مقاله در مورد آشنایی با مواد کامپوزیت ومروری بر کاربردهای آن در صنعت

بخشی از مقاله

آشنايي با مواد كامپوزيت ومروري بر كاربردهاي آن در صنعت

تاريخچه
قديمي ترين مثال از كامپوزيت ها مربوط به افزودن كاه به گل جهت تقويت گل و ساخت آجري مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است . قدمت اين كار به 4000 سال قبل از ميلاد مسيح باز مي گردد . در اين مورد كاه نقش تقويت كننده و گل نقش زمينه يا ماتريس را دارد . ارگ بم كه شاهكار معماري ايرانيان بوده است . نمونه بارزي از استفاده از تكنولوژي كامپوزيت ها در قرون گذشته بوده است . مثال ديگر تقويت بتن توسط ميله هاي فولادي مي باشد . كه قدمت آن به سال 0081 ميلادي باز مي گردد . در بتن مسلح يا تقويت شده ميله هاي فلزي استحكام كششي لازم را در

بتن ايجاد مي نمايند چرا كه بتن يك ماده ترد مي باشد و مقاومت اندكي در برابر بارهاي كششي دارد . بدين ترتيب بتون وظيفه تحمل بارهاي فشاري و ميله هاي فولادي وظيفه تحمل بارهاي كششي را بر عهده دارند .
تاريخچه مواد پليمري تقويت شده با الياف به سالهاي 1940 در صنايع دفاعي و به خصوص كاربردهاي هوا– فضا بر مي گردند براي مثال در سال 1945 بيش از 7 ميليون پوند الياف شيشه به طور خاص براي صنايع نظامي ، مورد استفاده قرار گرفته است . در ادامه با توجه به مزاياي آنها ، به صنايع عمومي نيز راه يافتند .
تعريف كامپوزيت
تركيب دو يا چند ماده با يكديگر به طوري كه به صورت شيميائي مجزا و غير محلول در يكديگر باشند و بازده و خواص سازه اي اين تركيب نسبت به هريك از اجزاء تشكيل دهنده آن به تنهايي ، در موقعيت برتري قرار بگيرد را كامپوزيت مي نماند . به عبارت ديگر كامپوزيت به دسته اي از مواد اطلاق مي شود كه آميزه اي از مواد مختلف و متفاوت در فرم و تركيب باشند و اجزاء تشكيل دهنده آ

نها هويت خود را حفظ كرده ، در يكديگر حل نشده ، با هم ممزوج نمي شوند . با توجه به اين امر كامپوزيت از آلياژ فلزي متفاوت مي باشد . بنابراين كامپوزيت تركيبي است از حداقل دو ماده مجزاي شيميايي با فصل مشترك مشخص بين هر جزء تشكيل دهنده .
تقسيم بندي كامپوزيت ها
مواد كامپوزيتي از يك ماده زمينه ( ماتريس ) تقويت شده با انواع مختلفي از الياف ها ساخته ش

ده است . اليافهاي تقويت كننده تحمل كننده اصلي بارها مي باشند وزمينه ويفه فراهم سازي بستر مناسب جهت انتقال باز از اليافي به الياف ديگر را بر عهده دارد .
ساختار كامپوزيت هاي پايه پليمري
در كامپوزيت هاي پايه پليمري ، ماتريس يا همان زمينه يك ماده پليمري است كه به آن لفظ رزين اطلاق مي گردد و شامل دو دسته كلي ترموپلاستيك ها هستند . الياف تقويت كننده نيز شامل انواع شيشه ، آراميد ، كربن و بورن مي باشد . دراين تركيب نقش باربري به صورت عمده بر عهده الياف است . رزين وظيفه توزيع بار اعمال شده در شبكه الياف و نگهداشتن موقعيت الياف در جاي خود را بر عهده دارد . امروزه استفاده از الياف طبيعي در كامپوزيت هاي موسوم به كامپوزيت سبز نيز رونق خاصي پيدا كرده است .
صنعت لوله هاي كامپوزيتي
يكي از زمينه هاي عمده استفاده از كامپوزيت ها ، توليد لوله هاي با اقطار مختلف با استفاده از مواد كامپوزيتي است . لوله هاي كامپوزيت كه متشكل از الياف شيشه و رزين هاي ترموست مي باشند ساختار محكم ، مقاوم به خوردگي و سبكي را فراهم مي كنند كه به عنوان جايگزين بسيار مناسبي براي لوله هاي فلزي و بتوني مطرح مي شوند .
عبارات GRP1 ، 2GRV ، GRE3 كه در صنعت لوله هاي كامپوزيتي رواج دارد ، همگي معرف پيكربندي هاي مختلف لوله هاي كامپوزيتي هستند كه با توجه به ماموريت مختلف مورد انتظار ، از ساختار مبتني بر الياف شيشه به همراه رزين پلي استر ، وينيل استر و يا اپوكسي در آنها استفاده مي شود . پلي استرها اغلب براي توليد لوله ها جهت مصارف مختلف از جمله آب شرب ، جمع آوري فاضلاب و پسابهاي صنعتي و آبياري و ..... استفاده مي شوند و وينيل استرها مقاومت بيشتري در برابر خوردگي در برابر مايعات خورندگي قوي مانند اسيدها و سفيد كننده ها دارند . رزين اپوكسي معمولاً براي لوله هايي با قطر كمتر از750 ميلميتر و عمدتاً براي خطوط نفت ، گاز و فشارهاي بسيار بالا استفاده مي شوند.
لوله هاي كامپوزيتي از ديدگاه نحوه انتقال سيار حاوي به دو گروه عمده گرانشي و فشاري تقسيم مي شوند .
در لوله هاي گرانشي سيال به وسيله نيروي گرانشي ويا با فشار خيلي كم براي تداوم حركت ، جابجا مي شود و به همين دليل ويژگي سفتي عامل مهم در طراحي اين لوله ها مي باشد . جهت قرارگيري الياف در اين لوله ها به شيوه اي است كه سفتي لوله در جهت هاي محيطهاي ناشي از دفن ورفت و آمد روي آن ، مقاومت مي نمايد . قطر اين لوله ها از 100 ميليمتر تا 4000 ميلميتر متغيير است و الياف بيشتر در جهت محيطي قرارداده مي شود كه براي تحمل فشارهاي زير 16 بار (6/1 مگا پاسكال ) مناسب است . اين لوله ها در عمق زياد نسبت به سطح زمين قرار مي گيرند و فشار خاك و فشار ترافيكي روي آنها زياد است . لوله هاي فاضلاب نمونه اي از لوله هاي گرانشي مي باشند .
از لوله هاي توليد شده به روشهاي الياف پيچي پيوسته و نا پيوسته جهت تأمين لوله هاي گرانشي نيز استفاده مي گردد هرچند كاربرد اصلي اين نوع لوله ها جهت مصارف پر فشار مي باشد .
درلوله هاي فشاري ، حمل سيالات درفشارهاي بين 690 كيلو پاسكال تا چند مگا پاسكال مد نظر مي باشد . عمده مصرف اين لوله ها در انتقال آب ، صنايع نفت و گاز و دريايي مي باشد . كه فراورده هاي مختلف با فشارهايي در حدود 14 و يا 34 مگا پاسكال انتقال داده مي شوند .جهت الياف در اين لوله ها بر اساس ميزان فشار طراحي در زواياي مختلفي نسبت به محور لوله صورت مي پذيرد .
حوزه هاي مختلف كاربرد لوله هاي كامپوزيتي
مهمترين ويژگي و خصوصيت لوله هاي كامپوزيتي كه باعث تفوق آنها در خطوط انتقال محصولات مختلف شده است . مقاومت به پديده خوردگي ناشي از سيالات ( مايعات و گازها ) در هر دو جداره داخلي و خارجي است . لوله هاي كامپوزيتي به علت ساختار پليمري خود كاملاً نسبت به اين پديده ايمن هستند و قابليت كاركرد بدون تعمير را در محيط هاي فعال شيميائي والكترو شيميائي به مدت 25 الي 50 سال دارا هستند . درست به همين دليل است كه صنايع نفت و گاز و آب و فاضلاب عمده ترين حوزه نفوذ اين محصولات بوده است . حذف هزينه هاي سنگين تعمير و نگهداري لوله هاي خورده شده انتقال دهنده نفت يا گاز و خسارات ايجاد شده از قطع سرويس به مراكز صنعتي ، مهمترين عواملي است كه باعث شده است تا لوله هاي كامپوزيتي گوي سبقت را از ساير رقباي سنتي خود بربايند .
لوله هاي GRP در حوزه هاي مختلفي از صنعت استفاده مي شوند كه اهم آنها را مي توان در فهرست طبقه بندي نمود :
توزيع آب در هر دو حوزه ساختمان و صنعت
سيستم فاضلاب شهري
انتقال پسابهاي صنعتي
جمع آوري آبهاي سطحي
انتقال آب دريا و رودخانه ها
مدخل آبگيري براي سيستم هاي برجهاي خنك كن
شبكه اطفاء حريق
خطوط فرايندي براي كارخانه هاي صنعتي

شبكه انتقال و توزيع سوخت
انتقال سيالات خورنده
شبكه هاي آبياري و زهكشي
لوله هاي GRE با توجه به شيوه توليد و رزين مورد استفاده ، كلاس بالاتري از اس از آنها استفاده مي شود .
امروزه در عرصة انتخاب مواد، كامپوزيت¬ها رقباي مهمي براي فولاد و آلومينيوم محسوب مي-گردند. فتح بازارهاي جهاني، مستلزم كاهش هزينه¬هاي مواد اوليه و فرايند توليد مي¬باشد و همين مساله توجه صنعت عمران و ساختمان را به سوي كامپوزيت¬ها معطوف داشته است. در بعضي از موارد، اين مواد جايگزين مناسبي براي چوب و بتن در ساختمان¬ها به شمار آمده و با دارا بودن وزن پايين و مقاومت در برابر خوردگي در بسياري از قسمت¬هاي ساختمان به¬كار رفته¬اند. كامپوزيت¬ها هم در مصارف زيربنايي ساختمان از قيبل قطعات ساختمان¬هاي سبك پيش¬ساخته و صفحات پوششي سقف ساختمان استفاده مي¬شوند و هم در مصارف داخلي بنا مانند ساخت حمام، كابينت آشپزخانه و پنجره¬ها مورد استفاده قرار گرفته-اند. اين مواد حتي به عنوان سنگ¬هاي مصنوعي در نماي بيروني ساختمان نيز كاربرد ويژه¬اي دارند.
راهبرد كشور هند
مراكز تحقيقاتي و صنعتي هند تلاش¬هاي فراواني جهت گسترش مواد ساختماني با عملكرد بالا و هزينه اندك انجام داده¬اند تا پاسخگوي نياز قشر كم¬درآمد به مسكن ارزان باشند. در اين راستا، تمركز فعاليت¬ها به سوي گسترش و كاربرد تكنولوژي كامپوزيت¬هاي الياف شيشه و الياف طبيعي معطوف گرديده است. مشكلاتي كه بر سر گسترش كامپوزيت¬ها مشاهده گرديد، بالا بودن قيمت مواد اوليه و ناكارامد بودن فرايندهاي دستي و قديمي ساخت بود كه با بهره¬گيري از تكنولوژي جديد و رعايت ملاحظات استاندارد محصول و فرايند، به خوبي مرتفع گرديد. به اين ترتيب هند موفق شده است تا مواد كامپوزيت را در محصولات ساختماني زير به كار گيرد:

1- قطعات و پانل¬هاي پيش¬ساخته و سبك ساختماني

2- صفحات پوشاننده، ديواره¬ها، نماي بيروني ساختمان و كف¬پوش¬ها

3- دكوراسيون داخلي و قالب¬هاي گچ¬بري و معماري تزئيني

4- وان¬هاي حمام، حوض¬ها، استخرها، دستشويي¬ها، مخازن ذخيره و كانال¬ها

5- چارچوب¬ها، درب¬ها، پنجره¬ها، كابينت آشپزخانه

تكنولوژي الياف شيشه
كامپوزيت¬هاي الياف شيشه با زمينة پليمر (GRP) پاسخگوي بسيار مناسبي به نيازهاي ساختماني مي¬باشد. در اين ميان از بين توليدات بسيار متنوع كامپوزيتي GRP، پروفيل-هاي تهيه شده توسط فرايند پالتروژن جايگاه ويژه¬اي در صنعت ساختمان دارند. مقدار انرژي و هزينة صرف شده در فرايند تهية پروفيل¬هاي پالتروژني در مقايسه با پروفيل¬هاي فولاد يا آلومينيوم، پايين¬تر بوده و براي مصرف¬كننده نيز مزاياي بيشتري نسبت به محصولات مشابه آلومينيومي يا فولادي دارد. اين پروفيل¬ها در سطح بين¬المللي به عنوان يك كالاي ساختماني متداول شناخته شده¬اند. در جدول زير مقايسه¬¬اي از خواص اين پروفيل¬ها در مقايسه با ساير مواد متداول ساختماني آورده شده است:

پروفيل¬هاي پالتروژني داراي سطح مقطع ثابت بوده و به اشكال مختلف ساخته مي¬شوند و با تكنيك¬هايي امكان ساخت بعضي مقاطع متغير نيز وجود دارد. اين پروفيل¬ها را مي¬توان به هر طول دلخواه توليد كرد و مي¬توان درصورت نياز آنها را از انواع الياف شيشه، كربن و حتي الياف طبيعي توليد نمود. اين پروفيل¬ها استحكام مكانيكي متوسط تا زياد در كشش و فشار دارند و هزينة ساخت آنها بسته به نياز و ضخامت قطعه قابل تغيير است.

تكنولوژي الياف طبيعي
در دهة اخير استفاده از كامپوزيت¬هاي الياف طبيعي مورد توجه بخش¬هاي مختلفي در هند قرار گرفته است. الياف طبيعي¬اي كه مورد استفاده قرار گرفته¬اند شامل انواع كنف، كتان، موز و نارگيل مي¬باشند كه در مقايسه با الياف شيشه سبك¬تر و ارزان¬تر بوده و با توجه به قابليت بازگشت اين مواد به طبيعت، ضرر زيست¬محيطي ناچيزي دارند. اين الياف در بعضي از زمينه¬ها توانسته¬اند جانشين ارزان¬قيمتي براي چوب باشند. در جاهايي كه نياز به استحكام زياد نداشته باشيم به كارگيري الياف طبيعي نسبت به الياف شيشه، فلز و چوب به¬صرفه¬تر مي¬باشد.
كامپوزيت¬هاي الياف طبيعي با زمينة پليمر(NFC) مي¬توانند به شكل صفحات و تخته¬ها و يا پروفيل¬هاي پالتروژني، قالب¬گيري و ساخته شوند. اين محصولات در ساخت انواع ديواره¬ها و سقف¬هاي كاذب، پنجره¬ها و نرده¬ها، كفپوش و نماي ساختمان¬ها و ساخت آجرهاي مصنوعي كاربرد فراواني دارند. در زير مقايسه¬اي بين چارچوب-هاي چوبي متداول و چارچوب ساخته شده از الياف طبيعي طي فرايند پالتروژن انجام گرفته است:

الياف طبيعي علاوه بر موارد ياد شده در ساخت درب¬ها و همچنين ساخت پانل¬هاي پوشش سقف به كار گرفته شده است. الياف نارگيل به كمك يك زمينة رزين مايع با اعمال حرارت، قالب¬گيري شده و به شكل درب به بازار عرضه مي¬گردد. اين درب¬ها جذب رطوبت بسيار پاييني داشته و به راحتي مي¬توان آنها را تحت عمليات نجاري قرار داد. با قالب¬گيري فشاري الياف مذكور در زمينة سيماني، مي¬توان به يك بتن اليافي مقاوم دست يافت. اين بتن، در ساخت پانل¬هاي به ضخامت 6 الي 8 سانتيمتر جهت پوشاندن سقف-ها كاربرد دارد.
مهمترين دليل استفاده از كامپوزيت ها در صنعت ساختمان مقاومت بالاي آنها در برابر خوردگي است . به كارگيري پروفيل ها و آرماتورهاي كامپوزيتي توليد شده به روش پالتروژن باعث افزايش عمر و كاهش هزينه هاي ساخت وساز و نگهداري در محيط هاي خورنده ي ساحلي و دريايي گرديده است ؛ كاربرد كامپوزيت ها در شرايط خورنده ي آب هاي شور و سواحل دريايي قابل توجه مي باشد .آمارهاي موجود در سطح جهان نشانگر آن است كه ساليانه در جهان دو ميليارد دلار صرف جبران خسارت خوردگي در سازه هاي ساحلي)نظامي و غير نظامي(در حاشي

ه دريا مي شود . نياز به كاهش هزينه ي تعمير و نگهداري سازه هاي عظيم و متعدد ساحلي وفراساحلي ، مهندسان و كارشناسان اين امر را به سمت بهره گيري و استفاده از مواد نويني كه داري مزيت هاي نسبي ، نسبت به موارد مشابه الاستفاده ) بتن ، فولاد ، چوب( دارا مي باشد ، سوق داده است .در اين مقاله سعي گرديده است مزاياي كامپوزيت و كاركرد آن را به عنوان يك راهكار جديد در ساخت سازه هاي ساحلي و دريايي كه تاكنون بوسيله بتن ، فولاد و چوب ساخته مي شدند، مطرح گردد
كاربرد كامپوزيت ها در راه?آهن
به¬خاطر ويژگي¬هاي خاص مواد كامپوزيتي، روز به روز استفاده از اين مواد در صنايع مختلف گسترش بيشتري مي¬يابد. در ذيل به كاربرد جديدي از اين مواد در راه آهن اشاره شده است:
شركت تاي¬تك واقع در هوستون در ايالت تگزاس، يك واحد تابعه از گروه تكنولوژي¬هاي آمريكاي شمالي است. اين شركت بيش از شش سال است كه در زمينة توسعه و آزمايش تراورس¬ها (چوبهاي عرضي كه در زير ريل راه آهن قرار مي‌گيرند) كار مي¬كند. تاي¬تك با استفاده از پلاستيك بازيافتي و مواد دور¬ريختني كه با افزودني¬ها و پر كننده¬هاي ويژه¬اي مخلوط شده¬اند، يك نوع تراورس ساخته است. تراورس¬هاي تاي¬تك هم¬اندازة تراورس¬هاي چوبي هستند و مي¬توانند همانند چوب ميخ¬كوبي شوند. برخلاف چوب اين تراورس¬ها نمي-شكنند و ترك برنمي¬دارند، همچنين مستعد پوسيدگي نيستند، حشرات نمي¬توانند به آنها آسيبي بزنند و خواص خود را نيز به مدت طولاني-تري حفظ مي¬كنند
هشتاد درصد محتواي اين تراورس¬ها را ضايعات بازيافتي كم¬قيمت، مثل ضايعات رزيني آسياب شده، لاستيك خرد شده از تايرهاي بازيافتي و ضايعات فيلم¬هاي پلي¬اتيلني با دانسيته بالا(HDPE) تشكيل مي¬دهند. به اين مواد اصلي، پركننده¬ها و تقويت¬كننده¬ها نيز افزوده مي-شوند. سپس تراورس¬ها، قالبگيري شده و درون قالب، سرد مي¬شوند تا شكل و ابعاد مناسب خود را حفظ كنند. قيمت نهايي تراورس¬هاي كامپوزيتي برابر با قيمت يك تراورس چوب

ي با كيفيت بالا خواهد بود؛ يعني بين 30 تا40 دلار در آمريكا و حدود 50 دلار در اروپا.
اخيراً شركت تاي¬تك قراردادي دو ساله به ارزش 10 ميليون دلار براي تامين تراورس¬هاي كامپوزيتي راه¬آهن يونيون به پاسفيك منعقد ساخته است. تاي¬تك اميدوار است كه بيش از پنج درصد بازار تراورس¬هاي عرضي جهان را در اختيار بگيرد. به اين ترتيب سالانه بيش از سه ميليون تراورس توليد خواهد كرد.