کامپوزیت ها

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 آنها 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 شده 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 .

كامپوزيت ها بر اساس نوع زمينه اي كه تقويت كننده را احاطه نموده است و آنها را به هم اتصال مي دهد به سه گروه عمده بر اساس يك طبقه بندي بين المللي واحد تقسيم مي شوند كه عبارتند از :

1- كامپوزيت هاي پايه فلزيMattel Matrix Composites يا MMC

2- كامپوزيت هاي پايه سراميكي Ceramic Matrix Composites يا CMC

3- كامپوزيت هاي پايه پليمري Polymer Matrix Composites يا PMC

كامپوزيتهاي پايه پليمري مهم ترين دسته از كامپوزيت ها مي باشند طيف وسيعي از صنايع ، از صنايع رده بالا مثل توليد قطعات هواپيما گرفته تا صنايع رده پايين مثل توليد سينك ظرفشويي و .... از كامپوزيتهاي پايه پليمري توليد مي شوند و درحال حاضر 59 درصد بازار كامپوزيت ها را به خود اختصاص داده اند و به همين دليل بزرگترين زير مجموعه مواد مركب محسوب مي گردند .

امروزه اغلب صنايع از مزاياي منحصر به فرد اين مواد بهره مي جويند و ردپاي كامپوزيت ها را در حوزه هاي زير مي توان جستجو نمود :

1- صنايع حمل و نقل شامل حمل و نقل هوايي ، جاده اي و دريايي

2- صنايع نظامي و هوا – فضا

3- صنايع انرژي در هر حوزه هاي توليد و انتقال برق و صنعت نفت ، گاز و پتروشيمي

4- صنعت ساخت و ساز شامل صنايع زير بنايي و صنعت ساختمان

5- صنايع مبلمان شهري

6- وسايل خانگي

7- لوازم ورزشي



كامپوزيت هاي پايه پليمري در حال حاضر تنها به ميزان 1 درصد در مهد تولد خود يعني صنايع هوا – فضا كاربرد دارند و قسمت عمده الباقي در صنايع ساخت و ساز و حمل و نقل به كار گمارده مي شوند . درحقيقت توسعه فناوري توليد كامپوزيتهاي پايه پليمري اين امكان را فراهم كرده است تا اغلب صنايع از مزاياي منحصر به فرد اين مواد بهره جويند .

در نمودار مقابل توزيع به كار گماري كامپوزيتها در صنايع مختلف در سطح جهاني نمايش داده شده است . مطابق آمار ارائه شده در اين شكل ، بيشترين ميزان مصرف كامپوزيت ها معطوف به صنعت ساخت و ساز مشتمل بر ساختمان ابر سازه ها ، صنايع نفت و گاز و لوله مي باشد .



مزاياي كامپوزيت هاي پايه پليمري

مزاياي سازه هاي مبتني بر كامپوزيت هاي پلميري نسبت به نمونه هاي سنتي بتني ، چوبي و فلزي را كه باعث نفوذ آنها درگستره وسيعي از صنايع مختلف شده است ، در موارد زير مي تواند خلاصه نمود :

1- كاهش وزن سازه ساخته شده با توجه به معماري قابل تغيير بر اساس خواست طرح

2- ايمن بودن در برابر پديده خوردگي

3- قابليت تحمل بارهاي سيكلي و مقاومت بسيار مناسب در برابر پديده خستگي

4- سادگي روشهاي توليد و امكان توليد اشكال بسيار پيچيده باروشهاي بسيار آسان ، كارآمد و مقرون به صرفه

5- سهولت فرايندهاي تعمير و عيب يابي چ

6- ضريب انبساط حرارتي پايين و عايق مناسب حرارتي

7- عايق الكتريكي

8- بهبود اتصالات و امكان توليد يكپارچه

9- خصوصيات ارتعاشي بسيار مناسب و مقاوم بودن نسبت به پديده تشديد در ارتعاشات نسبت به فلزات

10- قابليت مونتاژ آسان



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 محيطي و محوري باعث كاهش تغيير شكل هاي خمشي در مسير مي شود و لوله در برابر نيروهاي 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 .

در لوله 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 استحكام را ارائه مي دهند كه اين امر باعث مي شود تا جهت انتقال فراورده هاي پرفشار نفت و گاز از آنها استفاده مي شود .



ويژگيها و مزاياي لوله هاي كامپوزيتي

لوله هاي GRP نسبت به لوله هاي فلزي و بتوني از مزاياي خاصي بهره مند هستند كه هر مزيتي به واسطه وجود ويژگي خاصي نتيجه مي شود . اهم ويژگي هاي اين نوع لوله ها را در موارد ذيل مي تواند برشمرد :

مقاومت در برابر خوردگي

لوله هاي GRP به علت ماهيت مواد تشكيل دهنده ساختار آنها ، در برابر پديده خوردگي مقاوم هستند. لوله هاي GRP در برابر اغلب مواد شيميائي در دماهاي بالاتري از حد مقاومت ساير لوله هاي پلاستيكي مقاوم هستند ( تا حدود 170 درجه سانتيگراد ) . اين ويژگي باعث مي شود تا مزاياي ذيل نائل گردد :

عمر مفيد طولاني و حداكثر بهره وري اقتصادي

عدم نياز به حفاظت كاتدي و يا اعمال پوشش هاي داخلي و خارجي

ثبات مشخصه هاي هيدروليكي درطول ماموريت

پايين بودن هزينه هاي تعمير و نگهداري

كاهش وزن

يك لوله كامپوزيتي به طور معمول 25 درصد لوله چدني ، 33 درصد لوله فلزي و 10 درصد لوله بتوني وزن دارد و اين امر باعث مي شود تا برتري هاي ذيل حاصل شود :

كاهش هزينه هاي بارگيري و حمل

امكان درون هم گذاري 6 لوله هاي با اقطار مختلف در داخل يكديگر

هزينه پايين نصب

سطح داخلي صاف و صيقلي

با توجه به مواد اوليه و فرايند توليد ، سطح داخلي لوله هاي GRP بسيار صاف و صيقلي مي باشند كه مزاياي ذيل از رهگذر اين ويژگي بدست مي آيند .

امكان دستيابي به جريان مشابه با استفاده از قطرهاي كمتر نسبت به لوله هاي ديگر

كاهش ميزان مصرف انرژي به علت كاهش ميزان افت فشار

كاهش رسوبات جمع شده در داخل لوله

کاهش ضريب اصطكاك داخلي

كاهش مدول الاستيسيته

شوك هاي داخلي كه معروفترين آن ضربه قوچ مي باشد ، در اثر تغييرات ناگهاني سرعت سيال درون سيستم ايجاد مي شود . در شرايط خاص نيروي ضربه آن قدر مي تواند زياد باشد كه سيستم را تخريب كند فشارهاي گذرا با سرعت موج در سيستم حركت مي كند و قادر است با توجه به منبع و جهت حركت موج باعث افزايش يا كاهش فشار گردد . اندازه ضربه قوچ بستگي به خصوصيات و سرعت سيال دار و دراثر مدول الاستيسيته كم در لوله هاي GRP توانايي آنها در دفع نيروي موج و كاهش تاثير موج در سيستم بسيار زياد است . به طور كلي لوله هاي GRP به تحمل ضربه قوچي به ميزان 40 درصد بيشتر از فشار اسمي خود مي باشد و ضربه قوچ در آنها حدوداً نصف لوله هاي فلزي است . سرعت موج حاصل در لوله هاي GRP با توجه به كلاس فشاري و سفتي لوله در محدوده 340 الي 640 متر برثانيه مي باشد اين مقدار در لوله هاي فلزي حدود 1100 متر بر ثانيه تخمين زده مي شود . كاهش ضربه قوچ ، علاوه بر افزايش عمر لوله باعث مي شوند تا از تجهيزات حفاظتي كمتري جهت پيشگيري از ضربه قوچ استفاده شود .



وضعيت صنعت كامپوزيت درسطح بين المللي و ملي

طبق استاندارد بين المللي شاخص توسعه يافتگي از ديدگاه صنعتي كامپوزيت مصرف سرانه معادل 3 كيلوگرم به ازاي هر شهروند است . در نمودار بالا نماي كلي از كشورهاي مختلف و جايگاه آنها در اين صنعت ترسيم شده است .

95.8 درصد كامپوزيت هاي مورد استفاده در ايران ، كامپوزيتهاي پايه پليمري هستند و بيشترين حجم مصرف آنها مختص صنايع ساختمان و حمل و نقل مي باشد در نمودارمقابل توزيع فراواني استفاده از كامپوزيت دربخشهاي مختلف صنعت در كشورمان نمايان است .



كاربرد كامپوزيتهاي پلميري در صنايع ايران

استفاده از كامپوزيتها در صنايع به منظورحفاظت در برابر خوردگي كه در قالب لوله و مخازن نمود پيدا مي كند مقام چهارم را به خود اختصاص داده است و اين در حالي است كه بخش عمده اي از صنايع كشور از مشكل خوردگي و تبعات هزينه ناشي از آن رنج مي برند . خوردگي در ايران درسال 1379 معادل 2700 ميليارد ريال بر اساس 5 درصد از توليد ناخالص ملي برآورد شده است كه براساس تقسيم بندي انجام شده از سوي بانك مركزي جمهوري اسلايم ايران خسارت مستقيم خوردگي در چهار بخش اصلي براي سال 1379 محاسبه گرديده است و در نمودار مقابل نشان داده شده است ( برگرفته از نشريه خوردگي ، سال چهارم شماره 11 و 12 -1382 ) .
در حال حاضر صنعت كامپوزيت عليرغم جوان بودن در كشورمان ، اكثر روشهاي توليد پيشرفته همانند روش پيچش الياف ، روش SMC و روش قالب بسته را براي توليدات مختلفي را همانند لوله ، قطعات خودرو و پره توربين بادي و ...... شامل مي شود و توسعه اين صنعت نيازمند ...... جدي متخصصان ، انديشمندان و مسئولان در بسترهاي مرتبط با اين صنعت مي باشد .

منبع: سایت شرکت فراسان