دانلود تحقیق آشنایی با مواد کامپوزیت و مروری بر کاربرد های آن در صنعت

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 0081 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 گردند برای مثال در سال 1945 بیش از 7 میلیون پوند الیاف شیشه به طور خاص برای صنایع نظامی ، مورد استفاده قرار گرفته است .

در ادامه با توجه به مزایای آنها ، به صنایع عمومی نیز راه یافتند .

تعریف کامپوزیت 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 ، 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 مجزای شیمیایی با فصل مشترک مشخص بین هر جزء تشکیل دهنده .

تقسیم بندی کامپوزیت ها مواد کامپوزیتی از یک ماده زمینه ( ماتریس ) تقویت شده با انواع مختلفی از الیاف ها ساخته شده است .

الیافهای تقویت کننده تحمل کننده اصلی بارها می باشند وزمینه ویفه فراهم سازی بستر مناسب جهت انتقال باز از الیافی به الیاف دیگر را بر عهده دارد .

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 ترموپلاستیک ها هستند .

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 کامپوزیت 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 GRP1 ، 2GRV ، GRE3 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 سیار حاوی 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 ویژگی سفتی عامل مهم در طراحی این لوله ها می باشد .

جهت قرارگیری الیاف در این لوله ها به شیوه ای است که سفتی 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 .

از لوله های تولید شده به روشهای الیاف پیچی پیوسته و نا پیوسته جهت تأمین لوله های گرانشی نیز استفاده می گردد هرچند کاربرد اصلی این نوع لوله ها جهت مصارف پر فشار می باشد .

درلوله 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 و یا 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 تفوق 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 نفوذ 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 را می توان در فهرست طبقه بندی نمود : 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 GRE 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 می شود .

امروزه در عرصه انتخاب مواد، کامپوزیت­ها رقبای مهمی برای فولاد و آلومینیوم محسوب می­گردند.

فتح بازارهای جهانی، مستلزم کاهش هزینه­های مواد اولیه و فرایند تولید می­باشد و همین مساله توجه صنعت عمران و ساختمان را به سوی کامپوزیت­ها معطوف داشته است.

در بعضی از موارد، این مواد جایگزین مناسبی برای چوب و بتن در ساختمان­ها به شمار آمده و با دارا بودن وزن پایین و مقاومت در برابر خوردگی در بسیاری از قسمت­های ساختمان به­کار رفته­اند.

کامپوزیت­ها هم در مصارف زیربنایی ساختمان از قیبل قطعات ساختمان­های سبک پیش­ساخته و صفحات پوششی سقف ساختمان استفاده می­شوند و هم در مصارف داخلی بنا مانند ساخت حمام، کابینت آشپزخانه و پنجره­ها مورد استفاده قرار گرفته­اند.

این مواد حتی به عنوان سنگ­های مصنوعی در نمای بیرونی ساختمان نیز کاربرد ویژه­ای دارند.

راهبرد کشور هند مراکز تحقیقاتی و صنعتی هند تلاش­های فراوانی جهت گسترش مواد ساختمانی با عملکرد بالا و هزینه اندک انجام داده­اند تا پاسخگوی نیاز قشر کم­درآمد به مسکن ارزان باشند.

در این راستا، تمرکز فعالیت­ها به سوی گسترش و کاربرد تکنولوژی کامپوزیت­های الیاف شیشه و الیاف طبیعی معطوف گردیده است.

مشکلاتی که بر سر گسترش کامپوزیت­ها مشاهده گردید، بالا بودن قیمت مواد اولیه و ناکارامد بودن فرایندهای دستی و قدیمی ساخت بود که با بهره­گیری از تکنولوژی جدید و رعایت ملاحظات استاندارد محصول و فرایند، به خوبی مرتفع گردید.

به این ترتیب هند موفق شده است تا مواد کامپوزیت را در محصولات ساختمانی زیر به کار گیرد: 1- قطعات و پانل­های پیش­ساخته و سبک ساختمانی 2- صفحات پوشاننده، دیواره­ها، نمای بیرونی ساختمان و کف­پوش­ها 3- دکوراسیون داخلی و قالب­های گچ­بری و معماری تزئینی 4- وان­های حمام، حوض­ها، استخرها، دستشویی­ها، مخازن ذخیره و کانال­ها 5- چارچوب­ها، درب­ها، پنجره­ها، کابینت آشپزخانه مراکز تحقیقاتی و صنعتی هند تلاشهای فراوانی جهت گسترش مواد ساختمانی با عملکرد بالا و هزینه اندک انجام دادهاند تا پاسخگوی نیاز قشر کمدرآمد به مسکن ارزان باشند.

در این راستا، تمرکز فعالیتها به سوی گسترش و کاربرد تکنولوژی کامپوزیتهای الیاف شیشه و الیاف طبیعی معطوف گردیده است.

مشکلاتی که بر سر گسترش کامپوزیتها مشاهده گردید، بالا بودن قیمت مواد اولیه و ناکارامد بودن فرایندهای دستی و قدیمی ساخت بود که با بهرهگیری از تکنولوژی جدید و رعایت ملاحظات استاندارد محصول و فرایند، به خوبی مرتفع گردید.

به این ترتیب هند موفق شده است تا مواد کامپوزیت را در محصولات ساختمانی زیر به کار گیرد: 1- قطعات و پانلهای پیشساخته و سبک ساختمانی 2- صفحات پوشاننده، دیوارهها، نمای بیرونی ساختمان و کفپوشها 3- دکوراسیون داخلی و قالبهای گچبری و معماری تزئینی 4- وانهای حمام، حوضها، استخرها، دستشوییها، مخازن ذخیره و کانالها 5- چارچوبها، دربها، پنجرهها، کابینت آشپزخانه تکنولوژی الیاف شیشه کامپوزیتهای الیاف شیشه با زمینه پلیمر (GRP) پاسخگوی بسیار مناسبی به نیازهای ساختمانی میباشد.

در این میان از بین تولیدات بسیار متنوع کامپوزیتی GRP، پروفیلهای تهیه شده توسط فرایند پالتروژن جایگاه ویژهای در صنعت ساختمان دارند.

مقدار انرژی و هزینه صرف شده در فرایند تهیه پروفیلهای پالتروژنی در مقایسه با پروفیلهای فولاد یا آلومینیوم، پایینتر بوده و برای مصرفکننده نیز مزایای بیشتری نسبت به محصولات مشابه آلومینیومی یا فولادی دارد.

این پروفیلها در سطح بینالمللی به عنوان یک کالای ساختمانی متداول شناخته شدهاند.

در جدول زیر مقایسهای از خواص این پروفیلها در مقایسه با سایر مواد متداول ساختمانی آورده شده است: پروفیلهای پالتروژنی دارای سطح مقطع ثابت بوده و به اشکال مختلف ساخته میشوند و با تکنیکهایی امکان ساخت بعضی مقاطع متغیر نیز وجود دارد.

این پروفیلها را میتوان به هر طول دلخواه تولید کرد و میتوان درصورت نیاز آنها را از انواع الیاف شیشه، کربن و حتی الیاف طبیعی تولید نمود.

این پروفیلها استحکام مکانیکی متوسط تا زیاد در کشش و فشار دارند و هزینه ساخت آنها بسته به نیاز و ضخامت قطعه قابل تغییر است.

تکنولوژی الیاف طبیعی در دهه اخیر استفاده از کامپوزیتهای الیاف طبیعی مورد توجه بخشهای مختلفی در هند قرار گرفته است.

الیاف طبیعیای که مورد استفاده قرار گرفتهاند شامل انواع کنف، کتان، موز و نارگیل میباشند که در مقایسه با الیاف شیشه سبکتر و ارزانتر بوده و با توجه به قابلیت بازگشت این مواد به طبیعت، ضرر زیستمحیطی ناچیزی دارند.

این الیاف در بعضی از زمینهها توانستهاند جانشین ارزانقیمتی برای چوب باشند.

در جاهایی که نیاز به استحکام زیاد نداشته باشیم به کارگیری الیاف طبیعی نسبت به الیاف شیشه، فلز و چوب بهصرفهتر میباشد.

کامپوزیتهای الیاف طبیعی با زمینه پلیمر(NFC) میتوانند به شکل صفحات و تختهها و یا پروفیلهای پالتروژنی، قالبگیری و ساخته شوند.

این محصولات در ساخت انواع دیوارهها و سقفهای کاذب، پنجرهها و نردهها، کفپوش و نمای ساختمانها و ساخت آجرهای مصنوعی کاربرد فراوانی دارند.

در زیر مقایسهای بین چارچوبهای چوبی متداول و چارچوب ساخته شده از الیاف طبیعی طی فرایند پالتروژن انجام گرفته است: الیاف طبیعی علاوه بر موارد یاد شده در ساخت دربها و همچنین ساخت پانلهای پوشش سقف به کار گرفته شده است.

الیاف نارگیل به کمک یک زمینه رزین مایع با اعمال حرارت، قالبگیری شده و به شکل