران سال است که وجود دارد)، فناوری‌های اخیر بسیاری از کامپوزیت‌های جدید و هیجان‌انگیز را به وجود آورده‌اند. با انتخاب دقیق ماتریس و تقویت‌کننده (و همچنین بهترین فرآیند تولید برای گرد هم آوردن آن‌ها)، می‌توان موادی فوق‌العاده، با خصوصیاتی متناسب با نیازهای خاص ایجاد کرد. مواد کامپوزیتی معمول شامل مصالح ساختمانی کامپوزیتی مانند سیمان و بتون، کامپوزیت‌های فلزی مختلف، کامپوزیت‌های پلاستیکی و سرامیکی است.
مواد کامپوزیتی چگونه ساخته می‌شوند؟
سه عامل اصلی که به شکل دادن به کامپوزیت نهایی کمک می‌کنند عبارتند از ماتریس، تقویت‌کننده و فرآیند تولید. به عنوان ماتریس، بسیاری از کامپوزیت‌ها از رزین‌هایی استفاده می‌کنند، که پلاستیک‌های گرماسخت یا گرمانرم هستند (بنابراین اغلب به آن‌ها نام "پلاستیک‌های تقویت‌شده" داده می‌شود). این پلیمرها هستند که تقویت‌کننده را در کنار هم نگه می‌دارند و به تعیین خواص فیزیکی کامپوزیت نهایی کمک می‌کنند.
پلاستیک‌های گرماسخت در آغاز به صورت مایع هستند، اما با حرارت، سخت می‌شوند. آن‌ها به حالت مایع باز نمی‌گردند و به همین دلیل حتی در مواجهه با مواد شیمیایی و سایش دوام بالایی دارند. پلاستیک‌های گرمانرم در دماهای پایین سخت هستند و با حرارت نرم می‌شوند. آن‌ها معمولا کم‌تر مورد استفاده قرار می‌گیرند اما از مزایای جالبی مانند ماندگاری طولانی مواد اولیه و ظرفیت بازیافت برخوردارند. مواد ماتریسی دیگری مانند سرامیک، کربن و فلزات هستند که برای اهداف خاص به کار می‌روند.
مواد تقویت‌کننده با توجه به زمان و فناوری متنوع‌تر شده‌اند، اما هنوز هم متداول‌ترین آن‌ها، الیاف شیشه‌ای است. کامپوزیت‌های پیشرفته تمایل دارند از الیاف کربن به عنوان تقویت‌کننده استفاده کنند، که بسیار قوی‌تر از الیاف شیشه‌ای، اما گران‌تر هستند. کامپوزیت‌های الیاف کربنی قوی و سبک هستند و در سازه‌های هواپیما و تجهیزات ورزشی (چوب‌های گلف و راکت‌های مختلف) به کار می‌روند. آن‌ها همچنین به طور فزاینده‌ای برای جایگزینی فلزات جایگزین استخوان‌های انسان استفاده می‌شوند. برخی از پلیمرها، مواد تقویت‌کننده خوبی می‌سازند و به ساختن کامپوزیت‌های قوی و سبک کمک می‌کنند.
فرآیند ساخت معمولا شامل قالب‌گیری است که در آن، ابتدا تقویت‌کننده قرار داده می‌شود و سپس ماتریس نیمه مایع اسپری یا ریخته می‌شود تا کامپوزیت را تشکیل دهد. فرآیندهای قالب‌سازی اغلب به طور سنتی با دست انجام می‌شود، اگرچه پردازش دستگاهی در حال رایج‌تر شدن است. یکی از روش‌های جدید، پالتروژن (pultrusion) نامیده می‌شود و برای تولید قطعات پیوسته با سطح مقطع ثابت، مانند انواع مختلف میله‌ها، ایده‌آل است. محصولاتی که دارای شکل نازک یا پیچیده هستند (مانند پانل‌های منحنی) با استفاده از ورق‌های تقویت‌کننده الیاف بافته‌شده اشباع‌شده با مواد ماتریس، بر روی قالب ساخته می‌شوند. کامپوزیت‌های پیشرفته (مانند مواردی که در هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرد) معمولا از لانه زنبوری پلاستیکی که بین دو ورقه کامپوزیت تقویت شده با الیاف کربن نگهداری می‌شود ساخته می‌شوند که منجر به استحکام بالا، وزن کم و سفتی خمش می‌شود.
کجا می توان کامپوزیت‌ها را یافت؟
مواد کامپوزیتی دارای مزایای بارز بسیاری هستند، چرا که می‌توان آن‌ها را با توجه به نیازهای خاص، سبک، قوی، مقاوم در برابر خوردگی و حرارت، انعطاف‌پذیر و شفاف نمود. این کامپوزیت‌ها تاکنون در بسیاری از صنایع مانند قایقرانی، هوافضا، تجهیزات ورزشی (چوب گلف، راکت تنیس، تخته موج سواری، چوب هاکی و ...) قطعات خودرو، پره‌های توربین بادی، جلیقه محافظ، مصالح ساختمان، پل‌ها، تجهیزات پزشکی و غیره مورد استفاده قرار گرفته‌اند. مزیت‌ها و پتانسیل مواد کامپوزیتی، تحقیقات کافی در این زمینه را تضمین می‌کند که امید است تحولات آتی و پیاده‌سازی در بازارهای دیگر را به ارمغان آورد.
هوانوردی مدرن نمونه خاصی از صنعت با نیازها و الزامات پیچیده است که از مزایای استفاده از مواد کامپوزیتی بسیار سود برده است. این صنعت نیاز به موادی سبک و محکم دارد که در برابر گرما و خوردگی نیز مقاوم باشند. بنابراین جای تعجب نیست که قسمت‌های بال، دم و همچنین پروانه و تیغه‌های روتور و بخش اعظمی از ساختار داخلی بسیاری از هواپیماها (aircraft) از کامپوزیت ساخته شده‌است.
گرافن چیست؟
گرافن یک ماتریس دو بعدی از اتم‌های کربن است که در یک شبکه لانه زنبوری چیده شده‌است. یک ورق یک متر مربعی گرافن تنها 0077/0 گرم وزن دارد، اما می‌تواند تا ۴ کیلوگرم را تحمل کند. این بدان معنی است که نازک و سبک، اما فوق‌العاده مستحکم است. این ماده همچنین دارای مساحت سطح بزرگ، هدایت حرارتی و الکتریکی عالی و انواع ویژگی‌های باور نکردنی دیگر است. احتمالا به همین دلیل است که دانشمندان و محققان آن را یک "ماده معجزه آسا" می‌نامند و پیش‌بینی می‌کنند تقریباً هر صنعتی که برای انسان شناخته شده است را متحول خواهد کرد.
گرافن و مواد کامپوزیتی
همانطور که گفته شد، گرافن دارای تعداد بیشماری خصوصیات بی‌نظیر است که هر کدام از آن‌ها به طور بالقوه می‌توانند برای ساخت کامپوزیت‌های خارق‌العاده مورد استفاده قرار گیرند. وجود گرافن می‌تواند هدایت و استحکام مواد توده (bulk) را افزایش دهد و به ایجاد کامپوزیت‌هایی با خصوصیات برتر کمک کند. همچنین می‌توان گرافن را به فلزات، پلیمر و سرامیک اضافه کرد تا کامپوزیت‌هایی ایجاد شود که رسانا بوده و در برابر گرما و فشار مقاوم باشد.
کامپوزیت‌های گرافن کاربردهای بالقوه بسیاری دارند که تحقیقات زیادی در مورد ایجاد مواد منحصر به فرد و خلاقانه آن انجام می‌شود. این کاربردها بی‌‌نهایت به نظر می‌رسند، چرا که به طور مثال کامپوزیت گرافن-پلیمر سبک و انعطاف‌پذیر است و رسانایی الکتریکی بسیار خوبی دارد، در حالی که کامپوزیت دیگری از آن مثل دی‌اکسید-گرافن، کارآیی فوتوکاتالیستی شگفت‌انگیزی نشان می‌دهد، امید است روزی با کوپلینگ مواد دیگر بتوان انواع کامپوزیت‌ها را ساخت. پتانسیل کامپوزیت گرافن شامل ایمپلنت‌های پزشکی، مواد مهندسی برای صنعت هوافضا و انرژی‌های تجدیدپذیر و بسیاری موارد دیگر است.
