บทความ

คอมโพสิทคืออะไร

30 พฤษภาคม 2565 เวลา 9:32

Cover Image

คอมโพสิต

คอมโพสิตคือวัสดุตั้งแต่สองชนิดขึ้นไปประกอบเข้าด้วยกัน โดยที่วัสดุที่เป็นส่วนประกอบแต่ละชนิดจะคงเอกลักษณ์เฉพาะ และคุณสมบัติทางโครงสร้างของตัวเองไว้ แต่เมื่อรวมกันแล้ว วัสดุที่ได้จะมีคุณสมบัติที่เหนือกว่าวัสดุที่เป็นส่วนประกอบ ตัวอย่างที่ดีของวัสดุคอมโพสิตในชีวิตประจำวันคือคอนกรีต คอนกรีตทำด้วยทราย กรวด หิน ปูน ซีเมนต์ หรือแม้แต่ใยแก้วที่ผสมกับซีเมนต์ ถ้าคอนกรีตแตกออก จะมองเห็นส่วนประกอบแต่ละส่วนได้ นอกจากนี้ยังสามารถปรับประเภทและปริมาณขององค์ประกอบแต่ละอย่างเพื่อให้คอนกรีตได้สมบัติที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการใช้งาน คำว่าคอมโพสิตในที่นี้คือคอมโพสิตลามิเนต คือการซ้อนวัสดุขึ้นเป็นชั้นๆ ซึ่งรวมเส้นใยและวัสดุเมทริกซ์ (เมทริกซ์คือส่วนที่เชื่อมเส้นใยเข้าด้วยกัน เช่น เรซิ่น กาว หรือซีเมนต์) ปัจจุบันมีวัสดุคอมโพสิตมากมายหลายประเภท ตัวอย่างหนึ่งคือ วัสดุคอมโพสิตพลาสติกเสริมแรงด้วยเส้นใย (Fibre-reinforced Plastic) ซึ่งทำด้วยเส้นใยแก้วแบบสั้นในพอลิเมอร์เรซินหรือเมทริกซ์พลาสติก วัสดุเหล่านี้ใช้ในอ่างอาบน้ำ ฝักบัว สระว่ายน้ำ ประตู บังโคลนรถ และวัสดุก่อสร้างต่างๆ รวมถึงแผ่นผนัง แผ่นลูกฟูก โปรไฟล์ และสกายไลท์

 

ไฟเบอร์ Fiber

• ความสามารถในการรับแรงดึง (Tensile strength)
• ความสามารถในการต้านทานการดัดงอ (Flexural stiffness)
• แตกหักค่อนข้างง่าย (Somewhat brittle)

เมทริกซ์ Matrix

• ความสามารถในการรับแรงอัด (Compressive strength)
• การรับแรงเฉือนระหว่างชั้น (lnterlaminar shear)
• การคงรูปร่าง (Controls shape)
• มีความหนาแน่นต่ำ (Low density)

คอมโพสิต Composite

• ความสามารถในการรับแรง เพิ่มสูงขึ้น (Increased strength)
• ความสามารถในการต้านทาน สูงขึ้น (Increased stiffness)
• ความทนทานที่เพิ่มมากขึ้น (Increased toughness)
• น้ำหนักเบา (Lightweight)

 

โครงสร้างคอมโพสิตที่มีการรับน้ำหนัก/รับแรงสูงมักใช้การเสริมเส้นใยแบบต่อเนื่องหรือใช้ไฟเบอร์เส้นยาว ซึ่งถ่ายน้ำหนักตามมัดหรือชั้นของเส้นใยที่จัดเรียงตามความยาวและความกว้างของโครงสร้าง แบบเดียวกับชั้นในแผ่นไม้อัด คอมโพสิตลามิเนตประเภทนี้ใช้ในการผลิตเรือ สะพาน สโนว์บอร์ด เฟรมจักรยาน รถแข่ง เครื่องบิน และโครงสร้างยานอวกาศ

 

 

ข้อดีของคอมโพสิต

ความสามารถในการรับแรงและความต้านทานการเสียรูป (Strength and stiffness) คอมโพสิตมักจะมีอัตราส่วนความแข็งแรงและความต้านทานการบิดงอต่อน้ำหนักตัวที่สูง โครงสร้างคอมโพสิตสามารถรับแรงได้ดีกว่าโลหะถึง 4-10 เท่า อย่างไรก็ตาม โครงสร้างน้ำหนักเบาไม่ได้ได้มาอน่างง่ายดายเพียงแค่ใช้คอมโพสิต การออกแบบและคำนวนทางวิศวกรรมเป็นสิ่งจำเป็น เพราะในการคำนวนนั้นมีการเทรดออฟมากมายเพื่อให้ได้โครงสร้างที่มีน้ำหนักเบาอย่างแท้จริง

โครงสร้างที่มีประสิทธิภาพสูงสุด เพราะเส้นใยสามารถถูกวางลำดับการเรียงทั้งในแนวดิ่งและในแนวราบได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อรับน้ำหนักแต่ละจุดโดยเฉพาะ การคำนวนที่แม่นยำทำให้สามารถสร้างโครงสร้างประสิทธิภาพสูง การเลือกวัสดุเมทริกซ์จะสอดคล้องกับสภาพแวดล้อมการใช้งาน (เมทริกซ์กำหนดความสามารถด้านการทนอุณหภูมิของชิ้นงาน)

การใช้งานที่หลากหลาย มีการพัฒนาวัสดุคอมโพสิตที่ไม่เพียงแต่ให้โครงสร้างที่รับน้ำหนักที่เบาเท่านั้น แต่ยังรวมฟังก์ชันเพิ่มเติมอีกมากมาย เช่น ความสามารถในการตรวจสอบสภาพโครงสร้าง การนำความร้อนและ/หรือการนำไฟฟ้า การผลิต/การจัดเก็บพลังงาน ความทนทานต่อแรงกระแทก การลดเสียง วัสดุที่สามารถรักษาตัวเอง และ การเปลี่ยนแปลงรูปร่าง

ความต้านทานความล้า (Fatigue) การสั่นสะเทือนหรือการกระทำซ้ำๆก่อให้เกิดความล้า โครงสร้างคอมโพสิตนั้นไม่ได้รับผลกระทบจากความล้าเหมือนโลหะ การใช้งานในโครงสร้างที่มีความล้าสูงเป็นเหตุผลหนึ่งที่คอมโพสิตมักมีอยู่ในโครงสร้างเช่นใบพัดของเฮลิคอปเตอร์ อย่างไรก็ตาม คอมโพสิตอาจมีอาการจากความล้าโดยเฉพาะบริเวณที่ยึดและสลักยึดชิ้นส่วน การออกแบบอย่างระมัดระวังและการควบคุมกระบวนการผลิตที่ดีเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มั่นใจถึงอายุการใช้งานที่ยาวนานของวัสดุคอมโพสิต 

ปัญหาด้านการกัดกร่อน คอมโพสิตนั้นไม่เป็นสนิมจึงเป็นที่นิยมในอุตสาหกรรมทางทะเล สิ่งนี้ยังเกี่ยวข้องกับโรงงานเคมี การจัดเก็บเชื้อเพลิงและการวางท่อ รวมถึงการใช้งานอื่นๆ ที่ต้องใช้ความทนทานทางเคมี

รูปทรงที่ซับซ้อน วัสดุคอมโพสิตสามารถขึ้นรูปได้ง่าย คอมโพสิตสามารถขึ้นรูปเป็นรูปทรงต่างๆ ได้เกือบทุกรูปทรง โดยปกติแล้วจะค่อนข้างง่ายและไม่มีการสูญเสียคุณสมบัติทางโครงสร้าง โครงสร้างที่ซับซ้อนแบบชิ้นเดียวไร้รอยต่ออย่างแท้จริงสามารถทำได้โดยใช้เครื่องมือที่เหมาะสม

จำนวนชิ้นส่วนที่ลดลง โครงสร้างคอมโพสิตแบบไร้รอยต่อมักจะมาแทนที่การประกอบแบบหลายส่วน ซึ่งช่วยลดจำนวนชิ้นส่วนและการเชื่อมได้อย่างมาก รวมถึงต้นทุนในการจัดหาชิ้นส่วนและการผลิต บางครั้งการผลิตแบบยึดด้วยเทอร์โมพลาสติกหรือเชื่อมด้วยเคมีสามารถลดการเชื่อมต่อด้วยน๊อตได้เกือบทั้งหมด ลดจำนวนชิ้นส่วนและระยะเวลาในการผลิต

ต้นทุนเครื่องมือที่ต่ำกว่า คอมโพสิตจำนวนมากผลิตขึ้นโดยใช้โมลฝาเดียวที่ทำจากคอมโพสิตหรือโลหะผสม เมื่อเทียบกับการใช้โมลโลหะแบบหลายชิ้นที่มีราคาแพงกว่า การใช้เครื่องมือหนัก หรือใช้ชุด die แม่พิมพ์สองด้านขนาดใหญ่ซึ่งปกติจำเป็นสำหรับการฉีดขึ้นรูปพลาสติกและกระบวนการขึ้นรูปโลหะ

พื้นผิวเรียบตามหลักอากาศพลศาสตร์ โครงสร้างที่ยึดติดด้วยเคมีให้พื้นผิวที่เรียบกว่าการยึดด้วยน๊อต ผิวคอมโพสิตจะเพิ่มประสิทธิภาพตามหลักอากาศพลศาสตร์ ในขณะที่โครงสร้างโลหะขนาดใหญ่ที่มีผิวบางอาจมีการโก่งงอระหว่างจุดยึดถ้ามีน้ำหนักบรรทุก (เช่น "การบรรจุน้ำมัน")

การล่องหนต่อเรดาห์ หรือ "stealth" วัสดุคอมโพสิตบางชนิดสามารถดูดซับเรดาร์และสัญญาณโซนาร์ได้ ดังนั้นจึงลดหรือขจัด "การสังเกต" ด้วยวิธีอิเล็กทรอนิกส์ วัสดุอื่นๆ จะ "ล่องหน" สำหรับเรดาร์และทำงานได้ดีเหมือน "หน้าต่าง" ของเรดาร์ในการผลิตฝาครอบเรดาห์ต่างๆ

 

 

ตัวอย่างการใช้คอมโพสิตในงานต่างๆ

ส่วนประกอบขนาดใหญ่ของเครื่องบินพาณิชย์ - เช่น หางเครื่องบินแนวตั้งและแนวนอน (ตัวกันโคลง) บน Airbus A320, A330/340, A380 และ Boeing 777, ปีก, กล่องปีกกลาง และลำตัวสำหรับเครื่องบินโบอิ้ง 787 Dreamliner และ Airbus A350 และอื่นๆ โครงสร้างบนยานบินขนาดเล็กจำนวนมาก เช่น ปีกของเครื่องบินโดยสาร Bombardier C Series
   
โครงสร้างหลักขนาดใหญ่บนเครื่องบินทหาร - เช่น ปีกและประตูตู้สินค้าสำหรับเครื่องบินขนส่ง Airbus A400M , ลำตัว/ปีกสำหรับเครื่องบินทิ้งระเบิด B-2 Spirit Stealth , ใบพัดและลำตัวด้านท้ายสำหรับใบพัดแบบเอียงได้ของ V-22 Osprey รวมถึง ลำตัวและปีกส่วนใหญ่สำหรับเครื่องบินขับไล่ F-22 Raptor และ F-35 Joint Strike
   
ส่วนประกอบอื่นๆ มากมายบนเครื่องบินโดยสารสมัยใหม่ - เช่น เรโดม ส่วนควบคุมการบิน สปอยเลอร์ เกียร์ลงจอด ประตู, แฟริ่งปีกสู่ลำตัว, ประตูผู้โดยสารและสินค้า, ขอบท้าย ปลายปีก และภายในห้องโดยสารเครื่องบิน
   

 

เรือเดินทะเลขนาดใหญ่และโครงสร้างเรือต่างๆ - รวมถึงตัวเรือ ดาดฟ้า และโครงสร้างส่วนบนของเรือทหารและเรือพาณิชย์ ตลอดจนเสากระโดงคอมโพสิต (โครงสร้างคาร์บอนไฟเบอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกอย่างหนึ่งคือเสาสูง 290 ฟุตของเรือยอทช์ Ms) เสากระโดงและฟอยล์ ,ใบพัดและเพลาใบพัด
 

 

 

ส่วนประกอบหลักของเฮลิคอปเตอร์ รวมถึงใบพัดและแกนหมุนทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ และใยแก้วแก้วอีพ็อกซี่คอมโพสิตตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980 คอมโพสิตหนักเป็น 50-80% ของโครงเฮลิคอปเตอร์ รวมถึงเรโดม หางท้าย และส่วนประกอบชิ้นใหญ่ต่างๆ ตัวอย่างเช่น Bell Helicopter Textron's 429 corporate/EMS/utility Helicopter ใช้คอมโพสิตกับแผงด้านข้าง แผ่นพื้น ผนังกั้น หน้าจมูก ประตู แฟริ่ง คาลิ่ง และที่กันโคลง ส่วนใหญ่ทำมาจาก คาร์บอนไฟเบอร์/อีพ็อกซี่ทั้งหมด

 

 

 

 

การผลิตใบพัดกังหันลม - นั้นใช้ใยแก้วและเรซิ่น (อีพ็อกซี่ โพลีเอสเตอร์หรือโพลียูรีเทน) บวกกับคอร์(วัสดุเสริมแรงในแกนกลาง) เช่น ไม้บัลซ่าหรือโฟม เพื่อสร้างโครงสร้างแบบแซนด์วิชที่มีน้ำหนักเบาแต่แข็งแรง ใบพัดทำด้วยเรซิ่นอินฟิวชั่นหรือพรีเพก คาร์บอนไฟเบอร์จะถูกใช้มากขึ้นเมื่อใบพัดยาวขึ้น ตัวอย่างเช่น LM Wind Power สร้างใบพัดยาว 88.4 เมตรที่ใช้กับกังหัน Adwen 8 MW และกำลังจะสร้างใบพัดยาว 107 เมตรสำหรับกังหัน Haliade-X 12 MW ของ GE ใบพัดจะเรียวขึ้นและมีคุณสมบัติการตัดอากาศมากขึ้น โดยแผ่นใบพัดจะมีการปรับให้เหมาะกับสภาพอากาศโดยเฉพาะ

   

 

ขีปนาวุธและยานอวกาศ - ต้องพึ่งพาโครงสร้างคาร์บอนคอมโพสิตเป็นอย่างมาก เนื่องจากมีอัตราส่วนความแข็งแกร่งและความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงมาก ตลอดจนค่าการขยายตัวทางความร้อน (CTE) ที่สูงเช่นกัน การใช้คาร์บอนทำให้ทนต่ออุณหภูมิที่ร้อน/เย็นจัดในอวกาศ จรวดในตระกูล Delta ได้ใช้โครงสร้างคาร์บอนไฟเบอร์และอีพ็อกซี่ผลิตมากว่าสิบหกปีแล้ว จรวด Pegasus เป็นจรวดคอมโพสิตตัวแรกที่เข้าประจำการ ได้ใช้ผิวคาร์บอน/อีพ็อกซี่และแกนอะลูมิเนียมรังผึ้ง ในการผลิตแฟริ่งส่วนรับน้ำหนักซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 4.2 ฟุต/ 1.3 เมตร และความยาว 14.2 ฟุต/ 4.3 เมตร 

ยานอวกาศ Chandra X-ray Observatory มีโครงสร้างคอมโพสิตจำนวนมาก รวมถึงชุดฐานรองเลนส์ ปลอกรองกระจก โครงอุปกรณ์/เครื่องมือ และกล่องกันความร้อนของกล้องโทรทรรศน์ กล้องโทรทรรศน์ James Webb Space Telescope (JWST) รุ่นต่อไป ใช้ไซยาเนตเอสเทอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์กับ ฐานรองรับข้างหลัง ที่บังแดดพับได้ และวัสดุคอมโพสิตอื่นๆ ในการออกแบบโครงสร้างยานหลัก

 

การใช้งานในยานยนต์ - มีตั้งแต่แชสซีโมโนค็อก พลาสติกเสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) และเพลาขับในรถแข่งและรถสปอร์ตระดับไฮเอนด์ ไปจนถึงการใช้งานคาร์บอนคอมโพสิตที่มีโครงสร้างและสวยงามที่เลือกไว้ในรุ่นหรูหราซึ่งมีการผลิตจำนวน้อย ไปจนถึงการใช้ผลิตในปริมาณมาก เช่น โพลียูรีเทนเสริมใยแก้ว และคอยล์สปริง ใยแก้ว/epoxy

 

 

 

การใช้ผลิตบางส่วนในรถยนต์ตลาด - ได้แก่ หลังคาสำหรับรุ่น M3 และ M6 ของ BMW, ฝากระโปรงและบังโคลนสำหรับ LeMans Commemorative Edition Z06 ของ Corvette, ฝากระโปรงหน้าและที่นั่งด้านในสำหรับ Ford GT, คอยล์สปริงคอมโพสิตสำหรับ 2015 Audi A6 Avant 2.0 TDI ultra และ เพลาหน้าและหลัง (จริงๆ แล้วเรียกว่า "ใบมีดระบบกันสะเทือนแบบมัลติฟังก์ชั่น" เนื่องจากมีระบบกันสะเทือน พวงมาลัย ระบบป้องกันการสั่นสะเทือน/เสียงรบกวน และเหล็กกันโคลง) สำหรับ Peugeot 208 FE นอกจากนี้ยังมีตลาดที่สำคัญ ในการผลิตชิ้นส่วนคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่จำหน่ายเป็นอุปกรณ์แต่งรถ ซึ่งรวมถึงบางบริษัทที่ผลิตล้อคาร์บอนไฟเบอร์ในปริมาณมาก

 

 

 

สินค้ากีฬา - เช่น จักรยาน ไม้เทนนิส และไม้กอล์ฟ ใช้ประโยชน์จากคาร์บอนไฟเบอร์มาเป็นเวลาหลายทศวรรษ ไม้เทนนิส ก้านไม้กอล์ฟ และไม้ฮอกกี้ส่วนใหญ่ผลิตขึ้นโดยใช้คาร์บอนไฟเบอร์ วัสดุคอมโพสิตยังพบได้ทั่วไปในไม้เบสบอล ลูกธนู สโนว์บอร์ด และสกี และมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในหมวกกันน็อค ไหล่และสนับแข้ง แนวโน้มล่าสุดในสินค้ากีฬา ได้แก่ การใช้เส้นใยแผ่(spread-tow) วัสดุนาโน และวัสดุชีวภาพ ตลอดจนฟังก์ชันอเนกประสงค์ที่เพิ่มขึ้น เช่น การลดแรงสั่นสะเทือนเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและการควบคุมอุปกรณ์

   

 

อุปกรณ์ทางการแพทย์ - ยังคงกระตุ้นความก้าวหน้าของวัสดุคอมโพสิตชนิดใหม่ เช่น  ENDOLIGN™ เส้นใยคาร์บอนแบบต่อเนื่อง / PEEK วัสดุเทอร์โมพลาสติกชีวภาพจาก Invibio Biomaterial Solutions ซึ่งใช้เป็นทางเลือกแทนโลหะในการพัฒนาแอปพลิเคชันรับน้ำหนัก ในการรักษา/ศัลยกรรมกระดูก และกระดูกสันหลังเทียม คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ยังถูกนำมาใช้ในการถ่ายภาพทางการแพทย์และอุปกรณ์เสริมต่างๆ เนื่องจากมีความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา ในขณะเดียวกันก็ช่วยลดปัญหาด้านภาพ เช่น การลดสัญญาณรบกวน คอมโพสิตยังถูกนำไปใช้ใน ขาเทียม แขนเทียม กายอุปกรณ์เสริมต่างๆ และพวกเครื่องมือผ่าตัด ผ่านการพิมพ์ 3 มิติ

 

 

 

โครงสร้างทางวิศวกรรมโยธา - มีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในการใช้วัสดุคอมโพสิต การซ่อมแซมและเสริมความแข็งแรงของเสา คาน แผ่นพื้นคอนกรีต และโครงสร้างสะพาน ด้วยการห่อหุ้มคาร์บอนไฟเบอร์ได้กลายเป็นสิ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปมากขึ้น พวกเขามีการซ่อมแซมที่ทนต่อสารอัลคาไลน์ ซึ่งซ่อมได้เร็วกว่าและเสียค่าใช้จ่ายน้อยกว่าเนื่องจากน้ำหนักที่เบา เส้นใยคาร์บอนในสายเคเบิลกำลังพัฒนาเช่นกัน โดยให้ความแข็งแกร่งและความแข็งแรงที่สูงด้วยน้ำหนักที่น้อยที่สุด ตลอดจนความต้านทานต่อสภาพอากาศที่ดีเยี่ยม

 

 

 

โครงสร้างคอมโพสิตที่ใช้สารเติมแต่ง ได้เสนอวิธีการที่ประหยัดต้นทุนในการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างที่มีรูปทรงที่ซับซ้อน โดยใช้สารประกอบเทอร์โมพลาสติกที่เสริมด้วยใยเส้นสั้นหรือเส้นใยแบบต่อเนื่อง

   

 

 

 

เรียบเรียงจาก Dorworth, L. C., Gardiner, G. L., & Mellema, G. M. (2019). Essentials of advanced composite fabrication and repair.

แปลโดย Neotech Composites Co.,Ltd.

ผู้ผลิตของเรา

เมเยอร์ เรซิ่น Mayor Resinอลัน ฮาร์เปอร์ Alan Harperนอร์ด คอทโพสิท Nord Compositesฟาเรคลา Fareclaโซลเวย์ ไซเทค Solvay Cytexเอ็กเซล Axel plasticsไดอะเทค Diatexแลนทอร์ Lantorชิงเต่า โพลี Qingdao Polysจูชิ Jushiซีพีไอซี CPICพีจีไอ PGIซีเอ็นบีเอ็ม CNBMนิด้าพลาส Nidaplastอาฟโคน่า Afconaไดแอพ Diabกูริท Guritฟรีแมน Freeman Supply Co.อาทิตยา เรซิ่น Aditiya Resinโรบูโซ Robusoฟอร์โมซ่า Formosa Taffetaเอ็นเจ โรบินสัน NJ Robinsonเท็กโซนิก Texonicโพรเทค Protech

139 ซ. พระยาสุเรนทร์ 30 ถ.พระยาสุเรนทร์ แขวงบางชัน เขตคลองสามวา กรุงเทพ 10510

02-5174955-6

© Neotech Composites 2021
QR เฟสบุ๊ค
@neotechcomposite
เพจเฟสบุ๊ค
QR ไลน์
@neotech
เพิ่มเพื่อนในไลน์
© Neotech Composites 2021