معرفی گرایش مواد مرکب (کامپوزیت)

گرایش مواد مرکب

چکیده

گرایش مواد مرکب یکی از گرایش هایی است که تنها در مقطع کارشناسی ارشد ارائه می شود. دانشجویان مهندسی مواد، مکانیک و پلیمر برای ادامه تحصیل در مقطع کارشناسی ارشد، می توانند گرایش مواد مرکب را انتخاب کنند. در این دوره باید جمعاً ۳۲ واحد اخذ گردد، که شامل دروس اجباری، اختیاری، سمینار و پایان نامه می شود. دروس جبرانی نیز با توجه به رشته دانشجو در مقطع کارشناسی، بایستی انتخاب و گذرانده شود ولی جزء تعداد واحدهای کل دوره محسوب نمی شود.

مواد مرکب ( کامپوزیت)

کامپوزیت به موادی می گویند که از دو یا چند جزء که در یکدیگر حل نمی شوند، تشکیل شده است. خواص کلی کامپوزیت ها از خواص تک تک اجزاء آن بهتر است، که این هدف اصلی ساخت مواد کامپوزیت است. بهترین خصوصیت کامپوزیت ها به طور کلی، استحکام و چقرمگی بالا همراه با چگالی و جرم کم است. کامپوزیت ها مواد مهندسی هستند که اکثراً ساخته دست بشر هستند ولی کامپوزیت های طبیعی نیز در طبیعت وجود دارند. استخوان که ترکیبی از آپاتیت و کلاژن است و یا چوب که ترکیبی از  فیبرهای سلولزی و لینگنین است، از کامپوزیت های طبیعی موجود در طبیعت هستند.

کامپوزیت ها عموماً از دو بخش کلی تشکیل می شوند. بخش اول ماتریس، که همان فاز زمینه ای است که باعث ایجاد پیوستگی و چسبندگی فاز دوم، توزیع و انتقال بار به فاز دوم، حفاظت فاز دوم از شرایط محیطی و سایش مکانیکی می شود. بخش دیگر که به آن فاز دوم می گویند، نقش افزایش استحکام و تحمل بار ( که همان کاهش ابعاد به همراه افزایش استحکام و چقرمگی است) را ایفا می کند. مقدار، اندازه، شکل، توزیع و جهت گیری فاز دوم نقشی اساسی در خواص نهایی کامپوزیت ها دارند.

انواع کامپوزیت‌ها

کامپوزیت ها بر اساس نوع زمینه ای که دارند به ۴ دسته کلی تقسیم می شوند که شامل:

کامپوزیت‌های زمینه پلیمری (PMCs):

در کاربردهای تجاری، این دسته از کامپوزیت‌ها رتبه بالایی در مقایسه با دیگر انواع کامپوزیت‌ها دارند. زمینه از مواد گرما نرم (thermoplastic)، اپوکسی و مواد گرما سخت (thermoset) است. ترمو پلاستیک ها، مزایایی مانند خواص مکانیکی و سایشی خوب دارند و رزین های اپوکسی نیز از مهم ترین مواد، برای ایجاد زمینه پلیمری هستند.

از مزایای کامپوزیت های مستحکم شده با الیاف شیشه می توان به استحکام و سختی بالا، آسانی تولید الیاف با استحکام بالا از حالت مذاب، در دسترس بودن و قیمت پایین، پایداری شیمیایی خوب در محیط های خورنده، واکنش ندادن با زمینه پلیمری وخواص مکانیکی مطلوب در دمای بالا اشاره کرد. این کامپوزیت ها  محدودیت هایی از جمله تردی فاز شیشه ای و حداکثر دمای کاری ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی گراد، دارند. از این کامپوزیت ها می توان در صنایع حمل ونقل، صنعت خودرو و صنایع دریایی و مصالح ساختمانی استفاده کرد.

کامپوزیت های مستحکم شده با الیاف کربن دارای بالاترین استحکام مخصوص و مدول الاستیسیته مخصوص در میان الیاف هستند و استحکام و مدول الاستیسیته بالای خود را در دماهای بالا به ویژه در محیط های غیر اکسیدی حفظ می کنند. اما در دما های بالا و محیط های اکسیدی، به سرعت اکسید می شوند. از این کامپوزیت ها در وسایل ورزشی، بدنه دوچرخه و هلیکوپتر و مخازن تحت فشار استفاده می کنند.

کامپوزیت های پلیمری مستحکم شده با الیاف آرامید مزیت هایی چون استحکام و مدول الاستیسیته بالاتر از فلزات، چقرمگی، مقاومت به ضربه و مقاومت به خزش و خستگی خوب دارند. ولی در محیط های اسیدی و بازی قوی دچار تخریب و تجزیه می شوند. از این کامپوزیت ها می توان در جلیقه های ضد گلوله، تایرها، طناب ها، مخازن تحت فشار و وسایل ورزشی استفاده کرد.

کامپوزیت‌های زمینه فلزی (MMCs) : 

این دسته که جزء مواد ساختمانی پیشرفته محسوب می شوند، از تقویت کننده های غیرفلزی در یک زمینه فلزی تشکیل شده اند. کامپوزیت‌های زمینه فلزی عمدتا در کاربردهای مهندسی استفاده می شوند، در مواردی که دمای کاری در محدوده ۲۵۰ تا ۷۵۰ درجه سانتیگراد است. مواد زمینه شامل مس، آلومینیم، تیتانیم و سوپر آلیاژها بوده و مواد تقویت کننده شامل: کاربید سیلسیم، بور، مولیبدن و آلومینا هستند. از این کامپوزیت ها در قطعات اتومبیل، شاتل های فضایی، تلسکوپ فضایی هابل، توربین ها و موتور های حرارتی استفاده شده است.

کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی (CMCs):

این دسته نیز جزء مواد ساختمانی پیشرفته محسوب می شوند که از تقویت کننده های فلزی/ غیرفلزی در یک زمینه سرامیکی تشکیل شده اند. مقاومت ذاتی سرامیک ها در برابر اکسیداسیون و افت خواص مکانیک در دماهای بالا باعث شدهاست که به عنوان زمینه در کامپوزیت ها استفاده شود. در ابزار برش و ماشینکاری فلزات و آلیاژهای سخت از کامپوزیت آلومینا-کاربید سیلیسیوم که از کامپوزیت های زمینه سرامیکی به شمار می روند استفاده شده است.

کامپوزیت‌های کربن–کربن (CCs):

این دسته از کامپوزیت‌ها عمدتا برای قطعاتی که بایستی در شرایط دمایی سخت کار کنند، توسعه یافته اند. زمینه کربن است و تقویت کنندها شامل فیبرهای سه بعدی کربن در فرم های تابیده و بافته شده هستند. کامپوزیت‌های کربن-کربن، به علت اینکه در شرایط دمایی سخت، توانایی حفظ استحکام و حتی افزایش استحکام را دارند، در گستره وسیعی مورد استفاده قرار می گیرند. از کاربردهای این کامپوزیت ها می توان استفاده در موتور راکت و جت، اتومبیل و هواپیما، قالب های پرس داغ و توربین ها را نام برد.

شکل زیر نمودار دمای کار انواع کامپوزیت ها را نشان می دهد.

کامپوزیت ها بر اساس هندسه و شکل تقویت کننده به ۳ دسته کلی تقسیم می شوند.

تقویت کننده رشته ای یا فیبری: سطح مقطع تقویت کننده فیبری، می تواند در اشکال دایره ای، مربع یا شش گوشه باشد و قطر آنها در بازه ۰٫۰۰۰۲۵ تا ۰٫۰۱۲۵ سانتیمتر است. طول یا نسبت طول به قطر (L/D ratio) برای فیبرهای ناپیوسته تا صد برابر و برای فیبرهای پیوسته می تواند بسیار بزرگتر باشد.

تقویت کننده ذره ای: این نوع تقویت کننده که ذراتی ریز هستند، با به تاخیر انداختن حرکت نابجایی ها در کامپوزیت زمینه فلزی، موجب استحکام دهی زمینه می شوند. اگر اندازه ذرات از یک میکرون بزرگتر باشد، استحکام دهی ناشی از این ذرات، به علت تقسیم نیرو در زمینه است.

تقویت کننده ورقه ای: این تقویت کننده ها به شکل صفحاتی مسطح در ماتریس کامپوزیت قرار می گیرند.

تحصیل در گرایش مواد مرکب

دانشگاه

یکی از گرایش های مقطع کارشناسی ارشد، گرایش مواد مرکب است. دانشجویان مقطع کارشناسی مهندسی مواد، مهندسی مکانیک و مهندسی پلیمر می توانند در مقطع کارشناسی ارشد گرایش مواد مرکب را انتخاب کنند. این رشته را برای اولین بار دانشگاه مالک اشتر در تهران در سال ۱۳۸۳ ارائه داد. دانشجویانی که در کنکور مهندسی مواد شرکت کرده اند، برای انتخاب گرایش مواد مرکب، کد ضریب ۴ از مجموعه مهندسی مواد و متالورژی، حق انتخاب در میان ۳ دانشگاه سراسری را دارند.

جدول زیر نام دانشگاه ها و تعداد دانشجویان مورد پذیرش برای دوره روزانه و شبانه در گرایش مواد مرکب در سال ۹۷ را نشان می دهد.

دروس

دانشجویان با توجه به رشته ی مقطع کارشناسی خود بایستی دروس جبرانی خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرها ، استاتیک و مقاومت مصالح را در ترم اول اخذ کنند. تعداد واحد دروس جبرانی جز تعداد کل واحدهای گذرانده شده در طول دوره محسوب نمی شود. دروس گرایش مواد مرکب در کارشناسی ارشد جمعاً در ۳۲ واحد به شرح زیر ارائه می شود:

• دروس اجباری : ۱۶ واحد
• دروس اختیاری : ۸ واحد
• سمینار : ۲ واحد
• پایان نامه : ۶ واحد

دروس اجباری در گرایش مواد مرکب مهندسی مواد به شرح جدول ذیل می باشد.

دروس اختیاری در گرایش مواد مرکب مهندسی مواد به شرح جدول ذیل می باشد، که با توجه به علایق و موضوع سمینار و پایان نامه، جمعاً ۶ واحد از میان این دروس باید اخذ و گذرانده شود.

موقعیت های شغلی گرایش مواد مرکب

مهندسین مواد در حقیقت مواد را برای استفاده های گسترده از چیپ های کامپیوتری و بال های هواپیما گرفته تا لوازم آشپزخانه و دستگاه های پزشکی توسعه ، فرآوری و آزمایش می کنند. آنها خواص و ساختار فلزات، سرامیک ها، پلاستیک ها، نانومواد و سایر مواد را به منظور ساخت ماده های جدید که نیازهای مکانیکی، الکتریکی و شیمیایی را برآورده می کند را مورد مطالعه و بررسی قرار می دهند.

مهندسین مواد مسئول تحقیق، شناسایی، طراحی و توسعه مواد برای تکنولوژی های پیشرفته و تولید دسته های زیادی هستند. مهارت آن ها در درک خواص و رفتار مواد مختلف از مواد اولیه تا محصولات نهایی نهفته است با کار کردن در صنایع مختلف، مهندسین مواد با ترکیب یا بهبود مواد به روش های مختلف کارایی، دوام و هزینه بهره ­وری فرآیند ها و مواد را بهبود می بخشند. توانایی پیشنهاد بهترین مواد برای یک محصول، با درنظرگرفتن پارامترهایی مانند خواص مکانیکی، شیمیایی، الکتریکی موردنیاز بهمراه صرفه اقتصادی، بزرگترین مهارت مهندسین مواد است.

به طور کلی مهندسین مواد در زمینه های مختلف بسیاری مانند عمران، ساخت هواپیما، خودرو و صنایع دفاعی و یا در گروهی متشکل از مهندسین، شیمیدانان و دیگر متخصصان علم مواد می توانند شروع به فعالیت کنند. آگهی های استخدامی مهندسی مواد و متالورژی در تمام مقاطع و گرایش ها را می توانید به طور روزانه در این+لینک مشاهده کنید.

منابع مرتبط

منابع و کتاب های مرتبط با گرایش مواد مرکب، در سایت ایران مواد برای دانلود در اختیار شما کاربران گرامی قرار داده شده است. تعدادی از این کتاب ها شامل:

• کامپوزیت ها و خواص آنها – Composites and their Properties
• کاربردهای گرافن – Applications of Graphene
• هندبوک مخلوط های پلیمری Polymer Blends Handbook
• هندبوک کامپوزیت های سرامیکی Handbook of Ceramic Composites – Narottam P. Bansal
• کتاب کامپوزیت های زمینه فلزی Metal Matrix Composites – Krishan K.Chawla
• مواد کامپوزیتی Composite Materials – Chawla
• کامپوزیت های تقویت شده با فیبر سه بعدی (L. Tong)

برای مشاهده و دانلود سایر کتاب ها و منابع مرتبط با گرایش مواد مرکب در مهندسی مواد و متالورژی روی این +لینک کلیک کنید.