to compose یعنی ترکیب کردن و بنابراین کامپوزیت (composite) یعنی مرکب. مرکب هم که می‌دانیم، یعنی چیزی که از ترکیب چند چیز مختلف به دست آمده است. مواد کامپوزیتی به موادی گفته می‌شوند که از ترکیب چند نوع ماده به وجود آمده‌اند. وقتی می‌گوییم از ترکیب چند ماده، منظور این است که هرکدام از این مواد ترکیب‌شده، قابلیت استفاده به صورت یک مادة مستقل را دارند.
1-1- اولین کامپوزیت کِی ساخته شد؟
کسی نمی‌داند اولین کامپوزیت کِی ساخته شد. شاید اولین کامپوزیتی که بشر با آن سروکار پیدا کرد، کاه‌گِل باشد. قدیم‌ها برای ساختن خانه از گل استفاده می‌کردند، اما چون گل بعد از خشک شدن ترک می‌خورد (وقتی آبِ گل تبخیر می‌شود، حجم آن کاهش پیدا می‌کند و چون گل خشک نمی‌تواند خودش را جمع کند ترک می‌خورد)، مقداری کاه به آن افزودند تا حفره‌ها را پُر کند و مانع از ترک خوردن گل شود. شاید هم اولین کامپوزیت را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن چوب باد نکند. اما در هر حال، می‌شود گفت که مواد کامپوزیتی در سال‌های اخیر است، که به عنوان یک مادة مهندسی پذیرفته شده‌اند.
2-1- چرا از کامپوزیت‌ها استفاده می‌کنیم؟
قبل از این گفتیم که گل به‌تنهایی و پس از خشک شدن ترک می‌خورد. کاه با خواص ارتجاعی خود این نقص گل را بر طرف می‌کند، بنابراین، مقداری از آن را به گل می‌افزایند. اصلاً علت استفاده از کامپوزیت همین خواص است. یعنی ما برای اینکه خواص بدِ یک ماده را بر طرف کنیم، مادة دیگری را که مکمل خواص مادة اولیه است، به آن می‌افزاییم.
3-1- ترکیب کردن یعنی چه؟
انواع ترکیب‌ها عبارتند از: شیمیایی، مکانیکی و فیزیکی.
وقتی دو ماده با هم ترکیب شیمیایی می‌دهند که بین آن دو یک پیوند شیمیایی مثل کووالانسی، یونی، واندروالسی و... برقرار شده باشد. به موادی که این‌گونه با هم ترکیب می‌شوند، محلول می‌گویند. بارزترین و ملموس‌ترین مثال برای محلول‌ها آلیاژها هستند.
اما وقتی دو ماده با اعمال نیرو کنار هم قرار می‌گیرند، به صورت مکانیکی با هم ترکیب شده‌اند و واضح است با برداشتن این نیرو، این ترکیب از بین می‌رود.
اما ترکیب در کامپوزیت‌ها جزء هیچ‌کدام از این دو حالت نیست، بلکه ترکیبی از نوع فیزیکی است. مثال مناسب برای این نوع ترکیب، ساندویچ است. وقتی یک یا چند ماده با مادة دیگری محاصره شود، به طوری که نتواند از محاصرة آن فرار کند، یک ترکیب فیزیکی به وجود می‌آید. برای درک بهتر این نوع ترکیب، کسی را تصور کنید که در یک باتلاق گیر افتاده است.
4-1- اجزای یک کامپوزیت
گفتیم که کامپوزیت عبارت است از ترکیب فیزیکی دو ماده با خواص متفاوت. بنابراین، کامپوزیت‌ها از دو قسمت تشکیل شده‌اند: قسمت زمینه (مادة اول که در یک سری از خواص نقص دارد) و قسمت تقویت‌کننده (مادة دومی که به مادة اول اضافه می‌شود تا دسته‌ای از خواص آن را بهبود بخشد) (شکل 2).
شکل 1. الف) کامپوزیت لایه‌ای ب) کامپوزیت رشته‌ای ج) کامپوزیت ذره‌ای
5-1- زمینه چیست؟
زمینه یک ماده مرکب، ماده‌ای است پیوسته که ماده دوم را در برگرفته است. این ماده در کاه‌گِل، گِل و در مثال باتلاق و آدم، محیط باتلاق است که پیوسته است و آدم را در برگرفته است. دومین ملاک برای تعیین زمینه این است که مقدار ماده‌ای که به عنوان زمینه استفاده می‌شود بیشتر از قسمت تقویت‌کننده است.
6-1- وظیفه زمینه چیست؟
اولین وظیفه زمینه، احاطة مادهتقویت‌کننده است، به طوری که نگذارد ماده تقویت‌کننده پراکنده شود؛ وظیفه دوم، محافظت از ماده تقویت‌کننده در برابر عوامل شیمیایی است؛ و وظیفه سوم این است که چون مواد زمینه را نرم انتخاب می‌کنند، وقتی نیرو به ماده مرکب (کامپوزیت) وارد می‌شود، توسط زمینه به ماده تقویت‌کننده انتقال داده شود تا ماده تقویت‌کننده نیرو را تحمل کند.
7-1- تقویت‌کننده چیست؟
تقویت‌کننده‌ها موادی هستند که به صورت تکه‌تکه، در یک زمینه پیوسته وارد می‌شوند تا خواص ماده زمینه را بهتر کنند.
8-1-تقویت‌کننده‌ها چه شکلی هستند؟
تقویت‌کننده‌ها می‌توانند به صورت یک صفحه، یک رشته (نخ)، یا یک ذره (پودر) وارد حجم زمینه شوند و خواص آن را بهبود بخشند (شکل 2).
شکل 2. الف) تقویت‌کنندة صفحه‌ای ب) تقویت‌کنندة رشته‌ای ج) تقویت‌کنندة ذره‌ای
9-1- کامپوزیت‌ها چه کاربردهایی دارند؟
امروزه می‌توانیم ترکیبات کامپوزیتی را در زندگی روزانه و در اطراف خود ببینیم. چند مثال از این وسایل که در آنها ترکیبات کامپوزیتی به کار رفته است، بدنة هلی‌کوپتر، زه راکت تنیس، بدنه هواپیما، توپ‌های ورزشی و غیره هستند.
2- نانوکامپوزیت
شکل 3. نمونه‌ای از یک نانوکامپوزیت؛ شباهت آن به کاه‌گل جالب توجه است.
برای اینکه یک کامپوزیت به نانوکامپوزیت تبدیل شود، می‌توان روی دو قسمت از آن کار کرد:
- زمینه: همان‌طور که بارها گفته‌ایم، اتم‌های یک ماده منظمِ بلوری، در داخل دانه‌ها قرار دارند. یعنی همه آنها در یک جهت چیده نشده‌اند، بلکه مثل سلول‌های روی پوست دست، دسته‌‌دسته اتم‌های داخل هر سلول در یک جهت خاص قرار دارند. ما برای اینکه کامپوزیت را به نانوکامپوزیت تبدیل کنیم، باید قطر دانه‌ها را نانومتری کنیم.
- تقویت‌کننده: گفتیم که سه نوع تقویت‌کننده داریم. اگر تقویت‌کننده ما ذره‌ای باشد، با ریزکردن ذرات در حد نانومتر و وارد کردن آنها در یک زمینه، نانوکامپوزیت تولید می‌شود. اما اگر تقویت‌کننده‌های ما رشته‌ای باشند، با ریز کردن قطر رشته‌ها در حد نانومتر (یعنی تولید یک‌سری نخ نازک که قطر هر کدام بین یک تا صد نانومتر است) و وارد کردن آنها در زمینه، می‌توانیم نانوکامپوزیت تولید کنیم. اگر تقویت‌کننده ما لایه‌ای باشد، با نازک کردن لایه‌ها در حد نانومتر (ضخامت ورقه‌ها در حد 1 تا 100 نانومتر باشد) می‌توانیم نانوکامپوزیت بسازیم.
شکل 4. تقویت‌کنندة ذره‌ای
شکل 5. تقویت‌کنندة رشته‌ای
شکل 6. تقویت‌کننده لایه‌ای
1-2- چرا نانوکامپوزیت؟
در جواب به این سؤال، اول باید معلوم شود که چرا اصلاً از کامپوزیت استفاده می‌کنیم؟ حتماً دیده‌اید که دیوارهای خانه‌های قدیمی، خیلی ضخیم‌تر از دیوارهای ساختمان‌های امروزی‌اند، یا اگر در خانه‌های قدیمی ستون دیده باشید، به‌مراتب قطورتر از ستون‌های ساختمان‌های نوسازِ امروزی است. علتْ این است که برای تحمل نیروی سقف، احتیاجی به قطور کردن دیوارها یا ستون‌ها نیست. چون با زیاد کردن تعداد ستون‌ها و قرار دادن ستون‌های باریک‌تر در جاهایی که نیرو وارد می‌شود، در واقع ستون‌های کاذب را حذف می‌کنیم. در مواد مرکب هم، برای اینکه بخواهیم خواص ماده بهتر شود، لازم نیست همة ماده را از یک ماده با خواص خوب بسازیم.
3- خواص مهندسی مواد
ما از مواد خاصی برای ساخت قطعات، دستگاه‌‌ها، ساختمان‌ها و غیره استفاده می‌کنیم، چون همه مواد خواص مورد نیاز ما را در آن دستگاه برآورده نمی‌کنند. به این خواص ماده، که موجب می‌شود آن ماده دارای کاربردهای مهندسی شود، «خواص مهندسی مواد» می‌گویند. خواص مهندسی مواد عبارتند از:
- خواص مکانیکی، مثل خواص کشتی؛
- خواص فیزیکی، مثل هدایت الکتریکی؛
- خواص شیمیایی، مثل مقاومت در برابر خوردگی.
نمونه‌ای از این تغییر خواص شیمیایی را در زیر می‌بینید. در اینجا با تبدیل میکروکامپوزیت به نانوکامپوزیت امکان شکل‌گیری ذغال به ماده اضافه شده است. با این کار از گسترش آتش جلوگیری می‌شود.
شکل 7. به‌وجودآمدن ذغال از گسترش آتش و شکل‌گیری قطرات سوزان جلوگیری می‌کند
3-1- بهتر شدن خواص مکانیکی با ترکیب مواد و تولید نانوکامپوزیت
خواص مکانیکی یعنی خواص ماده در برابر اِعمال انواع نیروها. نیروها به چند دسته تقسیم می‌شوند: کشیدن، فشردن، خم کردن، پیچاندن و غیره. وقتی یک لایه یا صفحه با ضخامت 1 میلی‌متر را وارد زمینه‌ای نرم می‌کنیم، اگر تقویت‌کننده محکم‌تر از زمینه باشد، مثلاً مقداری ورق فلزی را وارد یک زمینه پلاستیکی (پلیمری) کنیم، ماده مرکبِ تشکیل‌شده در مقایسه با ماده اول، در برابر نیروی کششی، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهد.
حال اگر این لایه بخواهد به لایه‌ای با ضخامت 1 نانومتر تبدیل شود، یک میلیون لایه با ضخامت 1 نانومتر خواهیم داشت. واضح است که توزیع یک میلیون لایه نانومتری، می‌تواند در تمام سطح زمینه پلیمری به صورت یکنواخت توزیع شود. بنابراین، وقتی به زمینه پلیمری نیروی مکانیکی وارد می‌شود، این نیرو را بهتر تحمل می‌کند.
شکل 8. در شکل دو کامپوزیت را می‌بینید که لایه سطحی یکی از آنها با ذرات نانوی و دیگری با ذرات میکرونی پوشیده شده است. همان‌طور که می‌بینید لایه با ذرات میکرونی (تصویر سمت چپ) در مقابل تنش ترک خورده است در حالی که لایه با ذرات نانویی در مقابل این تنش مقاومت کرده است.
شکل 9. بهبود سختی کامپوزیت اپوکسی-سیلیس با تغییر درصد نانوذرات سیلیس و لاستیک به عنوان تقویت‌کننده
3-2- بهتر شدن خواص فیزیکی
خواص فیزیکیِ یک ماده، خواصی از قبیل هدایت، مقاومت الکتریکی و غیره هستند. جریان الکتریکی با حرکت الکترون‌ها وارد یک ماده می‌شود و اتم‌ها با ارتعاش، به همدیگر می‌خورند و به این ترتیب الکترون را دست به دست درون ماده منتقل می‌کنند. حال اگر ماده ما یک پلاستیک (عایق الکتریسیته و حرارت) باشد و ما بتوانیم چند عدد میله مسی درون آن وارد کنیم (دقیقاً مثل سیم)، الکترون‌ها از درون این پلاستیک و با عبور از اتم‌های مس، می‌توانند هدایت شوند. یعنی ما با قرار دادن یک میله مسی درون یک پلاستیک، آن را هادی جریان الکتریسیته کرده‌ایم. اکنون فرض کنید که سطح این پلاستیک 1 متر در 1 متر باشد و قطر میله مسی 1 میلی‌متر. در این صورت، مقطعی دایره‌ای به قطر 1 میلی‌متر از پلاستیک هادی جریان می‌شود. این در حالی است که با ریز کردن میله مسی، به میله‌های با قطر نانومتر می‌توان یک میلیون میله با قطر 1 نانومتر را درون پلاستیک پخش کرد. بنابراین، یک میلیون قسمت پلاستیک، رسانای جریان الکتریکی می‌شوند.