کامپوزیت‌های ماتریس پلیمری (PMC) تقریباً در تمام جنبه‌های زندگی مدرن وجود دارند – از اجزای ابزار گرفته تا مجموعه گسترده‌ای از لوازم جانبی خودرو. پلیمرها برگرفته از نام آن، به معنای واحدهای تکرار شونده زیاد، اغلب از شاخه‌هایی از کربن و هیدروژن تشکیل شده‌اند که از نظر شیمیایی به یکدیگر متصل شده‌اند تا یک زنجیره بسازند.

پلیمرهایی که اغلب به عنوان کامپوزیت استفاده می شوند، یا پلیمرهای ترموپلاستیک، پلیمرهای ترموست یا الاستومر هستند. آنها منبعی از طیف گسترده ای از مواد اولیه ارزان قیمت هستند که مزایای بسیاری مانند این را دارند [1]:

• وزن مخصوص کم
• پایداری مواد بالا در برابر خوردگی
• عایق الکتریکی و حرارتی خوب
• سهولت شکل دهی و تولید انبوه اقتصادی
• خواص نوری جذاب

با این حال، آنها از برخی کمبودها مانند استحکام و سفتی رنج می برند. برای جبران این کمبودها، تقویت کننده ها در مواد پلیمری ادغام می شوند تا خواص مکانیکی آنها را افزایش دهند.

کامپوزیت ماتریس پلیمری چیست؟

کامپوزیت های زمینه پلیمری موادی هستند که از الیاف ساخته شده اند که در یک ماتریس پلیمری آلی تعبیه شده اند. این الیاف برای افزایش خواص انتخابی مواد معرفی شده اند [2].

کامپوزیت های زمینه پلیمری بر اساس سطح استحکام و سختی آنها به دو نوع مجزا طبقه بندی می شوند:

• پلاستیک های تقویت شده – با افزودن مواد فیبری جاسازی شده به پلاستیک، استحکام بیشتری می بخشد
• کامپوزیت های پیشرفته – از ترکیب فیبر و ماتریس تشکیل شده است که استحکام و سفتی برتر را تسهیل می کند. آنها عمدتا حاوی الیاف پیوسته با عملکرد بالا مانند شیشه با سفتی بالا (شیشه S)، گرافیت، آرامید یا سایر الیاف آلی هستند. [3]

ویژگی های PMC

اجزای تشکیل دهنده یک PMC که بر خصوصیات کلی آن تأثیر می گذارد، هستند [3]:

• ماتریس – این پلیمر است که یک فاز پیوسته است و به عنوان حلقه ضعیف در ساختار PMC طبقه بندی می شود.
• تقویت – این یک فاز ناپیوسته است و جزء اصلی باربر است. این می تواند شیشه، کوارتز، بازالت یا فیبر کربن باشد.
• اینترفاز – فاز میانی بین فازهای تقویت کننده و ماتریس که در آن انتقال بار صورت می گیرد.

جدای از انواع ماتریس و تقویت‌کننده‌های مورد استفاده، سایر عوامل مؤثر بر خواص PMC عبارتند از: نسبت‌های نسبی اجزا، هندسه تقویت‌کننده و ماهیت فاز میانی. [3].

مزیت اصلی مواد کامپوزیتی زمینه پلیمری استحکام و سختی آنهاست. سایر کیفیت هایی که با تقویت پلیمرها همراه است به شرح زیر است [4]:

پردازش بهبود یافته	کنترل تراکم	رسانایی گرمایی	کنترل انبساط حرارتی
ضد شعله	کاهش هزینه	سختی بیشتر	مقاومت در برابر ضربه
مقاومت در برابر خستگی	مقاومت در برابر شکست	مقاومت در برابر سایش	مقاومت در برابر خوردگی
نسبت استحکام ویژه به وزن بالا	نسبت سفتی ویژه به وزن بالا	بهبود قدرت خستگی	مقاومت در برابر خزش بالا

علی‌رغم این ویژگی‌های بسیار مطلوب، کامپوزیت‌های زمینه پلیمری به دماهای زیر 600 درجه فارنهایت (316 درجه سانتی‌گراد) محدود می‌شوند، که بالاتر از آن، پلیمرها شروع به تخریب می‌کنند. [3].

تولید کامپوزیت های زمینه پلیمری

پلیمرها با الیافی با قطر 8 تا 12 میکرومتر به صورت تک رشته ای پیوسته یا چند رشته ای خرد شده که در پارچه و انواع دیگر منسوجات پیش ساخته بافته می شوند، تقویت می شوند. این الیاف سپس با تزریق، اکستروژن، فشار دادن یا مهر زنی به پلیمر ماتریکس به شکل مایع آغشته می شوند و سپس برای تولید کامپوزیت نهایی پخت می شوند. [5].

در طول ساخت و شکل دهی کامپوزیت های زمینه پلیمری به محصولات نهایی، اغلب تشکیل خود ماده در فرآیند ساخت گنجانده می شود. این فرآیندها شامل [4,5]:

• دست دراز کردن
• قالب گیری خلاء
• اسپری lay up
• Pultrusion
• قالب گیری انتقال رزین (RTM)
• رشته سیم پیچ

PMC برای چه مواردی استفاده می شود؟

PMC ها به دلیل هزینه کم و روش های ساخت ساده مورد توجه قرار می گیرند. برنامه های کاربردی برای PMC ها عبارتند از [4,6]:

صنعت خودرو – پانل های بدنه، فنرهای برگ، میل محرک، سپرها، درها، بدنه ماشین های مسابقه و غیره.

صنعت هواپیما و هوافضا – در ساخت قطعات ساختاری برای هواپیماهای نظامی، شاتل های فضایی و سیستم های ماهواره ای استفاده می شود. هدف اصلی استفاده از PMC ها کاهش وزن هواپیما است که می تواند عملکرد آن را بهبود بخشد و هزینه های آن را کاهش دهد.

دریایی – بدنه قایق فایبرگلاس و همچنین کانو و کایاک.

کالاهای ورزشی – در کفش های پرفورمنس، تجهیزات ورزشی و سایر کالاهای ورزشی به دلیل ویژگی های سبک وزن و استحکام بالا استفاده می شود.

کاربردهای زیست پزشکی – ایمپلنت های پزشکی، دستگاه های ارتوپدی، اسکنرهای ام آر آی، میزهای اشعه ایکس و پروتزها.

برق – پانل ها، مسکن، تابلو برق، عایق ها و کانکتورها. همچنین دستگاه های الکترونیکی مانند خازن ها، باتری های لیتیوم یون و انعطاف پذیر و پوشش های تجهیزات دیجیتال قابل حمل مانند هدفون و غیره را پوشش می دهد.

تجهیزات محافظتی – از آنجایی که کامپوزیت های ماتریکس پلیمری می توانند در برابر گرما یا سرمای شدید و سایر شرایط خطرناک مقاومت کنند، اغلب به عنوان مواد اولیه برای جلیقه های ضد گلوله و سایر زره ها ساخته می شوند.

صنعتی – مخازن ذخیره مواد شیمیایی، مخازن تحت فشار، محفظه پمپ و شیرها. PMC ها همچنین در پروانه ها، تیغه ها، محفظه دمنده و پمپ و پوشش موتور استفاده می شوند.

ساختاری – کامپوزیت های ماتریس پلیمری برای تعمیر پل ها و سایر مصالح ساختمانی و تجهیزات مانند بوم ها و جرثقیل ها استفاده می شود.

[1] M. Akay، 2015، مقدمه‌ای بر کامپوزیت‌های زمینه پلیمری، از: https://www.academia.edu/37778336/An_introduction_to_polymer_matrix_composites

[2] SG Advani، KT Hsiao، 2012، تکنیک‌های ساخت برای کامپوزیت‌های ماتریس پلیمری (PMCs)، انگلستان: Woodhead Publishing ltd.

[3] “فصل 3 کامپوزیت های ماتریس پلیمری”، nd، از: https://www.princeton.edu/~ota/disk2/1988/8801/880106.PDF

[4] JP Jose و همکاران، 2012، “پیشرفت‌ها در کامپوزیت‌های پلیمری: کامپوزیت‌های ماکرو و میکرو – وضعیت هنر، چالش‌های جدید و فرصت‌ها،” در کامپوزیت‌های پلیمری: جلد 1، ویرایش اول. S. Thomas, K. Joseph, SK Malhotra, K. Goda, and MS Sreekala (ed.s), Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

[5] “فرآوری کامپوزیت های پلیمری”، 2012، از: http://www-materials.eng.cam.ac.uk/3C1archive/handout6.pdf

[6] “مقدمه ای بر کامپوزیت های زمینه پلیمری”، در کامپوزیت ها و فناوری های ماتریس پلیمری، RM Wang، SR Zheng و YP Zheng (ed.s)، UK: Woodhead Publishing ltd.