کامپوزیت ها در دسته بندی مواد، از جمله مواد پیشرفته می‌باشند که کاربردهای آنها در صنایع و زمینه‌های مختلف روز به روز در حال گسترش است. کامپوزیت، ماده همگنی بوده که از ترکیب دو یا چند جزء، جهت دستیابی به خواص متالورژیکی مطلوب به وجود آمده است.
این اجزاء در مقیاس ماکروسکوپی با هم ترکیب شده ولی در یکدیگر قابل حل نیستند. برخی از مشخصه‌های بارز کامپوزیت‌ها که موجب گسترش روزافزون آنها شده است، به شرح زیر می‌باشد:
استحکام ویژه
این پارامتر استحکام ماده را در ارتباط با وزن آن نشان می‌دهد. برای مثال، برخی کامپوزیت‌ها مانند فایبر گلاس دارای مقاومت به ضربه بسیار بالاتری نسبت به فولاد و تیتانیوم، در مقایسه با وزن به کار رفته از هر کدام از آنها می‌باشد.
برخی از محصولات کامپوزیتی دارای قیمت کمتری از محصولات مشابه فلزی هستند ولی باید خاطر نشان کرد که در برخی از کامپوزیت‌های پیچیده که کیفیت بسیار خوبی دارند، هزینه ساخت آنها بسیار گران می‌باشد.
فرآوری
در مقایسه با فرآوری فلزات که نیازمند مقادیر بالاتری انرژی گرمایی می‌باشد، کامپوزیت‌های زمینه فلزی و پلیمری نیازمند انرژی کمتری برای شکل گیری و یا عمل آوری هستند. برخی از کامپوزیت‌ها در دمای پایین قابلیت فرآوری داشته و وقتی پخت می‌شوند دارای خواص ضربه‌ای بالا و مقاومت حرارتی خوبی می‌شوند.
مزایای کامپوزیت ها
-داشتن نسبت استحکام به وزن و نسبت سفتی به وزن بالا -غیر خورنده، غیر مغناطیسی بودن -دارای خاصیت جذب انرژی مناسب -دارای عمر خستگی بالا -توانایی قرار دادن سنسور درون مواد جهت کنترل کارکرد درست یا نادرست کامپوزیت (کامپوزیت‌های هوشمند) -سهولت در ساخت ساختارهای با اشکال پیچیده.
معایب کامپوزیت‌ها
قیمت بالای مواد خام و فرایند ساخت
تافنس (مقاومت در برابر ضربه) پایین
آلایندگی محیط زیست مخصوصا در مورد کامپوزیت‌های زمینه پلیمری.
کامپوزیت هوشمند و انواع آن
کامپوزیت‌های پلیمری (FRP) کامپوزیت‌های پلیمری مخلوط‌هایی از پلیمرها به همراه افزودنی‌های آلی و غیر آلی هستند. در واقع این افزودنی‌ها دارای هندسه‌های مختلفی مانند الیاف، فلس مانند (Flakes)، کره شکل و ذرهای هستند. کارایی کامپوزیت‌های پلیمری مهندسی توسط خواص اجزاء آنها تعیین می‌شود. کلمه FRP اختصاری ازFiber Reinforced Polymer or Plastic می‌باشد که ترکیبی از یک ماده مرکب و کامپوزیتی بوده، از دو بخش فیبر (الیاف تقویتی) و ماتریس رزین از جنس پلیمر تشکیل شده است. این کامپوزیت‌ها به دو شکل ورق‌های FRP و میلگردهای FRP وجود دارد.
انواع کامپوزیت‌های پلیمری بر اساس فیبر تشکیل دهنده
۱-الیاف از جنس کربن (CFRP) رشته‌های کربنی بیشترین استحکام ویژه و مدول ویژه رادر میان مواد رشته‌ای تقویت کننده دارا بوده و در آینده به جای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویت کننده در کامپوزیت‌های پلیمری استفاده خواهد شد.
۲-الیاف از جنس شیشه(GFRP): الیاف شیشه متداولترین الیاف مصرفی کامپوزیت‌ها دردنیا و ایران است که متأسفانه در ایران ساخته نمی‌شود. کاربرد این ماده در کامپوزیت‌های پلیمری رشته شیشه‌ای شامل رشته‌های شیشهایی پیوسته یا ناپیوسته است.
۳-الیاف از جنس آرامید.
نقش الیاف‌ها در کامپوزیت
-سهم اصلی باربری درمواد مرکب را دارد. -بالاترین حجم را در مواد مرکب پر می‌کند. -انتخاب دقیق مقدار، نوع الیاف و جهت قرارگیری بسیار مهم است.
الیاف‌ها دارای ویژگی‌های زیر هستند:
۱-منعطف بودن جهت شکل گیری مورد نظر ۲-امکان پیش شکل دادن (Performing) مثل بریدن یا دوختن یا فشردن و افشاندن ۳-تراکم مناسب جهت جریان راحت رزین از میان آن.
انواع کامپوزیت‌های پلیمری
کامپوزیت‌های پلیمری به دو دسته کلی تقسیم بندی می‌شوند:
۱- کامپوزیت تقویت شده با الیاف (Fiber Reinforced Composites): این کامپوزیت‌ها به کامپوزیت‌های لیفی هم مشهور هستند(Fibrous Composites). در این نوع از کامپوزیت، الیاف نقش تقویت کننده داشته و کاربردهای سازه‌ای فراوانی دارند.
۲- کامپوزیت‌های ذرهای :(Particulate Composite)در این نوع از کامپوزیت‌ها، فاز تقویت کننده از ذرات تشکیل شده است. این دسته از کامپوزیت‌ها در قطعات با اصطحکاک زیاد مورد کاربرد قرار می‌گیرند.
کامپوزیت‌های ساختمانی
کامپوزیت‌های ساختمانی (Structural Composites) از پرکاربرد ترین مواد کامپوزیتی محسوب می‌شوند. زیرا به دلیل افزایش جمعیت در سراسر دنیا و روند رو به کاهش منابع طبیعی و سوخت‌های فسیلی، استفاده از مواد مصنوعی در مصارف مختلف لازم به نظر می‌رسد که کامپوزیت‌ها از جمله این مواد محسوب می‌شوند.
به عبارت دیگر از کاربردهای شاخص مواد کامپوزیتی، استفاده از آنها در صنعت ساختمان بوده که جایگزین مناسبی برای آهن و چوب در مصارف ساختمانی می‌باشد.
از طرفی، تعمیر و تقویت خارجی و داخلی سازه‌ها با مواد کامپوزیتی و یا ساخت سازه‌های تمام کامپوزیتی می‌تواند بر طول عمر و کیفیت ساختمان کمک شایانی داشته باشد.
دلایل استفاده از ساختارهای کامپوزیتی در مصارف ساختمانی
از نظر کاربرد در معماری: با استفاده از کامپوزیت می‌توان پل‌ها و دهانه‌های بلندتر، تیرهای نازک تر، ستون‌ها با ظرافت بیشتر و طراحی متنوع تری داشت.
از نظر اقتصادی استفاده از کامپوزیت منجر می‌شود به: کاهش وزن تجهیزات مورد استفاده در ساختمان کاهش سطوح نیازمند به آبکاری و پوشش دهی ایجاد پل‌های طولانی تر همراه با کاهش وزن ساخت اتاق‌های بدون ستون کاهش زمان و هزینه مورد نیاز برای ساخت ساختمان.
کاربرد کامپوزیت‌های ساختمانی
-پوشش نما و بام مثل صفحات سبک نمای ساختمان
-سقف‌های کاذب، نرده‌ها و حصارها
-درب و پنجره و اسکلت ساختمان
-دکور و پارتیشن بندی در سازه‌های داخلی ساختمان
-لوازم سرویس‌های بهداشتی مانند: وان حمام، سینک و زیردوشی.
روش ساخت کامپوزیت در ساختمان
روش پاشش رزین: رزین و الیاف در این روش توسط یک افشانه اسپری می‌شوند. قبل از این مرحله، الیاف توسط یک گان خرد شده سپس وارد افشانه می‌شود.
روش لایه گذاری دستی: چیدن الیاف شیشه در بین لایه‌های رزین پلی استر را لایه گذاری دستی می‌نامند.
روش پالتروژن: در این روش الیاف جهت آغشته شدن از روی میله قرقره‌ها به درون حمام رزین کشیده می‌شوند. و سپس از قالبی گرم عبور می‌کنند. گرما باعث پخته شدن و اتصال کامل رزین و الیاف می‌گردد.
برخی کامپوزیت‌های کاربردی در مهندسی عمران
میلگردهای کامپوزیتی
میلگردهای کامپوزیتی، از دسته کامپوزیت‌های زمینه پلیمری بوده که با الیاف لایه‌ای تقویت شده‌اند. این میلگردها از جمله مواد غیر فلزی و مقاوم در برابر خوردگی بوده که در کنار خواص مهمی مانند استحکام کششی زیاد، از آنها به عنوان آرماتور استفاده می‌کنند. این میلگردها در تقویت پل‌های بتنی در مناطق سرد سیر کاربرد دارد. به دلیل استفاده از نمک برای جلوگیری از یخ زدگی جاده‌ها، شرایط برای خوردگی میلگردهای فلزی بکار رفته در پل‌ها فراهم می‌شود. به همین دلیل میلگردهای کامپوزیتی به عنوان یک جایگزین خوب آرماتورهای فولادی در بتن بوده و در ساخت ساختمان به ویژه احداث بناهای ساحلی به کار می‌رود.
انواع میلگردهای کامپوزیتی در صنعت ساختمان
1. GFRP 2. CFRP 3. AFRP
برخی از مزایای میلگردهای کامپوزیتی به صورت زیر دسته بندی می‌شود:
۱- مقاومت کششی بیشتر از فولاد
۲- یک چهارم وزن آرماتور فولادی
۳- عدم تاثیر در میدان‌های مغناطیسی و فرکانس‌های رادیویی
۴- عدم هدایت الکتریکی و حرارتی
با توجه به موارد ذکر شده، این میلگردها به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتورهای فولادی در سازه‌های دریایی، سازه پارکینگ‌ها، عرشه پل‌ها، ساخت بزرگراه‌هایی در مناطقی که تحت تاثیر عوامل محیطی و آب و هوایی هستند و در نهایت سازه‌هایی که در برابر خوردگی و میدان‌های مغناطیسی حساسیت زیادی دارند، پیشنهاد می‌کند.
تیرها و پانل‌های کامپوزیتی
تیرها و پانل‌های کامپوزیتی با زمینه پلیمری به عنوان مصالح صنعت ساختمان از قدرت، استحکام، سبکی، قابلیت چرخش و جابجایی مناسبی برخوردار بوده و می‌توانند در جذب انرژی‌های داخلی ساختمان، نقش چشمگیری ایفا کنند. چنانچه این اجزا با ترکیب استاندارد و صحیح ساخته شوند، می‌توانند به عنوان یکی از مستحکم ترین مصالح ساختمانی مطرح گشته و به راحتی جایگزین مصالحی چون فولاد، بتن وچوب در پروژه‌های مختلف می‌شوند. همچنین پانل‌های کامپوزیتی در برابر طوفان، باد و نفوذ حشرات خطرناک به داخل ساختمان مقاوم هستند. جلوگیری از ایجاد شکاف و تیرگی در دیواره خانه‌های پیش ساخته، از سایر مزیت‌های این پانل‌های کامپوزیتی است.
خرپای کامپوزیتی
سازه‌ای است که از واحدهای مثلثی شکل تشکیل شده است. این سازه توانایی تحمل نیروی‌های کششی و فشاری را داشته و بسته به آنکه از چه موادی ساخته شده باشد، طول عمر متفاوتی خواهد داشت. خرپاهایی که از اجزای کامپوزیتی ساخته شده باشند، طول عمر بالایی داشته و سبک وزن می‌باشند. به همین دلیل در مصارف ساختمانی و ساخت اتاق‌های پیش ساخته و سقف‌های کاذب مورد استفاده قرار می‌گیرند.
ستون‌های کامپوزیتی
ستون‌های کامپوزیتی با زمینه پلیمر یا بتنی در این دسته قرار دارند. در شکل زیر سطح مقطع چند ستون بتی مسلح شده با فولاد نشان داده شده است.
ETFE
یک پلیمر پایه فلوئوروکربن با دوام است که از آن به عنوان مصالح ساختمانی کاربردی در آینده نام برده می‌شود. این کامپوزیت پلیمری، یک پلاستیک شفاف تفلونی است که جایگزین شیشه و پلاستیک‌های معمولی در بسیاری از ساختمان‌ها می‌شود. از جمله ویژگی‌های این کامپوزیت می‌توان به وزن بسیار کم آن اشاره کرد، به طوری که با دارا بودن یک درصد وزن شیشه، هم نور بیشتری را از خود عبور می‌دهد و هم عایق بهتری محسوب می‌گردد. از دیگر ویژگی‌های آن می‌توان به دارا بودن حالت ارتجاعی اشاره کرد که این قابلیت توانایی تحمل وزنی معادل ۴۰۰ برابر وزن خود کامپوزیت را به آن می‌دهد. به دلیل سطوح کربنی این محصول، گرد و غبار و لکه بطور خودکار از سطح آن پاک می‌شود. این کامپوزیت طول عمر بالایی داشته و قابل بازیافت است.