مقدمه:
بسیاری از فن آوریهای نوین به موادی نیاز دارند که ترکیب غیر معمولی از خواص را با آلیاژهای فلزی ، سرامیکی و پلیمرهای معمولی حاصل نمی آید بدست می دهد . به عنوان نمونه مواد مورد نیاز درسفینه های فضائی ، زیر دریائی ها و کاربردهای حمل و نقل از این قبیل است که باید در عین چگالی کم ، استحکام سفتی و مقاومت به سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد.معمولا مواد مستحکم نسبتا چگال هستند واستحکام ضربه کمی دارند . کامپوزیت عبارت است از هر ماده چند فازی که سهم کافی از خواص هریک از فازها در آن وجود دارد وبنابراین ترکیب مناسبی از خواص بدست می آید.برخی انواع کامپوزیت مانندآلیاژ های فلزی چند فازی ، سرامیکها وپلیمرها مورد بحث واقع می شود .بعنوان مثال ریزساختار فولاد های پرلیتی متشکل از لایه های فریت و سمنتیت است . فاز فریت نرم و انعطاف پذیر است در حالی که سمنتیت بسیار ترد و سخت است. ترکیب مطلوب استحکام و انعطاف پذیر ی بالا در پرلیت ناشی ازوجود دو فاز مختلف فریت وسمنتیت است.کامپوزیت هایی درطبیعت نیز یافت می شود.چوب متشکل ازالیاف سلولزی مستحکم وانعطاف پذیر است که توسط یک ماده سفت تر به نام لیگنین کنار هم قرار گرفته اند.استخوان نیز یک کامپوزیت مستحکم و ترد است.
کاپوزینت یک ماده چند فازی است که بصورت مصنوعی ساخته می شود فازها باید از لحاظ شیمیائی متفاوت باشد و با فصل مشترکهایی مچزا شوند. مطابق این تعریف ، اغلب آلیاژهای فلزی و بسیاری از سرامیکها کامپوزیت نیستند زیرا فارهای چند گانه آنها درنتیجه یک پدیده طبیعی تشکیل شده است .بسیاری از کامپوزیت هاتنها از دو فاز تشکیل شده اند:
فاز زمینه که پیوسته است وفاز دیگر که غالبا فاز پراکنده است گفته می شود در بر گرفته است . خواص کامپوزیت به خواص فازهای تشکیل دهنده آن ، مقادیر آنها و هندسه فاز پراکنده شده وا بسته است . منظور از هندسه فاز پراکنده شده ، شکل و اندازه ذرات ، نحوه توزیع و جهت آنهاست .



کامپوزیت های ذره ای تقویت شده
فاز پراکنده شده در کامپوزیت های تقویت شده با ذرات هم محور و همسواست ، یعنی ذرات تقریبا در همه جهات همسو هستند. دو زیر دسته این نوع کامپوزیت ها عبارتند از : کامپوزیت های درشت ذره و مستحکم شده به وسیله پراکندگی ذرات .تفاوت این دو گروه به مکانیزم مستحکم شدن یا تقویت شدن بستگی دارد واژه درشد بدین جهت استفاده می شود که نشان دهد فعل و انفعال بین ذره زمینه نمی تواند در مقیاس اتمی یا مولکولی صورت گیرد ومکانیک محیط های پیوسته استفاده می شود . در بیشتر این نوع کامپوزیت ها ، فاز پراکنده سخت تر وسفت تر از زمین است این ذرات تقویت شده جابجائی و حرکت فاز زمینه را در مجاور خود و مهار ومتوقف می کنند. اساسا زمینه ، مقداری از تنش اعمال شده را به ذرات منقل می کنند . میزان تقویت شدن یا بهبود رفتار مکانیکی به استحکام پیوند در فصل مشترک زمینه ذره بستگی دار د . در کامپوزیت های مستحکم شده با ذرات پراکنده ، ذرات معمولا بسیار کوچکتر هستند و اندازه آنها بین nm10 تا nm 100 است . فعل وانفعال ذره زمینه که به مستحکم شدن منجر می شود در مقیاس اتمی یا مولکولی رخ می دهد . بنابر این تغییر شکل مومسان مشکل می شود و استحکام کششی ، تسلیم و سختی بهبود می یابد .

کامپوزیتهای درشت ذره
کامپوزیتهای درشت ذره آشنای دیگر بتون است که زمینه آن سیمان است وذرات شن ماسه در آن وجود دارد . تقویت شدن موثر مستلزم آن است که ذرات کوچک باشد و بخوبی ر زمینه پراکنده شده باشد کامپوزیت های درشت ذره با هرسه نوع ماده ( فلزات ، پلیمرها، سرامیکها ) مورد استفاده قرار می گیرند . سرمتها نمونه کامپوزیتهای سرامیک فلز هستند . معروف ترین سرمتها کاربید های سمانته هستند که از ذرات بسیار سخت یک سرامیک کاربیدی دیرگداز مثل کاربید تنگستن ( wc) یا کاربید تیتانیوم ( TiC) در زمینه از یک فلز مثل کبالت یا نیکل تشکیل شده اند . از این کامپوزیتها به عنوان ابزار فولادهای سخت کاری شده استفاده می شود . ذرات خاصیت برشی را ایجاد می کنند و زمینه ، از بهم پیوستن این ذرات ترد وامکان اشاعه ترک از طریق آنها جلوگیری به عمل می آورد . دیرگداز بودن زمینه و ذرات باعث می شود که دمایی که در اثر برش مواد بسیار سخت ایجاد می شود تحمل شود . هیچ ماده ای به تنهایی ترکیب خواص سرمت را نمی تواند داشته باشد. درصد حجمی ذرات میتواند تا 90% افزایش یابد و عمل سایندگی و برش را به حداکثر برساند.
الاستومر ها و پلاستیک ها غالبا" با ذرات مختلفی نظیر کربن سیاه تقویت می شوند. کرین سیاه ذرات بسیار ریز و کروی شکل کربن هستند که از طریق احتراق گاز طبیعی یا روغن در محیطی کم هوا تولید می شود . این ماده ارزان وقتی به لاستیک ولکانیزه شده افزوده می شود استحکام کششی، چقرمگی و مقاومت سایندگی و گسیختگی را افزایش می دهد . تایر خودرو محتوی 30%-15% حجمی کربن سیاه است . اندازه ذرات nm50-20 است. ذرات کربن سیاه پیوند چسبنده مستحکمی با ماده لاستیک برقرار می سازند در حالی که سایر مواد مثل سیلیس چنین نیستند

بتن یک کامپوزیت معروف از نوع درشت ذره است که درآن هر دو زمینه فاز پراکنده شده ، مواد سرامیکی هستند .
کامپوزیتهای مستحکم شده با ذرات پراکنده
فلزات و آلیاژهای فلزی را می توان با پراکنده سازی یکنواخت چند درصد حجمی ذرات ریز از یک ماده سخت و خنثی مستحکم نمود . فاز پراکنده شده فلزی یا غیر فلزی است . غالبا از مواد اکسیدی استفاده می شود . مکانیسم استحکام دهی در اینجا مانند سخت کاری رسوبی شامل فعل وانفعال بین ذرات و نابجائی ها درون زمینه است .

کامپوزیت های رشته ای تقویت شده
از لحاظ تکنولوژیکی ، مهمترین کامپوزیتها آنها هستند که فاز پراکند ه شده به شکل رشته است . کامپوزیتهای رشته ایی تقویت شده استحکام و یا سفتی بالائی دارند . این ویژگی به عنوان عواملی نظیر استحکام ویژه و مدول ویژه بالا می شود دو زیر گروه این دسته از کامپوزیتها بر اساس طول رشته نعیین می شوند . خواص مکانیکی این کامپوزیت ها به خواص رشته و میزان نیروی منتقل شده به رشته از سوی فاز زمینه بستگی دارد .بنابراین طول بحرانی رشته در استحکام دهی و سفت سازی موثر کامپوزیت نقش دارد.

کامپوزیت های رشته پیوسته وهمسو
خواص مکانیکی این نوع کامپوزیت ها به رفتار تنش کرنش رشته و فاز زمینه ، درصد حجمی فاز و جهت اعمال نیرو بستگی دارد همسو بودن رشته ها ، رفتار غیر همسو را در خواص به دنبال دارد . در این حالت بسته به جهت طولی عمال نیرو جهت عرضی و عمود بر جهت رشته ها رفتار تنش کرنش متفاوت خواهد بود ..

رشته ها
هر چه قطر رشته کوچکتر باشد ، رشته مستحکم تر از ماده زمینه خواهد بود. موادی که بعنوان رشته های تقویت کننده بکار میرود استحکام کششی بالایی دارند.براساس قطر و مشخصه رشته ها به 3 دسته تقسیم می شوند :ویسکرها ،رشته ها و سیم ها. ویسکر ها تک بلورهای بسیار نازکی هستند که نسبت طول به قطر آنها فوق العاده زیاد است.آنها مستحکم ترین موادی هستند که شناخته شده اند. مواد ویسکریشامل گرافیت ، کاربید سیلیسیم، نیترید سیلیسیم و اکسید آلومینیم است.

فاز زمینه
فاز زمینه کامپوزیت های رشته ای می تواند فلز ، پلیمر یا سرامیک باشد . معمولا از فلزات یا پلیمرها به عنوان ماده زمینه استفاده می شود زیرا انعطاف پذیری مطلوبی دارند . در کامپوزیت های زمینه سرامیکی جز تقویت کننده برای بهبود چقرمگی شکست استفاده می شود . در انتخاب ترکیب زمینه رشته ، مهمترین عامل استحکام پیوند است .

کامپوزیت های زمینه پلیمری
کامپوزیتهای زمینه پلیمری از یک رزین پلیمری ( پلاستیک تقویت شده مولکول درشت ) به عنوان زمینه با رشتهایی به عنوان عامل تقویت کننده تشکیل شده است . از ویژگیهای این دسته از کامپوزیت ها ، کاربرد متنوع و گسترده ، خواص خوب در دمای محیط ، سهولت ساخت و هزینه کم است . این نوع کامپوزیت ها بر اساس نوع تقویت شدن به شیشه ایی ، کربنی و آرامید تقسیم می شود کامپوزیت های پلیمری رشته شیشه ای شامل رشته های شیشه ایی پیوسته یا ناپیوسته در زمینه پلیمری است در آینده بجای شیشه بیشتر از کربن به عنوان رشته تقویت کننده در کامپوزیت های پلیمری استفاده خواهد شد چون رشته های کربنی بیشترین استحکام ویژه و مدول ویژه را در میان مواد رشته های تقویت کننده دارا هستند . رشته های آرامید موادی با استحکام و مدول بالا هستند که در اوایل دهه 1970 عرضه شدند .
در کامپوزیت های زمینه پلیمری ، غیر از سه نوع رشته تقویت کننده شیشه ایی ، کربنی و آرامید گاه از بور ، کاربید سیلیسیم و اکسید آلومینیم در حد محدودی استفاده می شود رشته های بور در اجزا هواپیماهای نظامی ، تیغه ای پره بالگرد و برخی وسایل ورزشی بکار می رود از رشته کاربید سیلیسیم و آلومینا در راکتها ی تنیس ، مدار چاپی و دماغه مخروطی موشک استفاده می شود .

کامپوزیت های زمینه فلزی
در کامپوزیت های زمینه فلزی زمینه عبارت است از یک فلز انعطاف پذیر . برتری های این نوع کامپوزیت نسبت به کامپوزیت های زمینه پلیمری شاکل دمای عملکرد بالاتر ، شعله پذیر نبودن و مقاومت بیشتر در برابر تهاجم
سیالات آلی است . البته هزینه آنها بیشتر و در نتیجه استفاده از آنها محدود تر است .
از سوپر آلیاژها ، آلیاژهای آلومنییم و منیزیم ، تیتانیم و مس به عنوان مواد زمینه استفاده می شود . موادتقویت کنند ه ممکن است به شکل ذرات ، رشته های پیوسته و ناپیوسته و یا ویسکرها باشند که 10 الی 60% حجمی کامپوزیت را تشکیل می دهد رشته های پیوسته شامل کربن ، کاربید سیلیسیم ، بور ، آلومینا و فلزات دیر گداز است رشته های ناپیوسته از ذرات همین مواد تشکیل می شوند از یک جهت می توان سرمت ها را جز این ( MMC) ها قرار دارد .
خودرو سازان اخیرا در محصولات خود شروع به استفاده از کامپوزیتهای زمینه فلزی کرده اند به عنوان نمونه برخی قطعات موتور از زمینه آلیاژهای آلومینیم تقویت شده با رشته های آلومینا و کربن تولید شده که سبک وزن تر هستند و مقاومت آنها در برابر سایش و اعوجاج حرارتی بیشتر است استفاده از این نوع کامپوزیت ها در محورهای محرک که سرعت چرخش بالاتر و میزان کمتر سرو صدای ناشی از ارتعاش را به همرا دارد صورت گرفته است . صنایع هوا فضا نیز از این نوع کامپوزیت ها بهره می برد له عنوان نمونه در قطعات تلسکوپ فضائی هابل از رشته های گرافیتی پیوسته استفاده شده است .

کامپوزیت های زمینه سرامیکی
بدلیل مقاومت آلی در برابر اکسایش در دمای بالا ، با وجود احتمال شکست ترد ، بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنش های شدید است . به ویژه در قطعات موتور خودرو و توربین های گازی هواپیما . چرمگی شکست این کامپوزیت ها معمول است در حالی که در اغلب فلزات 15 است . چقرمگی شکست نسل جدید و توسعه یافته کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) که بصورت ذزه ای، رشته ای یا ویسکری از مواد سرامیکی است بهبود یافته و 6 رسیده است . این بدان دلیل است که ترکی که در زمینه ایجاد می شود توسط ذرات ، رشته ها یا ویسکرها نتنها اشاعه نمی یابد بلکه از اشاعه آن ممانعت به عمل مِی آید
به این امرکمک می کند.کامپوزیت های زمینه سرامیکی را با روش های پرسکاری گرم ، پرسکاری ایزوستاتیک گرم وزینتر کردن فاز مذاب تولید می کند آلومینا های تقویت شده با ویسکرهای SiC به عنوان ابزار برش در ماشین کاری آلیاژهای فلزی سخت استفاده می شود
سراميك­هاي پيشرفته داراي ويژگي­هاي مطلوبي مانند سختي، استحكام بالا، تحمل دماهاي بالا، خنثايي شيميايي، مقاومت در برابر فرسايش و چگالي كم هستند. ولي در برابر بارهاي كششي و ضربه ضعيف­ هستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطاف­پذيري نشان نمي­دهند و مستعد شكست تحت بارهاي مكانيكي و شوك حرارتي هستند. اگر مقايسه­اي بين سراميك­ها و ديگر مواد داشته باشيم، بايد گفت كه سراميك­ها تنها گروه از مواد هستند كه در دماهاي بالا قابل استفاده­اند و داراي سختي، استحكام و مدول الاستيك بالاتري از فلزات و پليمرها مي­باشند. همچنين چگالي، ضريب انبساط حرارتي و هدايت الكتريكي و حرارتي كمي دارند. به ويژه چگالي و انبساط حرارتي كم سراميك­ها اهميت زيادي در اغلب كاربردها دارد. كه اگر چه نسبت مدول الاستيسيتة تقويت‌كننده و زمينه در كامپوزيت­هاي زمينه فلزي و پلميري عموماً بين 10 و 100 است ولي براي كامپوزيت زمينه سراميكي، اين نسبت معمولاً برابر يك يا كمتر از آن است. نسبت مدول بالا در كامپوزيت­هاي زمينه فلزي و پليمري، سبب انتقال موثر بار از زمينه به تقويت­كننده مي­شود. در حالي كه در يك كامپوزيت سراميكي، زمينه و تقويت­كننده در توانايي تحمل بار اختلاف زيادي ندارد؛ به اين معنا كه هدف از ساخت كامپوزيت سراميكي، افزايش استحكام نيست. مگر آن­هايي كه زمينة آنها مدول الاستيسيتة كمي دارند ­(مانند زمينه­هاي شيشه­اي).

ازحوزه­هاي مهم در تهيه كامپوزيت­هاي زمينه سراميكي انواع گوناگون شيشه، شيشه‌سراميك­ها و سراميك­هايي همچون كربن، كاربيدسيليسيوم، نيتريدسيليسيوم، آلومينات­ها و اكسيدها. تقويت­كنندهاي مورد استفاده عبارتند از كاربيدها، بوريدها، نيتريدها و كربن. كامپوزيت­هاي زمينه سراميكي تنها كامپوزيت­هايي هستند كه بالاي 900 درجة سانتيگراد استحكام خود را حفظ مي­كنند. عمده­ترين كامپوزيت­هاي زمينه سراميكي عبارتند از: كامپوزيت­هاي كربن/كربن، كامپوزيت­هاي آلومينا/SiCو كامپوزيت­هايي با زمينهSi3N4 يا SiC تقويت شده با الياف پيوسته SiC و كربن.
معمولاً كاربرد كامپوزيت­هاي سراميكي به دو دستة هوافضايي و غيرهوافضايي تقسيم مي­شوند. در كاربردهاي هوافضايي مسالة اصلي، عملكرد كامپوزيت است. در حالي كه در كاربردهاي غير هوافضايي عامل قيمت بسيار مهم است.

كامپوزيت­هاي سراميكي با الياف پيوسته، عموماً داراي خواص مكانيكي ويژة بالايي هستند و مي­توانند در كاربردهاي هوافضايي دماي بالا به كار گرفته شوند. كامپوزيت­هاي كربن/كربن با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتي در شاتل­هاي فضايي استفاده شده است و كامپوزيت­هاي كاربيد سيليسيم/كربن مواد مناسبي براي هواپيماها هستند.

از كاربردهاي غير هوافضايي كامپوزيت­هاي سراميكي مي­توان به اجزاي موتورهاي دما بالا، مته و ابزار تراش، اجزاي مقاوم در برابر سايش، لوله اگزوز، نازل، لوله­هاي مبدل گرما و غيره اشاره كرد.

کامپوزیت های ساختاری
کامپوزیت های ساختاری معمولا از مواد کامپوزیتی و همگن تشکیل شده که خواص آن به مشخصه های مواد اچزا و طراحی هندسی عناصر ساختاری بستگی دارد دو زیر گروه معروف این نوع کامپوزیت ها ، کامپوزیتهای لایه ای و چند لایه ( ساندویچی ) است یک کامپوزیت لایه ای متشکل از ورق های پلاستیکی رشته های تقویت شده پیوسته وهمسو است . کامپوزیت ساندویچی متشکل از دو وجه یا ورق مستحکم بیرونی است که بین آنها ماده کم چگال که استحکام وسفتی کمتری دارد قرار گرفته است . مواد ورقه ها ی بیرونی معمولا از آلیاژهای آلومینیم ، پلاستیکهای تقویت شده رشته ای ، تیتانیم و فلاد است. مواد بین ورقه ها در برابر تغییر شکل عمود بر ورقها و نیز بصورت برشی مقاومت می کنند. این مواد بهشکل لانه زنبور و از جنس ورقهای بیرونی ساخته می شود.