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 ۴۰۰۰ 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 ۰۰۸۱ 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 ۱۹۴۰ در صنايع دفاعي و به خصوص كاربردهاي هوا– فضا بر مي گردند براي مثال در سال ۱۹۴۵ بيش از ۷ 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 ، ۲GRV ، 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 از۷۵۰ 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 ۱۰۰ ميليمتر تا ۴۰۰۰ ميلميتر متغيير است و الياف بيشتر در جهت محيطي قرارداده مي شود كه براي تحمل فشارهاي زير ۱۶ بار (۶/۱ 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 ۶۹۰ 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 ۱۴ و يا ۳۴ 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 ۲۵ الي ۵۰ 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:

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

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

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

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

۵- 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 ۶ الي ۸ 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 ۳۰ تا۴۰ دلار در آمريكا و حدود ۵۰ دلار در اروپا.
اخيراً شركت تاي¬تك قراردادي دو ساله به ارزش ۱۰ 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.