مقدمه
در طبقه‌بندی مواد بر اساس ساختار و ویژگی، گروه‌هایی چون عنصر و ترکیب، ساده و مرکب، خالص و مخلوط و ... قرار می‌گیرند. با این حال، گاه با موادی روبهرو می‌شویم که خواصشان سازگاری کامل با هیچ‌یک از این گروه‌ها ندارند؛ از جمله موادی که در عین حال، شباهت‌هایی به مخلوط‌ها دارند. امروزه این گروه از مواد را که به سرعت بر شمارشان افزوده می‌شود و به چندسازه1 شهرت یافته‌اند، می‌توان جامدهایی غیر یکنواخت تشکیل‌یافته از دو یا چند ماده با خواص کاملاً متفاوت تعریف کرد. از آنجا که در چنین موادی، ساختار و خواص فیزیکی و شیمیایی هر یک از اجزا بی‌تغییر می‌ماند، ممکن است چندسازه نمونه‌ای خاص از یک مخلوط به نظر برسد، اما چنین نیست؛ برخلاف مخلوط‌ها در یک چندسازه، مرز جداکننده اجزای سازنده به روشنی مشخص است.
این اجزا نه در یکدیگرحل شده‌اند و نه ترکیب تشکیل داده‌اند، بلکه فقط در یکدیگر ادغام شده‌اند؛ از این رو، ماهیت خود را به عنوان جزئی جداگانه در مجموعه حفظ کرده‌اند، برعکس آنچه در مخلوط‌ها حاکم است.
تاریخچه استفاده از چندسازه‌ها به زمانی بسیار پیشتر از شناخت نمونه‌های امروزی باز می‌گردد. آجر، سیمان، پشم شیشه، الیاف کربن، تخته سه‌لا و ... نمونه‌هایی از این مواد به شمار می‌روند. پیش‌بینی می‌شود تولید متنوع و فراوان این مواد که هم‌اکنون صنعتی عظیم را به خود اختصاص داده است. در آینده با توسعه چشمگیر و شتابانی همراه باشد.
چندسازه‌های باستانی
چندسازه خانواده بزرگ و پرجمعیتی است که نخستین اعضای آن، موادی طبیعی بوده‌اند. برای نمونه، یک قطعه چوب چندسازه‌ای شامل رشته‌های سلولزی است که به کمک یک پلیمر طبیعی به نام لیگنین در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. ساده‌ترین چندسازه ساخت بشر که 1500 سال پیش از میلاد به دست مصریان باستان ساخته شد؛ نوعی آجر است که از آمیختن گل و لای به دست می‌آمد و چنانکه از بقایای بناهای مربوط به این دوران بر می‌آید، از دوام زیادی برخوردار بود. دستاوردی دیگر که به همین دوران نسبت داده می‌شود نوعی تخته سه‌لا بوده است که سازندگان آن ساکنان سرزمین‌های میان دو رود دجله و فرات بوده‌اند و برای تهیه آن، قطعه‌های چوب را در جهت‌های مختلف به هم می‌چسباندند. در بازه زمانی حدود سال‌های 2050 تا 2118 پیش از میلاد، نوعی ماسک در مصر باستان ساخته می‌شد که در تهیه آن، رشته‌های کتان و پاپیروس را به گچ آغشته می‌کردند.
درباره سیمان و بتن که از مصالح رایج و پرکاربرد روزگاران دور هستند، مطالبی در متون مربوط به 25 قرن پیش از میلاد آمده است؛ از آن جمله سندی از ویترویوس2 مهندس روم باستان، درباره نمونه‌ای از سیمان تقویت‌شده با فلز است. برخی از فرمول‌های معرفی‌شده در این اسناد کارایی بهتری از انواع امروزی، حتی سیمان پورتلند، از خود نشان می‌دهند.
نخستین چندسازه‌ها پس از میلاد، کمان‌هایی بودند که به عنوان ابزار جنگی در سال 1200 میلادی ساخته می‌شدند. مغول‌ها در ساخت این ابزار مواد مختلفی مثل چوب، رزین، گیاه بامبو، اعضای بدن جانوران همچون استخوان و شاخ گاو را به شکل فشرده در می‌آوردند و با مواد طبیعی چسبناک مانند رزین کاج می‌چسباندند. سپس پوست درخت توسکا را روی آن می‌پیچیدند. کاربرد این ابزار تا زمان معرفی سلاح‌های گرم در قرن چهاردهم ادامه داشت و به عنوان هراس‌انگیزترین سلاح‌های آن دوران، قدرت نظامی و چیرگی مغول‌ها را در دوره چنگیزخان تضمین کرد. نخستین بنا از بتن تقویت‌شده با آهن، سال1853 ساخته شد. پیشتاز این ایده فرانکویز کاگنیت3، صنعتگر فرانسوی بود.
ورود پلاستیک به دنیای چندسازه
گسترش صنعت چندسازه ارتباطی تنگاتنگ با صنایع مواد مصنوعی از نوع پلیمر، پلاستیک و رزین‌های مصنوعی داشت. کشف فرایند پلیمرشدن در آغاز دهه 1900، چهره صنایع شیمیایی را دگرگون کرد و تولید نخستین رزین‌های مصنوعی شامل ملامین، سلولوئید و باکلیت4 موجب توسعه تهیه فراورده‌های ترکیبی شد. پس از آن پلاستیک‌هایی همچون پلی‌وینیل‌کلرید، پلی‌استایرن، پلی‌فنول‌ها و پلی‌استرها معرفی شدند که ترکیب‌هایی بادوام و کاراتر نسبت به پلیمرهای طبیعی بودند، اما برای کاربردهای ساختاری استحکام کافی نداشتند.
در این حال، دو اختراع که به فاصله حدود دو دهه از یکدیگر روی دادند، توجه پژوهشگران را به امکان بهینه‌سازی خواص این پلیمرهای مصنوعی جلب کردند که همان ایده تقویت پلیمرها از راه ادغام آن‌ها با مواد مناسب بود.
هنگامی که لئو باکلند5 سال 1907 باکلیت، یکی از نخستین پلیمرهای مصنوعی را تهیه کرد، دوره جدیدی در تولید چندسازه‌ها آغاز شد.
این پلیمر بسیار شکننده بود، اما باکلند دریافت که با افزودن سلولز، می‌توان به آن نرمی و انعطاف بخشید. این اقدام امکان تقویت پلیمرها را در شکل خام و اولیه آن به میان آورد، درحالی که به زمان اجرای آن، یعنی اختراع پشم شیشه، هنوز دو دهه دیگر باقی مانده بود.
سال 1932، جیمز اسلیتر6، مهندس و پژوهشگر شرکت اوونز ایلینویز7، جریانی از هوای فشرده را به توده‌ای از شیشه مذاب هدایت کرد که به طور تصادفی به تولید پشم شیشه یا فایبر گلاس8 منجر شد.
در جریان این فرایند، مقدار زیادی گاز در میان رشته‌های شیشه به دام می‌افتاد و به فراورده خاصیت نارسانایی در دمای بالا می‌بخشید.
این روش تهیه سال 1936 به ثبت رسید. البته زیربنای عملی آن را هرمان هامسفر9 پایه‌گذاری کرده بود؛ مخترع و طراح نوآور نوعی پارچه که از الیاف شیشه و ابریشم بافته می‌شد. گرچه این پارچه در صنعت پوشاک کاربرد نیافت، اما فناوری نخ نامرئی یا نخ شیشه‌ای انعطاف‌پذیر را رواج داد. این اختراع سال 1880به ثبت رسید و به سبب آن، امروزه هامسفر به پدربزرگ فیبر نوری شهرت یافته است.
معرفی پشم شیشه در دهه1930، صنعت پلیمرهای تقویت‌شده با الیاف10 را راه‌اندازی کرد. سال 1936 شرکت دوپون11، رزینی مناسب برای ادغام با پشم شیشه ساخت. نقش رزین کاهش محتوای گاز به دام افتاده بود. سپس رزین فضای ایجاد‌شده را پر می‌کرد و کنار ماده تقویت‌کننده قرار می‌گرفت.
جنگ، مجال یک شکوفایی بی‌سابقه
وقوع جنگ جهانی دوم و نیازمندی‌های حوزه دفاعی و نظامی، توجه به کارایی چندسازه‌ها و تولید فراورده‌های مهندسی‌شده را چند برابر کرد. ویژگی‌های بی‌مانند چندسازه‌ها به عنوان موادی سبک و در عین حال بادوام، چنان در رفع این نیازها سودمند شناخته شد که پلیمرهای تقویت‌شده را از آزمایشگاه‌ها و حوزه‌های صرفاً پژوهشی، به‌طور جدی روانه عرصه تولید کرد. پیش از جنگ، لایه‌های نازک چوبی و پلاستیکی در ساخت بال هواپیماها کاربرد داشتند. استفاده از فایبرگلاس (فیبر شیشه) برای کاهش وزن و جلوگیری از خوردگی در شرایط جوی، به عنوان جایگزینی مناسب در هواپیماهای نظامی با استقبال روبهرو شد. در همین حال شیمی‌دانان به یافته ارزشمند دیگری درباره فایبرگلاس دست یافتند. این چندسازه که در برابر بسامدهای (فرکانس‌های) رادیویی همچون جسمی شفاف رفتار می‌کرد، در ایجاد گنبدهای رادار و تجهیزات الکترونیکی کارایی مناسبی از خود نشان می‌داد و تا دهه 1950 در این عرصه خوش درخشید.
به نظر می‌رسید با پایان جنگ و کاهش تقاضا، رکودی چشمگیر دامنگیر تولید چندسازه‌ها شود، اما گویی اقبالی همیشگی در سرنوشت این مواد نگاشته شده بود، چنان که نوآوران همچنان با بلندپروازی، پیگیرانه تلاش کردند تا چندسازه‌ها را روانه بازارهای هوافضا، ساخت و ساز و حمل و نقل کنند. این تلاش‌ها به ثمر رسید و تقاضای روزافزون برای فراورده‌ها با خواص ویژه همچون پایداری در برابر خوردگی، گرما و جریان برق سبب حفظ رونق صنعت چندسازه شد.
سال1937، نخستین قایق با بدنه‌ای از جنس چندسازه ساخته شد، اما به دلیل شکنندگی، برای این کاربرد به مناسب‌سازی نیاز داشت. پس از آن، ساخت یک قایق مسافربری در روسیه و بال هواپیما در ایالات متحده گزارش شد.
با ادامه پژوهش‌ها در دهه‌های 1940 و 1950، فراورده‌های مناسب برای ساخت تخته موج سواری، ریل قطار، لوله انتقال آب و تجهیزات پزشکی معرفی شدند. سال 1946 نخستین خودرو با بدنه‌ای از جنس فایبرگلاس تولید شد که به مرحله تولید راه نیافت، ولی در سال 1953 به معرفی شورولت کورت انجامید. این موفقیت سبب توسعه چند روش قالب‌گیری و فشرده‌سازی ارزشمند و پرکاربرد در صنعت شد.
در دهه 1960، بازار دریایی بزرگ‌ترین مصرف‌کننده چندسازه شمرده می‌شد. در آغاز این دهه، نخستین الیاف کربنی به ثبت رسید و تا دهه بعد که به صورت تجاری در دسترس قرار گرفت، به عنوان ماده‌ای مناسب برای تقویت خواص چندسازه‌ها، کاربردهای گسترده‌ای یافت که ساخت خودرو، تولید کالاهای ورزشی و جلیقه‌های ضد گلوله از آن جمله بود. صنعت خودرو در عرصه استفاده از چندسازه‌ها چنان پیشرفت کرد که تا دهه بعد به عنوان بزرگ‌ترین مصرف‌کننده این فراورده، از بازار دریایی پیشی گرفت.
دهه 1980 شاهد کاربرد چندسازه‌ها در زیرساخت‌های عمومی بود؛ در سراسر جهان پل‌های بتنی کاملاً ساخته‌شده از چندسازه‌ها بنا شد. نخستین نمونه از این مجموعه، پل عابر پیاده در اسکاتلند بود که سال 1990 به بهره‌برداری رسید.
ویژگی‌های ممتاز چندسازه‌ها تا قرن 21، آن‌ها را از حد جایگزین‌های به‌صرفه برای فلز، چوب و پلاستیک‌های گرماسخت13 و گرمانرم14 فراتر برد و بهبود خواص مکانیکی، نارسانایی گرمایی و الکتریکی را درعرصه‌های صنعتی گوناگون تأمین کرد.
ساختار کلی یک چندسازه
هر چندسازه از سه جزء ساخته می‌شود:
- ماتریس یا فاز پیوسته؛ در تأمین این بخش معمولاً از سرامیک، فلز یا پلیمر استفاده می‌شود. پلیمرهای رایج در این زمینه، پلاستیک‌های گرمانرم و گرماسخت هستند، ولی انواع گرمانرم بیشتر به کار می‌روند.
- تقویت‌کننده یا فاز پراکنده؛ الیاف شیشه یا کربن گزینه‌های متداول این بخش هستند.
- فضای رابط ظریف.
انتخاب درست و هوشمندانه هر یک از این اجزاء امکان طراحی فراورده‌های بی‌شمار با ویژگی‌های مناسب و کاربردهای دلخواه را برای برآوردن نیازها فراهم می‌کند.
پایان کلام
با آغاز قرن 21، چندسازه‌ها تقریباً به همه جنبه‌های زندگی روزانه راه یافته‌اند، چنانکه در ساخت هر آنچه در پیرامون خود می‌بینیم از ساختمان‌ها گرفته تا هواپیماها و سفینه‌های فضایی حضوری چشمگیر دارند. ساده‌ترین اقدام ممکن یعنی درآمیختن مواد با یکدیگر، دسترسی به ویژگی‌هایی را عملی کرده است که قبلاً رویایی بیش نبوده‌اند. از آن جمله بتن‌ها را می‌توان نام برد که با داشتن استحکام زیاد برای بنانهادن زیرساخت‌های عمومی مانند پل‌ها مناسب هستند.
با دسترسی به امکان طراحی و مهندسی مواد، توسعه چندسازه‌ها همچنان در حال پیشروی است. این صنعت عظیم هم‌اکنون پشتیبان فناوری‌هایی است که هرگز دسترسی به آن‌ها را ممکن نمی‌شمردیم.
پیشرفت در تولید چندسازه‌ها با خواص مناسب، می‌تواند موجب تحول شرایط زندگی شود و جوامع را به سوی پیشرفت پایدار سوق دهد. پژوهش‌ها در عرصه نانوچندسازه‌ها بر توسعه باتری‌های قوی، مواد الکترونیکی انعطاف‌پذیر، مواد مستحکم با حداقل وزن برای حوزه‌های نظامی دفاعی و هوافضا، تجهیزات پزشکی و ساخت اندام‌های مصنوعی بهبود‌یافته متمرکز شده است. همچنین ساخت این مواد به توسعه مواد سازگار با محیط زیست، مانند پلیمرهای زیستی و قابل بازیافت کمک کرده است.
استفاده از فناوری چندسازه‌ها در شکل‌گیری تمدن‌های کهن نیز مؤثر بوده است و همچنان به ایفای نقش خود در پیشرفت‌های آینده ادامه می‌دهند. کسی چه می‌داند؟ شاید چندسازه‌ها همان موادی باشند که با رفع مشکلات، ادامه حیات را در زمین امکان‌پذیر کنند.
پی‌نوشت‌ها
1. Composite
2. Vitruvius
3. Coignet,F.
4. Bakelite
5. Baekeland, L.
6. Slater, J.
7. Owens-Illinois
8. Fiberglass
9. Hammesfehr, H.
10. Fiber Reinforced Polymer,FRP
11. Du Pont
12. Aberfeldy
13. Thermoset
14. Thermoplastic
15. Russell
منابع
1. History and evolution of composite materials-Thought Co. www.thoughtco.com>history...
2. History of composites-composites 101|Composites Lab Compositeslab.com
3. Introduction to composite materials-Intech Open www.intechopen.com>chapter...