کامپوزیت

قدیمی ترین مثال از کامپوزیت ها مربوط به افزودن کاه به گل جهت تقویت گل و ساخت آجری مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است . قدمت این کار به 4000 سال قبل از میلاد مسیح باز می گردد . در این مورد کاه نقش تقویت کننده و گل نقش زمینه یا ماتریس را دارد . ارگ بم که شاهکار معماری ایرانیان بوده است . نمونه بارزی از استفاده از تکنولوژی کامپوزیت ها در قرون گذشته بوده است . مثال دیگر تقویت بتن توسط میله های فولادی می باشد . که قدمت آن به سال 1800 میلادی باز می گردد . در بتن مسلح یا تقویت شده میله های فلزی استحکام کششی لازم را در بتن ایجاد می نمایند چرا که بتن یک ماده ترد می باشد و مقاومت اندکی در برابر بارهای کششی دارد . بدین ترتیب بتون وظیفه تحمل بارهای فشاری و میله های فولادی وظیفه تحمل بارهای کششی را بر عهده دارند .

قدیمی ترین مثال از کامپوزیت ها مربوط به افزودن کاه به گل جهت تقویت گل و ساخت آجری مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است . قدمت این کار به 4000 سال قبل از میلاد مسیح باز می گردد . در این مورد کاه نقش تقویت کننده و گل نقش زمینه یا ماتریس را دارد . ارگ بم که شاهکار معماری ایرانیان بوده است . نمونه بارزی از استفاده از تکنولوژی کامپوزیت ها در قرون گذشته بوده است . مثال دیگر تقویت بتن توسط میله های فولادی می باشد . که قدمت آن به سال 1800 میلادی باز می گردد . در بتن مسلح یا تقویت شده میله های فلزی استحکام کششی لازم را در بتن ایجاد می نمایند چرا که بتن یک ماده ترد می باشد و مقاومت اندکی در برابر بارهای کششی دارد . بدین ترتیب بتون وظیفه تحمل بارهای فشاری و میله های فولادی وظیفه تحمل بارهای کششی را بر عهده دارند .

کامپوزیت

تاریخچه: 

قدیمی ترین مثال از کامپوزیت ها مربوط به افزودن کاه به گل جهت تقویت گل و ساخت آجری مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است . قدمت این کار به 4000 سال قبل از میلاد مسیح باز می گردد . در این مورد کاه نقش تقویت کننده و گل نقش زمینه یا ماتریس را دارد . ارگ بم که شاهکار معماری ایرانیان بوده است . نمونه بارزی از استفاده از تکنولوژی کامپوزیت ها در قرون گذشته بوده است . مثال دیگر تقویت بتن توسط میله های فولادی می باشد . که قدمت آن به سال 1800 میلادی باز می گردد . در بتن مسلح یا تقویت شده میله های فلزی استحکام کششی لازم را در بتن ایجاد می نمایند چرا که بتن یک ماده ترد می باشد و مقاومت اندکی در برابر بارهای کششی دارد . بدین ترتیب بتون وظیفه تحمل بارهای فشاری و میله های فولادی وظیفه تحمل بارهای کششی را بر عهده دارند .

تاریخچه مواد پلیمری تقویت شده با الیاف به سالهای 1940 در صنایع دفاعی و به خصوص کاربردهای هوا - فضا بر می گردد، برای مثال در سال 1945 بیش از 7 میلیون پوند الیاف شیشه به طور خاص برای صنایع نظامی ، مورد استفاده قرار گرفته است که در ادامه با توجه به مزایای آنها ، به صنایع عمومی نیز راه یافته اند . 

تعریف کامپوزیت یا ماده مرکب:
ترکیب دو یا چند ماده با یکدیگر به طوری که به صورت شیمیائی مجزا و غیر محلول در یکدیگر باشند و بازده و خواص سازه ای این ترکیب نسبت به هریک از اجزاء تشکیل دهنده آن به تنهایی ، در موقعیت برتری قرار بگیرد را کامپوزیت می نماند . به عبارت دیگر کامپوزیت به دسته ای از مواد اطلاق می شود که آمیزه ای از مواد مختلف و متفاوت در فرم و ترکیب باشند و اجزاء تشکیل دهنده آنها هویت خود را حفظ کرده ، در یکدیگر حل نشده و با هم ممزوج نمی شوند . با توجه به این امر کامپوزیت از آلیاژ فلزی متفاوت می باشد . بنابراین کامپوزیت ترکیبی است از حداقل دو ماده مجزا با فصل مشترک مشخص بین هر جزء تشکیل دهنده .

در مهندسی مواد این اصطلاح معمولاً به موادی اتلاق می‌شود که از یک فاز زمینه (ماتریکس) و یک تقویت کننده (پرکننده) تشکیل شده باشند.

تعریف انجمن متالورژی امریکا (ASM Handbook Vol,Composites, ASM International, 2001):
به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند مادهٔ مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود.
کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریکس و تقویت کننده تشکیل شده‌است. ماتریکس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می‌دارد. تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار میگردد. به طور کلی تقویت کننده میتواند به صورت فیبرهای کوتاه و یا بلند و پیوسته باشد.
الیافهای تقویت کننده ، تحمل کننده اصلی بارها می باشند و زمینه (ماتریس) فراهم سازی بستر مناسب جهت انتقال باز از الیافی به الیاف دیگر را بر عهده دارد .

دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از دیدگاه زیستی:
• کامپوزیت‌های طبیعی. مانند استخوان، ماهیچه، چوب و ...
• کامپوزیت‌های مصنوعی(مهندسی)
دسته‌بندی کامپوزیت‌های مهندسی از لحاظ فاز زمینه ماتریس :
کامپوزیت ها بر اساس نوع زمینه ای که تقویت کننده را احاطه نموده است و آنها را به هم اتصال می دهد به سه گروه عمده بر اساس یک طبقه بندی بین المللی واحد تقسیم می شوند که عبارتند از :
• CMC : کامپوزیت‌های با زمینهٔ سرامیکی Ceramic Matrix Composites
• PMC : کامپوزیت‌های با زمینهٔ پلیمریPolymer Matrix
• MMC : کامپوزیت‌های با زمینهٔ فلزی Mettal Matrix Composites
کامپوزیتهای پایه پلیمری ( PMC ) :
کامپوزیتهای پایه پلیمری مهم ترین دسته از کامپوزیت ها می باشند طیف وسیعی از صنایع ، از صنایع رده بالا مثل تولید قطعات هواپیما گرفته تا صنایع رده پایین مثل تولید سینک ظرفشویی و .... از کامپوزیتهای پایه پلیمری تولید می شوند و درحال حاضر 59 درصد بازار کامپوزیت ها را به خود اختصاص داده اند و به همین دلیل بزرگترین زیر مجموعه مواد مرکب محسوب می گردند .

امروزه اغلب صنایع از مزایای منحصر به فرد این مواد بهره می جویند و ردپای کامپوزیت ها را در حوزه های زیر می توان جستجو نمود :

1- صنایع حمل و نقل شامل حمل و نقل هوایی ، جاده ای ، ریلی و دریایی
2- صنایع نظامی و هوا – فضا
3- صنایع انرژی در حوزه های تولید و انتقال برق ، صنعت نفت ، گاز و پتروشیمی
4- صنعت ساخت و ساز شامل صنایع زیر بنایی و صنعت ساختمان
5- صنایع خودرو و قطعه سازی
6- صنایع مبلمان شهری
7- وسایل خانگی
8- لوازم ورزشی

کامپوزیت های پایه پلیمری در حال حاضر تنها به میزان 1 درصد نسبت به شروع کاربری خود یعنی صنایع هوا – فضا کاربرد دارند و قسمت عمده الباقی در صنایع ساخت و ساز و حمل و نقل به کار گمارده می شوند . درحقیقت توسعه فناوری تولید کامپوزیتهای پایه پلیمری این امکان را فراهم کرده است تا اغلب صنایع از مزایای منحصر به فرد این مواد بهره جویند.

مطابق آمار ارائه شده، بیشترین میزان مصرف کامپوزیت ها معطوف به صنعت ساخت و ساز مشتمل بر ساختمان ابر سازه ها ، صنایع نفت و گاز و لوله می باشد .


مزایای کامپوزیت های پایه پلیمری:
مزایای سازه های مبتنی بر کامپوزیت های پلیمری نسبت به نمونه های سنتی بتنی ، چوبی و فلزی که باعث نفوذ آنها درگستره وسیعی از صنایع مختلف شده است ، بشرح ذیل است :

1 - کاهش وزن سازه ساخته شده با توجه به معماری قابل تغییر بر اساس خواست طرح
2 - ایمن بودن در برابر پدیده خوردگی
3 - قابلیت تحمل بارهای سیکلی و مقاومت بسیار مناسب در برابر پدیده خستگی
4 - سادگی روشهای تولید و امکان تولید اشکال بسیار پیچیده باروشهای بسیار آسان ، کارآمد و مقرون به صرفه
5 - سهولت فرایندهای تعمیر و عیب یابی
6 - ضریب انبساط حرارتی پایین و عایق مناسب حرارتی
7 - عایق الکتریکی
8 - بهبود اتصالات و امکان تولید یکپارچه
9 - خصوصیات ارتعاشی بسیار مناسب و مقاوم بودن نسبت به پدیده تشدید در ارتعاشات نسبت به فلزات
10 - قابلیت مونتاژ آسان

ساختار کامپوزیت های پایه پلیمری
در کامپوزیت های پایه پلیمری ، ماتریس یا همان زمینه یک ماده پلیمری است که به آن لفظ رزین اطلاق می گردد و شامل دو دسته کلی ترموستها وترموپلاستها می باشند. الیاف تقویت کننده نیز شامل انواع شیشه ، آرامید ، کربن و بورن می باشد . دراین ترکیب نقش باربری به صورت عمده بر عهده الیاف است . رزین وظیفه توزیع بار اعمال شده در شبکه الیاف و نگهداشتن موقعیت الیاف در جای خود را بر عهده دارد . امروزه استفاده از الیاف طبیعی در کامپوزیت های موسوم به کامپوزیت سبز نیز رونق خاصی پیدا کرده است .

صنعت لوله های کامپوزیتی
یکی از زمینه های عمده استفاده از کامپوزیت ها ، تولید لوله های با اقطار مختلف با استفاده از مواد کامپوزیتی است . لوله های کامپوزیتی که متشکل از الیاف شیشه و رزین های ترموست می باشند ساختار محکم ، مقاوم به خوردگی و سبکی را فراهم می کنند که به عنوان جایگزین بسیار مناسبی برای لوله های فلزی و بتونی مطرح
می شوند .

عبارات GRP،GRV، GRE که در صنعت لوله های کامپوزیتی رواج دارد ، همگی معرف پیکربندی های مختلف لوله های کامپوزیتی هستند که با توجه به ماموریت مختلف مورد انتظار ، از ساختار مبتنی بر الیاف شیشه به همراه رزین پلی استر ، وینیل استر و یا اپوکسی در آنها استفاده می شود . پلی استرها اغلب برای تولید لوله ها جهت مصارف مختلف از جمله آب شرب ، جمع آوری فاضلاب و پسابهای صنعتی و آبیاری و ..... استفاده می شوند و وینیل استرها مقاومت بیشتری در برابر خوردگی در برابر مایعات خورندگی قوی مانند اسیدها و سفید کننده ها دارند . رزین اپوکسی معمولاً برای لوله هایی با قطر کمتر از750 میلمیتر و عمدتاً برای خطوط نفت ، گاز و فشارهای بسیار بالا استفاده می شوند.

لوله های کامپوزیتی از دیدگاه نحوه انتقال سیال به دو گروه عمده گرانشی و فشاری تقسیم می شوند .
در لوله های گرانشی سیال به وسیله نیروی گرانشی ویا با فشار خیلی کم برای تداوم حرکت ، جابجا می شود و به همین دلیل استحکام عامل مهم در طراحی این لوله ها می باشد . جهت قرارگیری الیاف در این لوله ها به شیوه ای است که استحکام لوله در جهت های محیطی و محوری باعث کاهش تغییر شکل های خمشی در مسیر می شود و لوله در برابر نیروهای ناشی از دفن ورفت و آمد روی آن ، مقاومت می نماید . قطر این لوله ها از 100 میلیمتر تا 4000 میلمیتر متغییر است و الیاف بیشتر در جهت محیطی قرارداده می شود که برای تحمل فشارهای زیر 16 بار (6/1 مگا پاسکال ) مناسب است . این لوله ها در عمق زیاد نسبت به سطح زمین قرار می گیرند و فشار خاک و فشار ترافیکی روی آنها زیاد است . لوله های فاضلاب نمونه ای از لوله های گرانشی می باشند .


در لوله های فشاری ، حمل سیالات درفشارهای بین 690 کیلو پاسکال تا چند مگا پاسکال مد نظر می باشد . عمده مصرف این لوله ها در انتقال آب ، صنایع نفت و گاز و دریایی می باشد . که فراورده های مختلف با فشارهایی در حدود 14 تا 34 مگا پاسکال انتقال داده می شوند .جهت الیاف در این لوله ها بر اساس میزان فشار طراحی در زوایای مختلفی نسبت به محور لوله صورت می پذیرد .

حوزه های مختلف کاربرد لوله های کامپوزیتی
مهمترین ویژگی و خصوصیت لوله های کامپوزیتی که باعث بکارگیری آنها در خطوط انتقال محصولات مختلف شده است . مقاومت به پدیده خوردگی ناشی از سیالات
( مایعات و گازها ) در هر دو جداره داخلی و خارجی است . لوله های کامپوزیتی به علت ساختار پلیمری خود کاملاً نسبت به این پدیده ایمن هستند و قابلیت کارکرد بدون تعمیر را در محیط های فعال شیمیائی والکترو شیمیائی به مدت 25 الی 50 سال دارا هستند . درست به همین دلیل است که صنایع نفت و گاز و آب و فاضلاب عمده ترین حوزه مصرف این محصولات بوده است . حذف هزینه های سنگین تعمیر و نگهداری لوله های خورده شده انتقال دهنده نفت یا گاز و خسارات ایجاد شده از قطع سرویس به مراکز صنعتی ، مهمترین عواملی است که باعث شده است تا لوله های کامپوزیتی گوی سبقت را از سایر رقبای سنتی خود بربایند .

لوله های GRP در حوزه های مختلفی از صنعت استفاده می شوند که اهم آنها عبارتند از :
• توزیع آب در هر دو حوزه ساختمان و صنعت
• سیستم فاضلاب شهری
• انتقال پسابهای صنعتی
• جمع آوری آبهای سطحی
• انتقال آب دریا و رودخانه ها
• مدخل آبگیری برای سیستم های برجهای خنک کن
• شبکه اطفاء حریق
• خطوط فرایندی برای کارخانه های صنعتی
• شبکه انتقال و توزیع سوخت
• انتقال سیالات خورنده
• شبکه های آبیاری و زهکشی
لوله های GRP با توجه به شیوه تولید و رزین مورد استفاده ، کلاس بالاتری از استحکام را ارائه می دهند که این امر باعث می شود تا جهت انتقال فراورده های پرفشار نفت و گاز از آنها استفاده گردد.

ویژگیها و مزایای لوله های کامپوزیتی
لوله های GRP نسبت به لوله های فلزی و بتونی از مزایای خاصی بهره مند هستند . اهم ویژگی های این نوع لوله ها را در موارد ذیل می تواند برشمرد :

-1مقاومت در برابر خوردگی

لوله های GRP به علت ماهیت مواد تشکیل دهنده در برابر پدیده خوردگی مقاوم هستند. لوله های GRP در برابر اغلب مواد شیمیائی در دماهای بالاتری از حد مقاومت سایر لوله های پلاستیکی مقاوم هستند ( تا حدود 170 درجه سانتیگراد ) . این ویژگی باعث می شود تا مزایای ذیل نائل گردد :
• عمر مفید طولانی و حداکثر بهره وری اقتصادی
• عدم نیاز به حفاظت کاتدی و یا اعمال پوشش های داخلی و خارجی
• ثبات مشخصه های هیدرولیکی درطول ماموریت
• پایین بودن هزینه های تعمیر و نگهداری

-2کاهش وزن 

یک لوله کامپوزیتی به طور معمول 25 درصد لوله چدنی ، 33 درصد لوله فلزی و 10 درصد لوله بتونی وزن دارد و این امر باعث می شود تا برتری های ذیل حاصل شود :
• کاهش هزینه های بارگیری و حمل
• امکان درون هم گذاری 6 لوله های با اقطار مختلف در داخل یکدیگر
• هزینه پایین نصب

-3سطح داخلی صاف و صیقلی 

با توجه به مواد اولیه و فرایند تولید ، سطح داخلی لوله های GRP بسیار صاف و صیقلی می باشند که مزایای ذیل از رهگذر این ویژگی بدست می آیند:
• امکان دستیابی به جریان مشابه با استفاده از قطرهای کمتر نسبت به لوله های دیگر
• کاهش میزان مصرف انرژی به علت کاهش میزان افت فشار
• کاهش رسوبات جمع شده در داخل لوله
• کاهش ضریب اصطکاک داخلی
• عدم نیاز به پوشش محافظتی لوله در مقابل سیالات خورنده و عوامل محیطی

4- کاهش مدول الاستیسیته

شوک های داخلی که معروفترین آن ضربه قوچ می باشد ، در اثر تغییرات ناگهانی سرعت سیال درون سیستم ایجاد می شود . در شرایط خاص نیروی ضربه آن قدر می تواند زیاد باشد که سیستم را تخریب کند فشارهای گذرا با سرعت موج در سیستم حرکت می کند و قادر است با توجه به منبع و جهت حرکت موج باعث افزایش یا کاهش فشار گردد . اندازه ضربه قوچ بستگی به خصوصیات و سرعت سیال دارد و دراثر مدول الاستیسیته کم در لوله های GRP توانایی آنها در دفع نیروی موج و کاهش تاثیر موج در سیستم بسیار زیاد است . به طور کلی لوله های GRP دارای تحمل ضربه قوچی به میزان 40 درصد بیشتر از فشار اسمی خود می باشد و ضربه قوچ در آنها حدوداً نصف لوله های فلزی است . سرعت موج حاصل در لوله های GRP با توجه به کلاس فشاری و استحکام لوله در محدوده 340 الی 640 متر برثانیه می باشد این مقدار در لوله های فلزی حدود 1100 متر بر ثانیه تخمین زده می شود . کاهش ضربه قوچ ، علاوه بر افزایش عمر لوله باعث می شوند تا از تجهیزات حفاظتی کمتری جهت پیشگیری از ضربه قوچ استفاده شود .

وضعیت صنعت کامپوزیت درسطح بین المللی و ملی :
طبق استاندارد بین المللی شاخص توسعه یافتگی از دیدگاه صنعتی کامپوزیت مصرف سرانه معادل 3 کیلوگرم به ازای هر شهروند است .
95.8 درصد کامپوزیت های مورد استفاده در ایران ، کامپوزیتهای پایه پلیمری هستند و بیشترین حجم مصرف آنها مختص صنایع ساختمان و حمل و نقل می باشد .

کاربرد کامپوزیتهای پلمیری در صنایع ایران:
استفاده از کامپوزیتها در صنایع به منظورحفاظت در برابر خوردگی که در قالب لوله و مخازن نمود پیدا می کند مقام چهارم را به خود اختصاص داده است و این در حالی است که بخش عمده ای از صنایع کشور از مشکل خوردگی و تبعات هزینه ناشی از آن رنج می برند . خوردگی در ایران درسال 1379 معادل 2700 میلیارد ریال بر اساس 5 درصد از تولید ناخالص ملی برآورد شده است که براساس تقسیم بندی انجام شده از سوی بانک مرکزی جمهوری اسلامی ایران خسارت مستقیم خوردگی در چهار بخش اصلی برای سال 1379 محاسبه گردیده است .
در حال حاضر صنعت کامپوزیت علیرغم جوان بودن در کشورمان ، اکثر روشهای تولید پیشرفته همانند روش پیچش الیاف ، روش SMC و روش قالب بسته را برای تولیدات مختلفی همانند لوله ، قطعات خودرو و پره توربین بادی و ...... شامل می شود و توسعه این صنعت نیازمند ...... جدی متخصصان ، اندیشمندان و مسئولان در بسترهای مرتبط با این صنعت می باشد .

دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از لحاظ نوع تقویت کننده:
• FRC ( کامپوزیت‌های تقویت شده با فیبر)
• PRC ( کامپوزیت‌های تقویت شده توسط ذرات)
کامپوزیت‌های سبز(کامپوزیت‌های تجزیه‌پذیر زیستی):
در اینگونه کامپوزیت‌ها، فاز زمینه و تقویت کننده، از موادی که در طبیعت تجزیه می‌شوند،ساخته می‌شوند. در کامپوزیت‌های سبز، معمولاً فاز زمینه از پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی و تقویت کننده‌ها از فیبرهای گیاهی ساخته می‌شوند.
Bioinert, biodegradable and injectible polymeric matrix composites...,Joao F. Mano et al.-Composite Science and technology, 64 (2004) 789-817

مزایای مواد کامپوزیتی:

مهم‌ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، می‌توان خواص آنها را کنترل کرد. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند:
• مقاومت مکانیکی نسبت به وزن بالا
• مقاومت در برابر خوردگی بالا
• خصوصیات خستگی عالی نسبت به فلزات
• خواص عایق حرارتی خوب

منبع:mokarrar

دیدگاه خود را بیان کنید
کلیه حقوق مادی و معنوی این وب سایت برای tvazhe.com محفوظ می باشد
طراحی سایت-طراحی سایت- هاستینگ توسط سنادیتا
SANADATA | SanaCMS 7.3