استفاده از كامپوزيت‌هاي چوب

عدم امكان بازيافت و قيمت بالا، همواره دو معضل عمده گسترش كامپوزيت‌هاي پليمري در دنيا بوده‌اند، اما امروزه استفاده از الياف گياهي در ساخت كامپوزيت‌ها، نويدبخش افقي روشن براي صنعت كامپوزيت است. اين الياف براحتي به چرخه طبيعت برگشته و از قيمت بسيار پايين‌تري برخوردارند. كامپوزيت‌ها، درواقع تركيبي از الياف تقويت‌كننده با يك رزين پليمري هستند. يك قطعه كامپوزيتي ساخته شده با اليافت شيشه، پس از اتمام عمرخود، در طبيعت باقي مي‌ماند زيرا نمي‌تواند مانند مواد آلي توسط باكتري‌ها تجزيه شود. اين مشكل حتي با سوزاندن قطعه كامپوزيتي به قوت خود باقي است زيرا سوزاندن، تنها قسمت پليمري قطعه را به طبيعت برگشت مي‌دهد و الياف شيشه در حين حرارت ديدن، همچنان بدون تغيير باقي مي‌مانند. حتي اگر بخواهيم اين الياف را مجدداً مورد استفاده قرار دهيم، خواهيم ديد كه بعد از چند با بازيافت، مقاومت مكانيكي خود را از دست مي‌دهند و به‌صورت ضايعات بلا استفاده در خواهند آمد. از سويي، الياف شيشه درمقايسه با آهن معمولي، گران‌تر بوده و همين عامل باعث شده است تا در بسياري موارد، استفاده از آهن بصرفه‌تر از الياف شيشه باشد. علاوه‌بر آهن، آلومينيم نيز به دليل قابليت‌هاي بالايي كه در فرايندهاي شكل‌دهي از خود نشان مي‌دهد و همچنين مقاومت در برابر خوردگي، يكي از رقباي سرسخت كامپوزيت‌ها به‌شمار مي‌آيند. اين دو معضل، باعث كند شدن ميزان استفاده از كامپوزيت‌ها در صنايع ساختمان و خودرو شده است.
براي مقابله با اين دو نقيصه، فعاليت‌هايي گسترده‌ در زمينه استفاده از الياف گياهي همچون كنف و چتايي در ساخت قطعات كامپوزيتي صورت گرفته است. اين فعاليت‌ها طي دهه گذشته به نحوي چشمگيرافزايش يافته و از سوي كشورهاي توسعه يافته و درحال توسعه همچون امريكا، هند و غيره دنبال مي‌شود. الياف گياهي بسيار سبك بوده و فوق‌العاده ارزان‌تر از الياف شيشه هستند. آنها خواص مكانيكي بسيار خوبي از خود نشان مي‌دهند و بسادگي در انواع فرايندهاي شكل‌دهي كامپوزيت‌ها نظير پالتروژن يا قالب‌گيري فشاري، قابل استفاده هستند. برخلاف آنچه كه از الياف گياهي انتظار مي‌رود، سرعت اشتعال كامپوزيت‌هاي الياف گياهي (WPC) بسيار پايين‌تر از حد تصور است. اين الياف از نظر مقاومت و قيمت، حد واسط پلاستيك‌ها و كامپوزيت‌هاي الياف شيشه محسوب مي‌شوند. بنابراين در ساخت قطعات تزئيني و ساير قطعاتي كه نيازمند مقاومت فوق‌العاده نيستند (اصطلاحاً سازه‌هاي غيرباربر) رقباي مناسبي براي پلاستيك‌ها، فايبرگلاس و حتي چوب و آهن به‌شمار مي‌آيند. در مقام مقايسه نيز كامپوزيت‌هاي الياف گياهي (WPC) نسبت به بهترين پلاستيك‌ها تا 30 درصد مقاوم‌تر هستند. مجموع اين عوامل باعث شده است تا صنايع ساختمان و خودرو به‌عنوان بزرگ‌ترين صنايع مصرف‌كننده كامپوزيت‌ها، استقبال مناسبي از كامپوزيت‌هاي الياف گياهي (WPC) كنند.

WPC چيست؟

در1970 WPC به‌عنوان مفهومي مدرن در ايتاليا ظهوريافت، در اوايل 1990 كاربرد آن در امريكاي شمالي معروف شد و با شروع قرن 21، در هند، مالزي، سنگاپور، ژاپن و چين گسترش يافت. WPC را مي‌توان يكي از بخش‌هاي پوياي صنعت پلاستيك امروز، با ميانگين نرخ رشد سالانه تقريبي 18 درصد در امريكاي شمالي و 14 درصد در اروپا دانست. گزارش‌ها نشان مي‌دهند كه در 1999حدود 460ميليون تن WPC توليد شده و اين ميزان در سال 2001 تا حدود 700 ميليون تن افزايش يافته است.
صنعت پلاستيك، براي اصلاح كارايي پلاستيك‌ها، به‌صورت سنتي از تالك، كربنات كلسيم، ميكا و الياف كربن و شيشه استفاده مي‌كند. صنايع مهم نظير: هوا فضا، خودرو، سازه‌ها و بسته‌بندي، اشتياق زيادي براي گسترش كامپوزيت‌هاي نو نشان مي‌دهند. شاهدي بر اين مدعا، جايگزيني الياف غيرآلي مانند شيشه يا آراميد با الياف گياهي به‌عنوان فيلر است.
به هر كامپوزيتي كه شامل الياف گياهي (چوب يا غير چوب) و مواد ترموست يا ترموپلاست باشد WPC گفته مي‌شود. ترموست‌ها پلاستيك‌هايي هستند كه يك‌بار شبكه‌اي شده و نمي‌توانند دوباره مذاب شوند. اين مواد، شامل رزين‌هايي مانند اپوكسي و فنوليك هستند. ترموپلاستيك‌ها را مي‌توان به دفعات ذوب كرد. اين خصوصيت، به ديگر مواد مانند الياف چوب اجازه مي‌دهد كه با پلاستيك‌ها براي تشكيل محصولات كامپوزيتي مخلوط شوند. PP, PE , PVC به‌صورت گسترده براي WPCها استفاده شده و به‌صورت رايج در محصولات ساختمان، سازه‌ها، اسباب و وسايل و خودرو مورد استفاده قرار مي‌گيرند.
WPC عموماً از اختلاط الياف گياهي با پليمر يا با اضافه كردن الياف چوب به‌عنوان فيلر به ماتريس و فرايند پرسكاري يا قالبگيري تحت دما و فشار بالا به‌دست مي‌آيد. افزودني‌هايي مانند رنگدانه‌ها، عوامل اتصال‌دهنده، پايدار كننده‌ها، عوامل پف‌كننده، تقويت‌كننده‌ها و روان‌كننده‌ها براي رسيدن به محصول نهايي استفاده مي‌شوند.

 

الياف گياهي
بيشتر تحقيقات دانشگاهي و پيشرفت‌هاي صنعتي معطوف به يافتن راه‌هاي جديد خلق مواد شيميايي سبز و دوستدار محيط‌زيست، براي طيف وسيعي از كاربردها شده است. الياف را مي‌شود به دو گروه اصلي مصنوعي و طبيعي طبقه‌بندي كرد. الياف طبيعي با پتانسيل ارائه در مقادير بالاتر، قابليت تجديد و قيمت پايين‌تر، به‌طور خاص در صنعت خودرو ارائه مي‌شوند. عموماً الياف طبيعي بر پايه خاستگاهشان به زير گروه‌هاي گياهي، حيواني و معدني تقسيم مي‌شوند. تمام الياف گياهي از سلولز تشكيل شده‌اند، اما الياف حيواني شامل پروتئين (مو، ابريشم و پشم) هستند. الياف گياهي را مي‌توان براساس قسمتي از گياه كه به‌دست آمده‌اند نيز كلاسه‌بندي كرد. الياف گياهي، شامل ليف درخت (ساقه يا بافت سلولي)، برگ، دانه، علف، پوشال، حبوبات و چوب مي‌شوند. تعدادي از الياف طبيعي مهم در جدول 1 ليست شده‌اند. باقيمانده محصولات كشاورزي مانند پوشال گندم و برنج، تفاله نيشكر و ساق ذرت، گرچه در مقايسه با چوب داراي سلولز كمتري هستند، اما منبع الياف گياهي هستند. "برگ مخملي" كه در حال حاضر به‌عنوان علفي هرز و مشكل‌آفرين در كشاورزي تلقي مي‌شود، مي‌تواند به‌عنوان منبعي براي الياف گياهي، مورد استفاده قرار بگيرد. الياف ساقه برگ‌هاي مخملي، خواصي مشابه با الياف تهيه شده از پوست ليفي درختان (مانند كنف) دارند. قابليت استفاده از كيفيت بالاي اين الياف و خواص مكانيكي خوب، شرط لازم براي استفاده از اين مواد درزمينه تقويت پلاستيك‌هاست.

جدول 1: ليستي از الياف گياهي

الياف گياهي در مقايسه با الياف شيشه داراي مزايا و معايبي هستند. خواص بومي، قابلي تخريب توسط عوامل بيولوژيكي، قيمت پايين، طبيعت غيرفرسايشي، استفاده بي‌خطر، مصرف انرژي كم، خواص ويژه بالا، چگالي كم و دامنه وسيعي از انواع الياف، فاكتورهاي مهمي براي قبول اين مواد در بازارهايي مانند صنعت خودرو و ساختمان با حجم استفاده بالاست. به‌علاوه، عامه مردم به محصولاتي كه از مواد قابل تجديد دوستدار محيط‌زيست ساخته مي‌شوند، تمايل بيشتري دارند.
درهرحال اشكالاتي مانند تمايل به تشكيل توده طي فرايند، پايداري حرارتي پايين، مقاومت كم به رطوبت و تغييرات كيفي در فصول مختلف (حتي بين يك گونه گياهي در شرايط كشت يكسان)، به‌صورت جدي پتانسيل استفاده از الياف گياهي را به‌عنوان تقويت‌كننده پليمرها كاهش داده است. جذب رطوبت بالاي الياف گياهي منجر به تورم و وجود حفره در سطح مي‌شو كه به افت خواص مكانيكي و كاهش پايداري ابعادي كامپوزيت‌ها مي‌انجامد. اصلاح سطحي الياف گياهي مانند استفاده از مواد شيميايي آبگريز (مانند PPgMA) يا اصلاح با مونوموهاي وينيلي مي‌تواند جذب رطوبت آنها را كاهش دهد. يكي از معايب عمده الياف گياهي، سازگاري كم آنها با ماتريس‌هاي پليمري است كه منجر به ديسپرسيون غير يكنواخت و خواص مكانيكي ضعيف مي‌شود. چوب و پلاستيك، شبيه آب و روغن هستند و خوب مخلوط نمي‌شوند. بيشتر پليمرها بويژه ترموپلاستيك‌ها، موادي غيرقطبي هستند كه با مواد قطبي نظير الياف چوب، سازگار نبوده و در WPC منجر به چسبندگي ضعيف بين پليمر و الياف مي‌شوند. به منظور بهبود پيوستگي و چسبندگي بين الياف و ماتريس‌هاي ترموپلاستيك، ازاتصال‌دهنده‌هاي شيميايي يا عوامل سازگار كننده استفاده مي‌شود. بعضي تركيبات مانند هيدروكسيد سديم، سيلان، اسيد استيك، ايزوسيانات، پرمنگنات پتاسيم، پروكسايد و غيره به‌عنوان مواد افزايش‌دهنده چسبندگي شناخته شده‌اند. مكانيسم عوامل سازگار كننده در شكل 1 نشان داده شده ست. عوامل اتصال‌دهنده با الياف آبدوست به‌صورت شيميايي و با زنجير پليمر از طريق خيس كردن اتصال برقرار مي‌كنند.

شكل 1: مكانيسم اتصال بين الياف آبدوست و ماتريس پليمري آبگريز

 

مسئله بعدي، دماي فرايند است كه انتخاب ماتريس‌ها را محدود مي‌كند. الياف گياهي، متشكل از موادآلي مختلفي هستند و اصلاح حرارتي آنها منجر به تنوعي از تغييرات فيزيكي و شيميايي مي‌شود. تخريب دمايي اين الياف، منجر به خواص ارگانولپتيك ضعيفي مانند بو، رنگ و زوال خواص مكانيكي آنها مي‌شود. همچنين، اين پديده منجر به توليد محصولات گازي مي‌شوند. هنگامي كه فرايند در دماي بالاي 200 درجه سانتي‌گراد انجام شود، ممكن است باعث افزايش تخلخل و كاهش چگالي و خواص مكانيكي شود، لذا براي بهبود پايداري حرارتي، از پوشش دادن يا پيوند زدن با مونومرها استفاده مي‌شود.
براي بهبود خواص مكانيكي ترموپلاستيك‌ها، از موادي مختلف مانند الياف كربن و شيشه استفاده مي‌شود كه مي‌توان آنها را با الياف گياهي جايگزين كرد، به‌صورتي كه از كارايي برابر يا بهتر از مواد مذكور برخوردار شوند. اين مواد، وزن محصولات را تا حدود 15 درصد كاهش داده و شيمي سطح بسيار فعالي دارند. الياف شيشه، باعث بروز مشكلات پوستي و تنفسي مي‌شوند، اين عيب را مي‌توان با استفاده از الياف گياهي، كاهش داد.
الياف گياهي مورد استفاده در پليمرها اشكال گوناگوني دارند، لذا خواص محصول نهايي با استفاده از اندازه، شكل و خواص الياف گياهي تعيين مي‌شوند. فاكتورهاي ديگر مانند اندازه الياف، مورفولوژي، تركيب شيميايي، چگالي، ضخامت، درصد الياف و مقدار عوامل اتصال‌دهنده، بر خواص استحكامي WPC مؤثر است.

كاربرد كامپوزيت‌هاي سبز در صنايع خودرو
توليدكنندگان و مهندسان، همواره در حال پايش مواد جديد و فرايندهاي بهبود يافته براي استفاده در توليد محصولات بهتر و بنابراين نگهداري حاشيه رقابتي و افزايش حاشيه سود خود هستند. از WPCها درموارد متعددي براي كاربردهاي خودرويي، سازه‌اي، دريايي، الكترونيكي و هوا فضا استفاده مي‌شود (شكل2).
در حال حاضر، بازار WPCها بازاري چند ميليون دلاري است. بزرگ‌ترين بازار شناخته شده براي WPCهاي سبز، جايگزيني فولاد و الياف شيشه در قطعات خودرو است. از اين مواد در ساخت قطعات تريم داشبورد، پنل‌هاي درب، طاقچه عقب، كفي صندلي، پشت سري صندلي و پوشش داخل كابين استفاده مي‌شود. الياف گياهي به‌صورتي گسترده در عايق‌هاي صوتي ـ حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. استفاده از الياف كتان در ديسك ترمز با هدف جايگزيني با الياف آزبست، يكي از ديگر مثال‌هاست. تعداد كمي از قطعات بيروني نيز با استفاده از كامپوزيت‌هاي حاوي الياف گياهي ساخته مي‌شوند.
مسئله حفاظت از محيط‌زيست، اهميتي ويژه‌ براي خودروسازها دارد، شايد به همين دليل است كه روند توليدات، متمايل به محصولات داراي قابليت بازيافت است. برطبق خط‌مشي 2000/53/EG كه توسط كميسيون اروپايي تهيه شده است، مقرر شده بود كه در سال 2005، حدود 85 درصد از وزن خودرو مي‌بايستي با مواد قابل بازيافت ساخته شود. اين درصد تا سال 2015 بايد به 95 درصد افزايش يابد. خودروها بايد از 95 درصد مواد قابل بازيافت تشكيل شوند كه 85 درصد قابليت بازيافت از طريق استفاده مجدد يا بازيافت مكانيكي و 10 درصد از بازيافت انرژي يا بازيافت حرارتي بوده و اين موضوع به‌طور حتم منجر به استفاده از WPCها خواهد شد. با وجود تمامي پيشرفت‌هاي صورت گرفته، هنوز هم بازيافت مواد مصرفي در خودرو، كاري بسيار دشوار است زيرا جنس بيشتر آنها، مواد پليمري مبتني بر پايه نفت بوده كه با ساختارهاي كامپوزيتي تركيب شده‌اند. شركت دايملر/ بنز، ايده جايگزيني الياف شيشه با الياف گياهي در قطعات خودرو را از 1991 گسترش داد. مرسدس در 1996 از الياف كنفي در پنل‌هاي درب بنز كلاس E استفاده كرد. دايملر/ كرايسلر در سپتامبر 2000 از الياف گياهي براي توليد خودروهايش استفاده كرد. الياف تهيه شده از پوست ليفي درختان، به‌دليل خواص استحكامي بالايي كه نشان داده‌اند، به‌صورت ابتدايي در كاربردهاي خودرويي مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ديگر مزيت استفاده از الياف درختي در كاربردهاي خودرويي، كاهش وزن بين 10 تا30 درصد و درنتيجه كاهش در هزينه توليد است. در واقع تمام خودروسازان بزرگ آلمان (دايملر/ كرايسلر، بنز، فولكس واگن، گروه آئودي، BMW، فورد و اپل) در حال حاضر از WPCها در كاربردهايي متعدد و مختلف، استفاده مي‌كنند. دايملر/ كرايسلر در قطعات داخلي، مانند داشبورد و پنل‌هاي درب، از كامپوزيت‌هاي PP و الياف گياهي استفاده كرده است. در مدل A2 سال 2000 آئودي، پنل‌هاي تريم درب از پلي اورتان تقويت شده با كتان ساخته شده‌اند. دايملر/ كرايسلر، تحقيقات خود را بر كامپوزيت‌هاي پلي‌استر تقويت شده با الياف گياهي، براي كاربرد آن در قسمت‌هاي خارجي خودرو، متمركز كرده است.
تحقيقات نشان داده‌اند كه استفاده از الياف چوب يا انواع مختلف الياف مشتق شده از زمين، مزاياي فراواني براي استفاده در كاربردهاي خودرويي دارند. اين كامپوزيت‌ها از نقطه نظري تكنيكي، استحكام مكانيكي و خواص آكوستيكي را افزايش مي‌دهند، وزن قطعه، مصرف سوخت، زمان فرايند و هزينه‌هاي توليد را كاهش داده و امنيت مسافر و قابليت تخريب توسط عوامل بيولوژيكي را براي قطعات داخلي خودرو بهبود مي‌بخشند. مثلا، مرسدس كلاس E به كاهش وزن قابل توجه 20 درصد دست‌يافته و خواص مكانيكي آن براي حفاظت مسافرين در تصادفات، بهبود يافته است. از نظر ملي نيز، الياف گياهي قابل نو شدن بوده (هر ساله توليد مي‌شوند)، از قابليت تخريب توسط عوامل بيولوژيكي برخوردار بوده و دوستدار محيط‌زيست هستند.

شكل 2: مصرف كامپوزيت چوب- پلاستيك در سال 2003

با توجه به اينكه الياف گياهي در حال حاضرتوسط خودروسازاني بزرگ همچون: آئودي، اپل، دايملر/ كرايسلر، فيات، فورد، بنز، پژو، رنو، ولوو، فولكس واگن و BMW مورد استفاده قرار مي‌گيرند، ميزان مصرف آنها براي كاربردهاي مختلف در صنعت خودرو عبارتنداز:
* روكش درب جلو
* روكش درب عقب
* روكش صندوق عقب
* طاقچه عقب
* پشتي صندلي
* كشويي سقف متحرك
* چراغ‌هاي جلو

افزون بر5 كيلوگرم الياف گياهي نيز در ديگر قطعات داخلي خودرو مورد استفاده قرار مي‌گيرد. با توليد سالانه حدود 58 ميليون خودرو سبك در دنيا كه 30 درصد آن در غرب اروپا توليد مي‌شود، تجارت اين مواد در 18 ميليون خودرو، سالانه تقريباً معادل 175 تا 350 هزار تن است.
از 1996 تا سال 2003 استفاده سالانه از الياف گياهي در كامپوزيت‌هاي صنعت خودروي آلمان، از 4 هزار به 18 هزار تن افزايش يافته است. از 1996 تا سال 2002 افزايشي نسبتاً خطي با نرخ رشد 10تا20 درصد در مقدار مصرف سالانه اروپا مشاهده شده كه اين مقدار، تقريباً معادل 70 هزار تن مواد حاوي الياف گياهي جديد است. اين مقدار، تقريباً 2 برابر مقدار كلي تخمين زده شده براي استفاده از WPCها در اروپاي غربي است.
مطالعه انجام شده در امريكا نشان مي‌دهدكه بازار الياف گياهي حدود 45 هزار تن، با نرخ رشدسالانه حدود 15 تا20 درصد است و به نظر مي‌رسد كه اين روند همچنان ادامه يابد. برطبق اظهار نظر سازمان غذايي ارويي سازمان ملل (FAO) و CFC ميانگين مصرف 5 تا10 كيلوگرم الياف گياهي براي استفاده در خودرو در سال‌هاي آينده تخمين زده شده است. در حال حاضر، الياف گياهي به‌عنوان فيلر و تقويت‌كننده پليمرها، از بيشترين سرعت رشد درميان افزودني‌هاي پليمر، برخوردار هستند.

منابع:1. Alireza Ashori, Wood-plastic composites as promising green- composites for automotive industries! Bioresource Technology 99 (2008) 4661-4667.
2. محمدرضا آباديان، كامپوزيت‌هاي الياف طبيعي در صنايع ساختمان و خودرو:
http://woodworking.blogfa.com/post-116.aspx
3. http://nano.itan.ir

» ادامه مطلب

سنگهای مصنوعی

سنگ مصنوعي چيست؟

با پيشرفت علوم شيمي و متالوژي به ويژه در گرايش‌هاي پليمر و كامپوزيت، تحول شگرفي در صنايع و معادن حادث شده است. ساخت و سنتز مصنوعات شيميايي و احياي مواد معدني از طريق فعل و انفعالات شيميايي، يكي از كاركردهاي شيمي پليمر در عصر حاضر است، شايد تركيب عناصر و مواد معدني با يكديگر و توليد مواد جديد تركيبي تحت عنوان كامپوزيت‌ها مهم‌ترين تحول علمي قرن بيستم باشد. از سوي ديگر تركيب مواد طبيعي بازيافتي با بستري از مواد چسبنده منجر به توليد مصنوعاتي ويژه باكاركردهاي متنوع شده است.

در اين تركيبات معمولا از زرين‌ها به عنوان مواد چسبنده يا بستر استفاده مي‌شود. مواد طبيعي بازيافتي موادي هستند كه پس از يك پرسه (فرآيند توليدي) غيرقابل استفاده و بازيافت شده است. از خصوصيات كامپوزيت‌ها (مواد تركيبي) مي‌توان به مقاومت بالا، ضربه‌پذيري خوب، فشارپذيري ايده‌آل و وزن پايين اشاره كرد.

كامپوزيت‌هاي ايمني، مارپيچي و معدني نمونه اين تركيبات هستند. به طور مثال كامپوزيت‌هاي ايمني، از تركيب الياف بازيافتي به عنوان ماتريس و رزين‌هاي پلي‌استر به عنوان بستر توليد مي‌شوند. همين‌طور كامپوزيت‌هاي معدني، از تركيب مواد معدني بازيافتي با رزين‌ها حاصل مي‌شوند كه نمونه بارز آن، سنگ‌هاي مصنوعي هستند. سنگ مصنوعي از بازيافت ضايعات سنگ طبيعي تحت پرس و فشار در مرحله اول و در نهايت پخت در مرحله دوم توليد مي‌شوند. فرآيند پخت، مهم‌ترين مرحله توليد سنگ‌هاي مصنوعي است. در اين فاز، رزين‌هاي مختلف با سنگ‌هاي بازيافتي تركيب و در حرارت و فشار كنترل‌شده پخت مي‌شوند.

با توجه به فرآيندهاي رنگ‌پذيري و شكل‌دهي، انواع سنگ‌ها با مدل، طرح و رنگ‌هاي گوناگون توليد مي‌شوند.
انواع سنگ‌هاي مصنوعي به شرح زير است:
1 - سنگ با سطوح صاف شامل صيقلي، مات و نيمه‌مات
2 - سنگ با نقوش برجسته
همچنين انواع طرح‌هاي سنگ‌هاي مصنوعي به قرار زير است:
1 - سبك سفال
2 - سبك معرق
3 - سبك مس
4 - سبك مشبك
5 - سبك كاشي
6 - سبك گچبري
7 - سبك چرم
8 - سبك فرش
9 - سبك چوب
همچنين انواع سنگ‌هاي صاف با طرح‌هاي بادبر، تيشي، سنگ‌پله، درپوش و لاشه‌اي توليد مي‌شود.
از ويژگي‌هاي سنگ‌مصنوعي مي‌توان به موارد زير اشاره كرد:
1 - تنوع در رنگ با قابليت اجراي طرح‌هاي مختلف و دلخواه

2 - سبك‌تر از سنگ‌هاي طبيعي و با وزن مخصوص 1600 تا 1700 كيلوگرم بر مترمكعب است كه همين امر باعث وزن كمتر ساختمان و در نتيجه كاهش اثر زلزله بر ساختمان مي‌شود.

3 - قابليت جذب آب در حد صفر
4 - عدم محدوديت در ابعاد توليدي با نصبي همانند سنگ طبيعي
5 - استقامت (كشش و فشار) بالاتر از سنگ‌هاي طبيعي

6 - اسكوب سرخود است. بدين معني كه برخلاف سنگ‌هاي طبيعي در اثر عوامل جوي و عدم چسبندگي به مرور زمان از بدنه ساختمان جدا نمي‌شود، از آشناترين معايب سنگ طبيعي، همين جدا شدن تدريجي از بدنه ساختمان است.

7 - مقاومت بالا در برابر عوامل جوي
8 - استحكام و انسجام بالا
9 - تنوع‌پذيري بالا
10 - نصب راحت و بدون دردسر

بدون شك مي‌توان گفت كه توليد سنگ مصنوعي در كشور، اشتغالزا و درآمدزا است، چرا كه با احداث و راه‌اندازي خطوط توليد اين محصول، نيروي انساني قابل ملاحظه‌اي مشغول به كار شده و درآمدزايي مطلوب حاصل مي‌شود.

قطعا با حمايت‌هاي دولت و مشاركت بخش‌خصوصي توليد سنگ مصنوعي گسترش چشمگيري در آينده‌اي نزديك داشته و به صنعتي سودآور بدل خواهد شد. آري، سنگ مصنوعي جايگزين مناسبي براي سنگ طبيعي است.

سنگبري و تكنيك‌هاي آن

بريدن نقوش و خط نگاره‌ها به صورت مسطح براي پرداخت و تزئين طرح و زمينه با استفاده از ابزار برش را «سنگبري» يا «برش سنگ» مي‌نامند. معرق و مشبك، از انواع اين روش هستند.

معرق‌كاري

بريدن، كنار هم چيدن و چسباندن سنگ‌هاي رنگارنگ لايه شده براي ايجاد طرح و نقش با ابزار برش و سايش را معرق‌كاري سنگ مي‌گويند. از معرق سنگ براي تزئينات بنا مانند اندازه و كف و همچنين انواع سطوح مانند صفحه ميز استفاده مي‌شود.

معرق سنگ بيشتر بر سطوح تخت و گسترده اجرا مي‌شود. در اين هنر مي‌توان از تسمه‌هاي برنجي و نوارهاي سنگي پهن و باريك به منظور ايجاد قاب به دور نقش اصلي معرق (شبيه جدول‌كشي در تذهيب و نگارگري) نيز استفاده كرد.

نقوش مورد استفاده در معرق سنگ شامل طرح‌ها، نقوس سنتي (اسليمي و ختايي، گره‌ها و خط نگاره‌ها) و طرح‌هاي متنوع ديگر است.

مشبك‌كاري

بريدن بخش‌هايي از لايه سنگ براساس طرح به وسيله ابزار برش و ايجاد شبكه و روزنه را مشبك‌كار سنگ مي‌گويند. از مشبك سنگ براي ساخت نورگير، هواكش و جداكننده فضاها در بنا استفاده مي‌شود، اين جداكننده‌ها غالبا به شكل مسطح بوده و حجم، ابعاد و اندازه متناسب با كاربرد دارند.

نقوش رايج در مشبك سنگ علاوه بر طرح‌هاي مهندسي مانند گره، نقوش اسليمي و ختايي، طرح‌هاي جانوري و خط نگاره‌ها نيز هست. با اين تفاوت كه در برخي طرح‌ها مانند گره‌ها، پراكندگي شبكه‌ها در سطح كار متعادل است. بدين معني كه نقوش ما بين خطوط اصلي گره، برش خورده و خالي مي‌شوند. ولي در مورد نقوشي مانند گرفت و گير، طرح اصلي ثابت بوده و شبكه تنها بر روي زمينه ايجاد مي‌شود. لازم به ذكر است كه نقوش استفاده شده در مشبك بايد به يكديگر پيوسته باشند تا ساختار شبكه متعادل و پايدار بماند.

نویسنده : فرهود رشيدي

» ادامه مطلب

Composite applications in electrical and electronic industry

حدود 20 سال است که کامپوزیتهای پلیمری تقویت شده با الیاف FRP در کاربردهای الکتریکی مصرف می شوند . این مواد در ساخت قطعات گوناگون صنعت برق به کار می روند ؛ از جمله لوله های عبور کابل ، سیستم های حمل کابل در تونل ها و پل ها ، تیرهای انتقال برق ، بازوهای عرضی ( کراس آرم ها ) ، مقره ها ، برج های ارتباطی و جز آن .● لوله کامپوزیتی عبور کابلیکی از موارد کاربرد کامپوزیت در صنعت برق ، ساخت لوله های عبور کابل است . لوله های پلیمری تقویت شده با الیاف شیشه GRP را می توان در ترکیب با اتصالات و متعلقات ویژه ای به کاربرد و آن ها را به شکل یک سیستم عبور کابل چندلایه و چند ردیفی شکل داد . این لوله ها برای کابل های شبکه برق شهری و کابل های مخابراتی زیرزمینی مورد استفاده قرار می گیرند . علاوه بر این در موارد زیر نیز کاربرد دارند :۱) برای کابل هایی که از زیر ریل جرثقیل های سقفی و یا راه های اصلی شهری عبور می کنند .۲) برای کابل هایی که از روی پل ها و رودخانه ها عبور می کنند . به ویژه برای کابلهایی که از روی پل عبور می کنند ، به کارگیری لوله های GRP ، بار وارده بر پل را کاهش داده و ساخت و ساز پل را تسهیل خواهد کرد .● سیستم حمل کابل کامپوزیتیسیستم های حمل کابل کامپوزیتی ، یک محصول سازه ای برای حل بسیاری از مشکلات مهندسی و طراحی در شبکه های برق رسانی و مخابراتی هستند که برای نگهداری کابل های گرانبها و اغلب حساس و استراتژیک در دراز مدت قابل اعتمادند . این سیستم ها ویژگی های منحصربه فردی دارند که آن ها را قادر به تحمل بسیاری از محیط های خورنده می کند ؛ به ویژه شرایطی که مواد سنتی در آن ها عمر کاری مفید و اقتصادی ندارند . این محصولات از رزین های گرما سخت تقویت شده با شیشه و به نحوی طراحی و ساخته می شوند که یکپارچگی سازه ای آنها با انواع فولادی و آلومینیمی رقابت می کند ؛ با این تفاوت که مشکلات خوردگی ، سنگینی وزن و هدایت الکتریکی آنها را ندارند .این محصولات در برابر اسیدها ، نمک ها ، قلیاها و محدوده وسیعی از محیط ها و مواد شیمیایی خورنده که بر آلومینیم و فولاد گالوانیزه اثرات شدیدی دارند ، مقاومند . حتی محصولات آلومینیمی یا فولادی پوشش داده شده نیز ممکن است به علت خراش های کوچک ایجاد شده حین نصب یا پس از آن ، در معرض آسیب باشند .این محصولات در مقایسه با فولاد یا آلومینیم ، دارای نسبت استحکام به وزن بسیار بالایی هستند درحالی که یکپارچگی سازه ای مشابهی با آنها دارند .پروفیل های کامپوزیتی پالترود شده که در این سیستم ها به کارگرفته می شوند دارای وزن مخصوصی حدود یک چهارم فولاد و یک سوم آلومینیم هستند که این امر حمل و نقل و برپا کردن آن ها را تسهیل می کند . برخلاف فولاد زنگ نزن این قطعات را می توان در محل و با وسایل دستی برید و سوراخ کرد . از آنجاییکه سینی و نردبان های این سیستم نارسانا هستند ، از بابت انتقال برق به سیستم حمل کابل از کابل های آسیب دیده هیچ نگرانی وجود ندارد . علاوه بر آن احتیاجی به جلوگیری از خوردگی الکترولیتی در شرایط ویژه نیست . ویژگی های نارسانایی و مغناطیسی نبودن به معنی سیستم حمل کابل ایمن ترند .در بزرگترین پروژه مهندسی انجام شده با سرمایه خصوصی – تونلی که بریتانیا را به اروپا متصل می کند بیش از ۶۳/۳ هزارتن FRP پالترود شده ، ۱۲۶۰کیلومتر کابل الکتریکی و فیبر نوری را بر روی خود نگه داشته اند . این کابل ها ، روشنایی ، تهویه و ارتباطات درون تونل را کنترل می کنند . کابل های ۲۵ کیلو ولتی تأمین کننده انرژی قطارها نیز با این کامپوزیت های پالترود شده حمل می شوند . این محصولات با شرایط زیر سازگارند :ـ محدوده دمایی ۵ تا ۴۰ درجه سانتی گرادـ رطوبت ۱۰۰ درجهـ سرعت باد km/h ۳۵۹ـ پاشش مداوم آب نمک و حتی غوطه وری در آنـ نصب آسانـ حداقل تعمیراتـ هزینه کلی کمینهـ مقاومت در برابر بارگذاری استاتیک کابل ها● بازوهای عرضی کامپوزیتیهر تیر انتقال برق فشار متوسط ( ۲۰ و ۳۳ کیلوولت ) از سه قسمت اصلی یعنی تیر ، بازوهای عرضی و مقره ها تشکیل شده است . بازو های عرضی معمولا ًاز جنس فولاد ساخته می شوند . با این وجود در بعضی از کشورها نظیر آمریکا ، استرالیا ، کانادا و بخشهایی از اروپا این محصولات از مواد کامپوزیتی ساخته می شوند . به کارگیری بازوهای عرضی کامپوزیتی به جای نمونه فلزی دارای برتری هایی است ؛ از جمله :▪ کاهش وزن : سنگینی وزن بازوهای عرضی فلزی ( حدود ۲۰ کیلوگرم ) یکی از مشکلات شرکتهای انتقال و توزیع برق است . در مناطقی که به دلایل گوناگون از جمله ناهمواری سطح زمین ، امکان استفاده از ماشین های بالابر در آن ها وجود ندارد ، حمل بازوهای عرضی فلزی تا بالای تیر بسیار سخت و خطرناک است ؛ درصورتی که کامپوزیت ها وزن نسبتا ًکمی دارند و حمل آنها آسان است .▪ مقاومت در برابر خوردگی : بازوهای عرضی فلزی در آب و هوای مرطوب و خورنده ، عمر نسبتا ًکمی دارند . یکی از برتری های مواد کامپوزیت ، مقاومت بسیار مناسب آنها در برابر خوردگی است که این مواد را برای این مناطق مطلوب می سازد .▪ نارسانایی الکتریکی : کامپوزیت ها را می توان به صورت موادی عایق طراحی کرده و ساخت . این ویژگی خطر برق گرفتگی و اتصال کوتاه را کاهش می دهد . شاید بتوان با به کارگیری بازوهای عرضی کامپوزیتی از کاربرد مقره های حامل کابل – که در واقع نقش عایق را بین کابل و پروفیل بازی می کنند – جلوگیری کرد .▪ زیبایی : در ساخت بازوهای عرضی فلزی همیشه محدودیت هایی وجود دارد که طراح را مجبور به استفاده از قطعات استاندارد نبشی می کند . با به کارگیری کامپوزیت ها می توان به سراغ طرح هایی رفت که علاوه بر بهینه بودن ، زیبا نیز باشند .▪ عمر بیشتر : عمر بازو های عرضی کامپوزیتی حدود سه برابر طول عمر نمونه فلزی است . به دلیل عمر بیشتر و عدم نیاز به تعویض و تعمیر در کامپوزیت ها ، هزینه های تعویض و نگهداری حذف خواهند شد .▪ کاهش تداخلات امواج رادیویی : امواج رادیویی بدون هرگونه انحراف و شکست از کامپوزیت ها عبور می کنند .▪ کاهش افت توان خط : به کارگیری بازوهای عرضی کامپوزیتی از نشت جریان الکتریکی از خط به سمت پایه ها تا حدودی جلوگیری می کند و به این ترتیب میزان افت توان خط کاهش خواهد یافت .علاوه بر موارد فوق با به کارگیری بازوهای عرضی کامپوزیتی می توان از طرح هایی استفاده کرد که یکپارچه بوده و نیازی به سوار کردن قطعات برروی هم نباشد .● تیرهای کامپوزیتیبه کارگیری تیرهای کامپوزیت FRP ، موضوع جدیدی در خدمات برق رسانی نیست ، با این وجود تیرهای انتقال برق FRP پالترود شده ۲۱ تا ۲۴ متری داستان دیگری است . تیرهای FRP با یک سوم وزن تیرهای چوبی ، نضف وزن تیرهای فولادی و تنها یک دهم وزن تیرهای بتنی ، انتخاب بسیار جذابی برای اغلب شرکتهای خدماتی برق رسانی هستند .شرکت آمریکایی بریستول تنسی الکتریک سیستم BTES به تازگی ۱۴۴ تیر FRP را در دو خط انتقال نصب کرده است . شرکت استرانگ ول Strongwell Corp واقع در ایالت ویرجینیا این تیرهای FRP پالترود شده SE ۲۸ را با بیشترین ظرفیت ممان اینرسی در مقطع پایینی طراحی و برای جایگزینی تیرهای چوبی ، فولادی و بتنی در خطوط انتقال برق تولید کرده است . شرکت های خدمات برق رسانی در حال کشف برتری های تیرهای SE ۲۸ ، نسبت به تیرهای ساخته شده از مواد سنتی هستند . تیرهای SE ۲۸ شرکت استرانگ ول ، سبک ، محکم و دارای ویژگی های هدایتی خیلی کمی هستند . این تیرها همچنین در برابر خوردگی ، پوسیدگی ، پرتوهای فرابنفش ، نفوذ آب ، حشرات و دارکوب ها مقاومت بسیار بالایی دارند .به عقیده دکتر مایکل برودر ، مدیر عامل شرکت BTES ، تیرهای کامپوزیتی SE ۲۸ ، در مقایسه با تیرهای چوبی ، با گذشت زمان استحکامشان را از دست نمی دهند و تقریبا ًبه هیچ گونه ترمیم و تعمیری احتیاج ندارند . او هم چنین به ویژگی های الکتریکی تیرهای FRP و تحمل ضربه و بار ناشی از بادهای شدید توسط آن ها اشاره می کند .منبع: فصلنامه کامپوزیت ( شماره ۱۲ ) انجمن کامپوزیت ایران

» ادامه مطلب

پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه با کارآیی فوق العاده

سال های متمادی است که پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه به بازار وارد شده و کاربردهای وسیعی پیدا کرده است. در طول این سال ها آماده سازی و آغشته کردن الیاف شیشه به مواد پیوند دهنده، رشدگسترده ای نموده اند. فناوری بسپارش به گونه ای اصلاح شده که تولید پلی پروپیلن با درجه بالایی از حالت آرایش فضایی منظم به صورت تک سو-آرایش (ایزوتاکتیک) حاصل شده است. مواد هسته ساز (nucleating agent) به منظور کاهش زمان بلوری شدن از حالت مذاب کاربرد وسیعی پیدا کرده است.
شرکت polykemi سوئد ماده ای تحت نام polyfill HC به بازار عرضه داشته که ضمن استفاده و بهره بردن از آخرین پیشرفت های ذکر شده، با آخرین فناوری منحصر به فرد خود آن را تولید می کند.
این ماده می تواند جای گزین خوبی برای پلی پروپیلن های تقویت شده با الیاف شیشه تولید شده به روش سنتی موجود در بازار باشد با این تفاوت که می توان این ماده را با درصد الیاف کمتری نسبت به پروپیلن های قدیمی استفاده کرد و هم چنین با توجه به خواص برتر آن، قطعه را با ضخامت کمتری تولید کرد. به عبارتی با استفاده از این ماده قطعه تولید شده به مراتب سبک تر و با الیاف شیشه کم تر جوابگوی کیفیت مورد نیاز خواهد بود. درنهایت منجر به صرفه جویی در هزینه تولید قطعه خواهد شد.
هم چنین این ماده جای گزین خوبی برای پلی آمید 6 یا PBT های تقویت شده با الیاف شیشه یا به عبارتی پلاستیک های صنعتی می باشد.

مقاومت پلی پروپیلن PPHC، در شرایط خشک تقریبا" برابر با پلی آمید6 میباشد
و به خاطر عدم حساسیت پلی پروپیلن به رطوبت، نیازی به در نظر گرفتن جذب رطوبت در ابعاد نهایی قطعه و کارآیی مکانیکی آن در طراحی اولیه نیست.
چگالی پلی آمید 6 با 30% الیاف شیشه حدود 20% بالاتر از این نوع پلی پروپیلن با 30% الیاف شیشه می باشد وPBT با همان شرایط حدود 35% چگالی بالاتری دارد. بنابراین با توجه به ارزان تر بودن PP نسبت به PA6 و PBT و داشتن چگالی کم تر در مجموع صرفه جویی 40-50% در قیمت مواد حاصل می شود.
امروزه، کاهش وزن در صنعت به خصوص صنعت خودرو از اهمیت به سزایی برخوردار است. در این نوع پلی پروپیلن 5 تا 10% الیاف شیشه کمتر نسبت به مواد تقویت شده به روش قدیمی نیاز است. 

وقتی صحبت از مقاومت مکانیکی در درجه حرارت بالا به مدت طولانی می شود، این ماده در بسیاری موارد عملکرد خوبی داشته است.
PPHC با 30 % الیاف شیشه دارای HDT(Heat deformation temperature ) A 43 درجه سانتیگراد و B 159 درجه سانتیگراد می باشد و مدول خمشی آن در 80 درجه سانتیگراد حدود 5800Mpa می باشد.
در ضمن این ماده با افزودنی های استاندارد جوابگوی آزمون های پیرسازی در بالاترین دمای اعمال شده در استانداردهای خودرو یعنی 150 درجه سانتیگراد به مدت 1000 ساعت می باشد. شکست تا 4000 ساعت پیرسازی دیده نمی شود.
این ماده نیازی به گازگیری ندارد و هم چنین دمای تزریق آن کم تر از پلی آمید وPBT می باشد. در ضمن چرخه تولید (Cycle time) کوتاه تری دارد که خود امتیازی است در صرفه جویی انرژی.
این ماده با توجه به خصوصیات فوق الذکر می تواند مصارف بالایی در صنعت خودرو به عنوان جایگزین پلی پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه بلند نیز داشته باشد.
درصد جمع شوی (shrinkage) این پلی پروپیلن تقریبا" مثل پلی آمید 6 و PBT می باشد و نیازی به تغییر قالب برای جای گزینی مواد ندارد و تنها سامانه خنک کنندگی موثرتری در قالب نیاز است.
Polyfill HC با شاخص مذاب بین 2 تا 9 ( 230 C / 2.16 Kg) و مقدار الیاف شیشه 45-15 درصد در رنگ های مختلف و مقاوم به UV می تواند تولید شود.

مهندس کاظم اذان گو

» ادامه مطلب

آشنایی با مواد هوشمند

فلزات و كامپوزيت‌هاي هوشمند، امروزه در موارد بسياري كاربرد و جايگاه خود را در صنعت پيدا كرده‌اند. هوشمندي، خاصيتي است كه در تمام گروه‌هاي مواد يافت شده است. در هر دسته از مواد نظير كامپوزيت‌ها، پليمرها، فلزات و سراميك‌هاي پيشرفته، مي‌توان موادي يافت كه با اعمال يك سري فرايند، خواص هوشمند پيدا كنند. انواع مختلفي از مواد همچون فروالكتريك‌ها (كه در ميدان الكتريكي كرنش مي‌كنند) آلياژهاي حافظه‌دار1 (كه در واكنش به تغييرات دما دچار تغيير شكل ناشي از تبديل فاز مي‌شوند) مواد منعطف مغناطيسي (كه در ميدان مغناطيسي كرنش مي‌‌كنند) و يكسري مواد ديگر، از خود قابليت حسگري و تحريك‌پذيري نشان مي‌دهند كه از آنها به‌عنوان هوشمندي تعبير مي‌شود. از اين قابليت‌ها و يا تركيبي از آنها مي‌توان براي پاسخگويي به شرايط محيطي بهره برد.

مواد هوشمند2 موادي هستند كه موقعيت‌ها را به خاطر مي‌سپارند و با محرك‌هاي مشخص مي‌توانند به موقعيت‌هاي شناخته شده باز گردند. اين مواد، براي پاسخگويي به محرك‌هاي محيطي از خود قابليت‌هاي حسگري و تحريك‌پذيري نشان مي‌دهند. خانه‌هاي باهوش، بافت‌هاي حافظه‌دار شكلي (شكل 1)، ميكروماشين‌ها، سازه‌هاي خودآرا و رنگ‌هاي نانويي متغير، كلماتي هستند كه از 1992 و با تجاري شدن اولين مواد هوشمند، وارد لغتنامه‌هاي مواد شده و از آنها انتظار مي‌رود كه بسياري از نيازهاي تكنولوژيك قرن 21 را برآورده سازند.

شكل 1: بافت­هاي حافظه­دار در مواد هوشمند

مثلاً، سطح بال وسيع هواپيما موجب سهولت برخاستن و فرود مي‌شود، اما در سرعت‌هاي مافوق صوت، به‌عنوان عاملي مزاحم، مقاومت زيادي ايجاد مي‌كند كه ضريب DRAG هواپيما را افزايش مي‌دهد. در گذشته، طراحان با مصالحه بين عوامل مختلف، حالتي بهينه را انتخاب مي‌كردند كه در آن، هيچ كدام از شرايط به طور 100 درصد ارضاء نمي‌شد. امروزه با ورود مواد هوشمند به صنعت هواپيما و ساخت بال‌هاي قابل جمع شدن، به تمام شرايط مورد نظر پاسخ داده مي‌شود (شكل 2).

شكل 2: هواپيمايي هوشمند كه مي­تواند با تغيير شكل در شرايط مختلف، به صورت بهينه عمل كند

سابقه مواد هوشمند به 300 سال قبل از ميلاد و دوران كيمياگري باز مي‌گردد. در آن زمان، گرچه توانايي توليد طلا وجود نداشت، اما فعاليت‌هايي براي تغيير رنگ و خصوصيات فلزهاي مختلف صورت گرفت كه برخي از مواد مورد استفاده در آنها را مي‌توان از نوع مواد هوشمند دانست. مثلاً، در ساخت فريم عينك‌ها از فلزي به نام نيتينول (تركيبي از نيكل و تيتانيم) استفاده مي‌شود كه بعد از خم شدن، مجدداً به شكل اوليه برمي‌گردد و باعث مي‌شود كه شكل فريم عينك هميشه مانند روز اولي باشد كه خريداري شده است.

براي اين مواد، طبقه‌بندي‌هاي مختلفي وجود دارد. نوعي طبقه‌بندي مناسب براي آنها، براساس حوزه‌اي است كه در آن، محرك به ماده وارد شده و سپس ماده پاسخ خود را در حوزه مكانيكي به معرض نمايش گذارده است. اگر نيروي مكانيكي را به‌عنوان محرك بگيريم، پاسخ‌ها در چه حوزه‌ها و به چه اشكالي ظاهر خواهند شد؟ درواقع، مورد دوم با در نظر گرفتن خصلت حسگري و يا تحريك‌كنندگي، براي ماده تعريف مي‌شود. اگر پردازش را نيز به ماده هوشمند اضافه كنيم، سيستم يا ساختاري هوشمند خواهيم داشت كه استفاده‌هاي بيشماري از آن صورت مي‌گيرد (شكل 3).

شكل 3: سيستم مواد هوشمند

معرفي مهم‌ترين مواد هوشمند
آلياژهاي حافظه‌دار (SMA)

فلزحافظه‌دار، آلياژي است كه مي‌تواند در دماي پايين (مارتنزيتي) تغيير شكل پلاستيك داده و سپس با قرار گرفتن در معرض حرارت، به شكل اوليه خود بازگردد (شكل 4).

شكل 4: تغيير شكل آلياژ حافظه‌دار براثر اعمال تغييرات دما

مثلاً، يك سيم صاف مي‌تواند پيچيده و يا خم شود و پس از اعمال حرارت به آن به شكل اوليه خود بازگردد. برخي نمونه‌ هاي آلياژ حافظه‌دار شامل عناصري است كه در جدول 1 معرفي شده‌اند.

جدول 1: آلياژهاي حافظه‌دار

اين آلياژ در 1932 كشف شد. محققين در 1962 دريافتند كه نيتينول يا همان آلياژ نيكل ـ تيتانيم چنين مشخصاتي را آشكارا از خود به نمايش مي‌گذارد. حرارت در NiTi موجب تبديل فاز مارتزيت به آستنيت مي‌شود. نوع شبكه كريستالي در هر يك از اين فازها، تفاوت دارد و از همين‌رو، تغيير فاز مي‌تواند موجب تغيير شكل شود.

زماني كه آلياژ NiTi به شكل سيم‌هايي نازك درآيد، مي‌تواند به‌عنوان «فيبر عضلاني»3 مورد استفاده قرارگيرد. ناسا، از سيم‌هاي عضلاني در ماهواره‌ها استفاده مي‌كند. هنگامي كه نور خورشيد سيم‌ها را گرم مي‌كند، آنها وارد عمل شده و آنتن‌ها و ساير تجهيزات را بدون استفاده از موتور و الكتريسيته، جمع مي‌كنند. زماني كه بخواهيم از آنها در تجهيزات الكترونيكي استفاده كنيم، بهترين راه براي كوتاه كردن طول سيم‌ها، عبور جريان از داخل آنهاست. سيم‌ها شعاعي كوچك دارند و رساناي خوبي نيستند (در قياس با مس) جريان باعث مي‌شود به سرعت گرم شده و از خود نشان دهند. شكل شماره 5 خواص آلياژ نيتينول را نشان مي‌دهد.

شكل 5: تغييرات پيزوسراميك براثر اعمال جريان الكتريكي

اين آلياژها، موارد استفاده متنوعي در صنعت، هنر، پزشكي، كاربردهاي مهندسي و ... دارند. مثلاً، مي‌توانند به‌عنوان: اتصال لوله، فعال‌كننده نيرو در مدارهاي الكتريكي، شير اطمينان، شير كنترل سيال، قاب عينك، كاربردهاي دندانپزشكي، ايمپلنت‌هاي پزشكي، فيلترخوني از جنس سيم‌هاي NiTi ، ظروف ترموستاتيك قهوه، stent هاي جراحي، نگهدارنده‌ها، مجسمه‌ها، اجزاي دمپرهاي سازه‌ها براي جلوگيري از خسارات ناشي از زلزله، اتصال تاندون به استخوان در پزشكي، پين‌ها و سيم‌هاي راهنما در پزشكي، root canal files ، ابزار جراحي خم شونده، آنتن ماهواره‌ها، كنترل تعادل تيغه‌هاي روتور هلي‌كوپترها و ... به‌كار روند.

كريستال‌هاي پيزوالكتريك

يكي از رايج‌ترين مواد هوشمند، كريستال‌هاي پيزو هستند. آنها داراي اين خاصيت هستند كه به هنگام قرارگيري در معرض ارتعاشات، توليد ولتاژ كنند. همچنين اگر ولتاژي از آنها عبور داده شود،. توليد ارتعاش مي‌كنند. كريستال‌هاي پيزو بر مبناي دو اثر زير كار مي‌كنند:

1. اثر مستقيم پيزوالكتريكي4 هنگامي كه ماده پيزوالكتريك به واسطه تنش مكانيكي وارده، جريان الكتريكي ايجاد مي‌كند. اين خصلت مي‌تواند براي تشخيص كرنش، حركت، نيرو و فشار از طريق ارسال پاسخ‌هاي الكتريكي مناسب در حسگرهاي نيرو، آكوستيك و اولتراسونيك به كار گرفته شود.

2. اثر معكوس پيزو الكتريكي5 هنگامي كه ماده به واسطه قرارگيري در ميدان الكتريكي، كرنش مي‌كند، اين خصلت مي‌تواند براي ايجاد كرنش، حركت، نيرو، فشار و ارتعاش از طريق به‌كارگيري ميدان الكتريكي به كار برده شود.

استفاده توام از اين خصلت‌ها، بسيار مفيد است زيرا يك كريستال، هم مي‌تواند به‌عنوان حسگر عمل كند و هم به‌عنوان تحريك‌كننده. خواص پيزوكريستال اين امكان را به وجود مي‌آورد كه حسگري و تحريك‌كنندگي بر محيط پيرامون، هر دو با يك كريستال صورت‌گيرد. يك كريستال كه براي حس كردن ارتعاشات مورد استفاده قرار گرفته است، مي‌تواند براي توليد ارتعاش نيز مورد استفاده قرار گيرد. محصولات مصرف‌كننده انرژي، به نوعي منبع انرژي نياز دارند و اين يعني بايد باتري‌هايي به آنها اضافه شود كه وزن و حجم را زياد كرده و به شارژ مجدد نياز دارند. در اين‌گونه كاربردها، مي‌توان از پيزوكريستال‌ها به‌عنوان منبعي براي ذخيره انرژي الكتريكي به دست آمده از حركت و يا ارتعاشات بدنه، استفاده كرد (شكل 5).

سيال MR و ER
رئولوژي6 علم جريان و تغيير شكل ماده (مثلاً در پاسخ به يك نيرو يا تنش) است. مشخصه‌هاي لزجت يا مقاومت يك سيال در برابر جريان، مي‌تواند با به كارگيري يك ميدان الكتريكي در سيال ER تغيير داده شود. مواد ER در گستره وسيعي از مخلوط‌هاي معلق كلوئيدي ناشي از تعليق مواد جامد دي‌الكتريك در سيالات نارسانا، وجود دارند. در غياب ميدان الكتريكي، سيال از ذراتي ريز (درحد 1/0 تا 1 ميكرون) تشكيل شده است كه به صورت نامنظم در مخلوط پخش شده‌اند. وقتي ميدان الكتريكي اعمال شد، خواص دي‌الكتريك ذرات، باعث جهت‌گيري آنها در ميدان الكتريكي و چسبيدن ذرات همجوار به يكديگر مي‌شود كه اين امر، باعث نزديك شدن آنها و شكل گرفتن فيبريل‌ها مي‌شود. وجود فيبريل‌ها تا حد زيادي در تعيين لزجت سيال نقش دارد. جهت‌گيري ذرات با برداشتن ميدان الكتريكي از ميان مي‌رود.

شكل 6: نماي شماتيك كلاچ ER

بعضي كاربردهاي اين مواد، شامل كلاچ، پمپ و نيز وسايل مستهلك‌كننده نظير ضربه‌گيرها و كنترل‌كننده جريان است.

سيال MR طبقه‌اي از مواد هوشمند است كه خواص رئولوژيكي آن با اعمال يك ميدان مغناطيسي، بسرعت تغيير مي‌كند. اين ماده عموماً از ذرات آهن در ابعاد ميكرون تشكيل شده است كه در يك سيال يا الاستومر پراكنده‌اند. زماني كه سيال MR در معرض ميدان مغناطيسي قرار گيرد، حالت مايع آن مي‌تواند به حالت نيمه مايع و يا جامد تغيير كند. زماني كه ميدان مغناطيسي برداشته شود، حالت آن بار ديگر به مايع بازمي‌گردد. شركت‌ها و دانشگاه‌هاي بسياري در مورد اين مواد تحقيقات انجام داده‌اند. مثلاً، شركت لرد امريكا، دمپرهايي از سيال MR طراحي كرده است كه در كنترل ارتعاشات و نيز كنترل لرزه، كاربرد دارند. دانشگاه رچستر، در مورد نوعي از اين سيال تحقيقات انجام داده است كه براي فينيشينگ و پوليش اجزاي نوري به كار مي‌رود. دانشگاه‌هاي Inha و duke بررسي‌هايي را در مورد رفتارهاي دمپرهاي MR انجام داده‌اند. تحقيقات بيشماري براي استفاده از سيالات MR و ER در شيرهاي فشارشكن صورت گرفته است.

شكل 7: نماي شماتيك پمپ ER

پليمرهاي هوشمند

بخش مهم ديگري از مواد هوشمند، پليمرهاي هوشمند هستند (مثلاً ژل‌هاي جديدي كه در واكنش به ميدان الكتريكي، تغيير شكل مي‌دهند). از پليمرهاي الكترواكتيو، در ساخت ماهيچه‌هاي مصنوعي استفاده شده است. پليمرهاي موجود كنوني، قدرت مكانيكي محدودي دارند، اما حوزه پليمرها حوزه تحقيقاتي بسيار پويايي است و كاربردهاي بالقوه‌اي را در روبات‌هاي كاوشگر فضايي و ماموريت‌هاي بسيار خطرناك و تجسس، نويد مي‌دهد. همچنين مي‌توان هيدروژل‌هايي ساخت كه در واكنش به تغييرات ph و دما منبسط و منقبض شوند. اين هيدروژل‌ها (به شكل كپسول) قادر خواهند بود در واكنش به تغييرات شيميايي داروهايي در بدن ترشح كنند (مثلاً ترشح انسولين بر پايه تمركز گلوگز).

در ساخت محصولات جديد، استحكام، سختي و مقاومت در برابر خستگي، از جمله مسائلي هستند كه بايد مورد توجه قرار گيرند. روش‌هاي مرسوم، نظير روش اجزاي محدود، مي‌توانند براي ايجاد يك مدل كامپيوتري از تنش‌ها و كرنش‌هاي موجود در جسم، به‌كار برده شوند. اين ابزارها، گاهي وقت‌گير بوده و دنبال كردن مسئله از اين طريق نيز در بسياري موارد است. يكي از روش‌هاي بسيار سودمند، ريختن مدلي از محصول به صورت ماده پليمريك است. اين پليمرها، خواصي دارند كه موجب مي‌شوند بر اثر اعمال تنش، تغيير رنگ دهند. مي‌توان مدلي از جسم ريخت و از آن براي ديدن نقاطي استفاده كرد كه تنش در آنها، حداكثر است،.

مواد سخت‌شونده مغناطيسي7

اين مواد، گونه‌اي از مواد هوشمند مغناطيسي (MSM) هستند كه وقتي در ميدان مغناطيسي قرار بگيرند، تغيير شكل مي‌دهند. اين تغيير شكل سخت‌شوندگي مغناطيسي نام دارد. شكل 8 تغييرات ماده سخت شونده را بر اثر اعمال ميدان مغناطيسي، نشان مي‌دهد.

شكل 8: افزايش طول ماده سخت شونده بر اثر اعمال ميدان مغناطيسي

سخت‌شوندگي نوعي تغيير ابعاد در ماده هوشمند مغناطيسي است كه به دليل تغيير در حالت مغناطيسي، حاصل مي‌شود. اين سخت‌شوندگي مغناطيسي براثر جهت‌گيري مجدد در ممان مغناطيسي اتمي به وجود مي‌آيد. زماني كه ممان‌هاي اتمي كاملاً رديف شدند، چون افزايش ميدان مغناطيسي اعمالي سخت شوندگي بيشتري ايجاد نمي‌كند، حالت اشباع پيش مي‌آيد. اندازه‌گيري ميزان سخت شوندگي در حالت اشباع يكي از اساسي‌ترين اندازه‌گيري‌ها در مواد هوشمند مغناطيسي است.

براي ميدان‌هاي مغناطيسي اعمال شده در حالت زير اشباع، سخت شوندگي تقريباً خطي است. وسايلي كه با مواد هوشمند مغناطيسي كار مي‌كند، هنگامي براي علم و صنعت ارزشمند خواهند بود كه بتوان از آنها با تلرانس كم و دقت زياد و قابل اطمينان، استفاده كرد. رفتار خطي اين مواد، پايه و اساس پيشرفت ابزار MSM شامل تحريك‌كننده‌ها، موتورهاي پله‌اي، حسگرهاي موقعيت و شيرها و مبدل‌هاي صوتي بوده است.

قابليت ايجاد نيرويي بزرگ از طريق يك MSM، از جمله مزاياي وسايل جابجايي اندك است. قابليت اعمال نيروي چنين وسيله‌اي، به مدول يانگ ماده سخت شونده و مساحت سطح مقطع آن بستگي دارد. مزيت ديگر ماده MSM اين است كه برخلاف سولونوئيد كه تنها در يك جهت اعمال نيرو مي‌كند (و به مكانيزم برگشت جداگانه‌اي نياز دارد) مي‌تواند در هر دو جهت حركت كند. افزون بر اين، يك وسيله MSM به واسطه نداشتن قطعات متحرك ذاتاً مطمئن‌تر است و وسيله تعيين مكان دقيق‌تري به حساب مي‌آيد. شكل 9 يك تحريك‌كننده خطي را نشان مي‌دهد كه با اين مواد كار مي‌كنند.

شكل 9: هندسه يك تحريك‌كننده خطي كه با ماده سخت‌شونده كار مي‌كند

يكي ديگر از مزيت‌هاي اين مواد، چگالي انرژي بالاي آنها نسبت به ساير مواد است. ساير كاربردهاي اين مواد در شيرهاي هيدروليكي، sonar transduser ، روتور هلي‌كوپتر و Inchworm motor است.

تقسيم‌بندي كاربردي مواد هوشمند

مواد هوشمند از نظر كاربرد به دو دسته تقسيم مي‌شود. مواد هوشمند نوع اول به 4 دسته زير تقسيم مي‌شوند.

مواد كروميك

يگي از جالب‌ترين دسته‌هاي مواد هوشمند كه بسيار هم مورد توجه قرار دارند، مواد داراي قابليت تغيير رنگ است.

جدول 2: انواع مواد كروميك

نكته قابل توجه اين است كه تغيير رنگي كه از آن نام مي‌بريم، در واقع تغيير خصوصيات نوري اين مواد مانند ضريب جذب، قابليت بازتاب و يا شكست است. درواقع چيزي كه ما از رنگ مي‌دانيم به منبع نور و طبيعت چشمان ما مربوط است و اين نوع تغيير رنگ ناشي از نوعي تغيير ساختار در اين مواد است. انواع مختلف اين مواد عبارتند از:

1. مواد فتوكروميك

اين مواد در برابر جذب انرژي تابشي، تغييري را در ساختار شيميايي خود نشان مي‌دهند و از ساختاري با ميزان جذب مشخص به ساختاري متفاوت با ميزان جذب متفاوت تبديل مي‌شوند. مولكول‌هاي مورد استفاده در حالت غيرفعال، بي‌رنگ هستند و وقتي در معرض فوتون‌هايي با طول موج خاص قرار گيرند، برانگيخته شده و شرايط بازتاب آنها متفاوت مي‌شود. با از ميان رفتن منبع ماوراء بنفش، مولكول به حالت اوليه برمي‌گردد. براي نمونه، تغيير ساختار يك ماده فوتوكروميك درشكل‌هاي 10 و 11 نشان داده شده است. كاربرد اصلي مواد فتوكروميك و استفاده از آنها در عينك‌ها و همچنين پنجره برخي ساختمان‌ها، قابل رويت است.

شكل 10: تغيير ساختار ماده فتوكروميك در برابر اشعه ماوراء بنفش

شكل 11: تغيير شفافيت عينك‌هاي فتوكروميك در برابر ميزان نور دريافتي

2. مواد ترموكروميك

اين مواد، گرما را جذب كرده و تغييرات شيميايي و يا فازي از خود نشان مي‌دهند. نكته مهم اين است كه اين تغييرات، بازگشت‌پذيرند و به تغييرات دما وابسته‌اند. شايد دماسنج‌هايي نواري را ديده‌ايد كه به آنها ترمومتر گفته مي‌شود. با گذاشتن اين دماسنج‌ها بر روي بدن، تغيير رنگ داده و عدد دماي بدن را نمايش مي‌دهند و با برداشتن از روي بدن، به حالت عادي برمي‌گردند. شكل 12 نمونه ديگري از اين مواد است.

شكل 12: صندلي‌هاي گرمايي از رنگ‌هاي ترموكروميك استفاده مي‌كنند. آنها براثر دماي بدن تغيير رنگ داده و پس ازمدتي به حالت اوليه خود برمي‌گردند.

3. مواد مكانوكروميك و كموكروميك

در مورد اين دو نوع مواد، دو مثال جالب وجود دارد. مواد مكانوكروميك با تغييرات فشار و يا تغيير شكل، خصوصيات بازتابي متفاوتي از خود نشان مي‌دهند و محصولاتي از آنها توليد شده است كه تحت فشار و يا كشش خاص، متني را كه در آنها مخفي شده‌اند نشان مي‌دهند. در مورد مواد كموكروميك هم حتماً با نام كاغذهاي تورنسل آشنا هستيد كه در محيط‌هاي بازي و اسيدي، رنگ‌هاي متفاوتي را از خود نشان مي‌دهند (شكل 13).

شكل 13: كاغذ تورنسل در محيط‌هاي اسيدي و بازي

4. مواد الكتروكروميك

اصطلاح الكتروكروميك، به طور گسترده به موادي اطلاق مي‌شود كه بر اثر قرار گرفتن در يك جريان و يا اختلاف پتانسيل الكتريكي، رنگ خود را به گونه‌اي بازگشت‌پذير، تغيير مي‌دهند. مثلاً، پنجره‌هاي الكتروكروميك به وسيله اعمال الكتريسيته، روشن يا تار مي‌شوند. اين مواد از يك جزء تشكيل نشده و معمولاً به صورت چند لايه از مواد هستند كه با يكديگر كار مي‌كنند. در شكل 14 نماي شماتيك نحوه عملكرد اين نوع مواد نشان داده شده است.

شكل 14: نحوه عملكرد شيشه الكتروكروميك

مواد داراي حافظه شكلي

اين مواد، از توانايي تغيير شكل تحت تأثير محرك‌هاي مختلف (مانند دماهاي مختلف) با افزايش دما تغيير شكل مي‌دهند و با بازگشت دما به مقدار اوليه، شكل اصلي خود را مي‌يابند. در حال حاضر، كامپوزيت‌هاي حافظه‌دار به دو دسته فلزي (آلياژي) و پليمري تقسيم مي‌شوند. در اينجا به نيتينول به‌عنوان يك آلياژ حافظه‌دار و نيز كاربرد آن در زندگي روزمره اشاره مي‌شود. تذكر اين نكته ضروري است كه آلياژهاي حافظه‌دار دو ويژگي دارند: يكي اينكه آنها تا حدودي الاستيك بوده و ديگر آنكه حافظه‌دار هستند يعني از قابليت ذخيره‌سازي انرژي مكانيك و نيز آزادسازي آن برخوردارند. اين دسته از فلزات، درست مانند آب كه در دماهاي مختلف از حالتي به حالت ديگر تبديل مي‌شوند، به اين دليل كه مولكول‌هاي آنها قابليت چيده‌مان مجدد دارند، از قابليت بازگشت به شكل اوليه برخودارند. عاملي كه سبب تغيير شكل فلز و يا بازگشت به شكل اوليه آن مي‌شود، اختلاف ساختار مولكولي در هر فاز است. در شكل 15 سمت چپ، فلز حافظه‌دار را در حالتي كه شكل اوليه خود را در دماي اتاق دارد را نشان مي‌دهد. زماني كه بار اعمال مي‌شود، فلز تغيير شكل مي‌دهد. سپس به محض برداشته شدن باز و اعمال كمي گرما، مولكول‌ها به شكل ساختاري سخت در مي‌آيند، به گونه‌اي كه به يك ساختار با شبكه‌اي متفاوت مبدل مي‌شوند، اما هنوز وضعيت قرارگيري مولكولي معمولي است و همان ساختار فيزيكي در مقياس ماكرو وجود دارد.

با توجه به اينكه اين دسته از فلزات زيست سازگار هستند (سيستم ايمني به آنها واكنش نشان نمي‌دهد) و از ويژگي‌هاي مكانيكي قابل قبولي (مقاوم در برابر خوردگي) برخوردارند، در ساخت ايمپلنت‌هاي كاشتني در ارتوپدي شكستگي‌ها، قابل استفاده هستند. شايد بدانيد كه در شكستگي‌هاي استخوان صورت، از پليت‌هايي ويژه استفاده مي‌شود تا استخوان‌هاي صورت را طي دوره شكستگي در كنار هم نگه دارد. در گذشته، از پليت‌هايي از جنس استيل براي اين كار استفاده مي‌شد. در ابتدا ممكن است كه استخوان درست لب به لب هم و در كنار هم قرار گيرند، اما به مرور اين وضعيت از دست مي‌رود كه در نهايت سبب به تأخير افتادن جوش خوردن شكستگي مي‌شود. با ظهور آلياژهاي حافظه‌دار و كاربرد آنها در ساخت پليت‌ها، اين مشكل رفع شده است. امروزه جراحان از فلزهاي حافظه‌دار به جاي استيل استفاده مي‌كنند. آنها ابتدا فلز را كمي سرد كرده و در محل مورد نياز نصب مي‌كنند. بر اثر دماي بدن، فلز پليت تا حدودي گرم شده و فشار لازم براي در كنار هم نگهداشتن قطعات شكستگي را حفظ مي‌كند و سبب مي‌شود تا استخوان در حداقل زمان ترميم شود. مشكلي كه در طراحي اين نوع پليت‌ها وجود داشت، مربوط به تنظيم فشار مناسب و مطلوب است. مثلاً، اينكه فلزتا چه مقدار بايد تغيير شكل داده شود تا كشش لازم را ايجاد كند، جاي بيشتر بررسي دارد. در اينجاست كه فناوري نانو وارد عرصه مي‌شود تا به تغيير نحوه قرارگيري اتم‌ها در تركيبات كمك كند. هم اكنون گروه‌هاي تحقيقاتي در حال انجام مطالعه در مورد تنظيم اين مكانيزم با كمك فناوري نانو هستند.

يكي از معروف‌ترين آلياژهاي داراي حافظه شكلي، ماده‌اي به نام نيتينول است كه از آن به صورت سيم استفاده مي‌شود. در نگاه اول، اين سيم‌ها مشابه سيم‌هاي معمولي به نظر مي‌آيند و براحتي تغيير شكل داده و رساناي الكتريسيته بوده، اما در مقايسه با سيم‌هاي معمولي فولادي و مسي، بسيار گران‌تر هستند. دو مشخصه در اين سيم‌ها وجود دارد كه آنها را از ساير سيم‌ها متفاوت مي‌كند:

الف- اين سيم‌ها حافظه دارند. مثلاً، مي‌توان آنها را به هر شكلي درآورد و سپس با گرم كردن آنها تا دماي بالاي 90 درجه سانتي‌گراد، به حالت اوليه بازگرداند (شكل 15).

شكل 15: نمايي از تأثير گرما در تغيير شكل اوليه سيم‌هاي داراي حافظه شكلي

ب- نكته‌اي كه شايد جالب‌تر از مورد اول باشد اين است كه مي‌توان اين سيم‌ها را برنامه‌ريزي كرد تا شكل خاصي را به خاطر بسپارند! اين كار به اين صورت انجام مي‌شود كه شكل دلخواهمان را به سيم مي‌دهيم و سپس سيم را به مدت تقريبي 5 دقيقه با دماي 150 درجه سانتي‌گراد گرما داده و جريان الكتريسيته را از آن عبور مي‌دهيم. سپس مي‌توانيم سيم را به هر شكل ديگري درآوريم و براي برگشت آن به شكل اوليه، كافي است آن را در آب داغ بينداريم (شكل 16).

شكل 16: برنامه‌ريزي سيم‌هاي داراي حافظه شكلي

دسته ديگري از مواد داراي حافظه شكلي، سيم‌هاي ماهيچه‌اي هستند كه از آلياژهاي نيكل و تيتانيم ساخته شده و در دماي اتاق براحتي مي‌توان آنها را تغيير شكل داد. نكته‌اي كه اين مواد را جذاب مي‌كند اين است كه با عبور جريان الكتريسيته با نيروي خوبي (كه مي‌توان از آن استفاده كرد) به شكل اوليه خود برمي‌گردند. اگر بخواهيد دقيق‌تر بدانيد، بايد بگوييم كه اين سيم‌ها اگر تا 8 درصد اندازه اوليه خود كشيده شوند، باز هم مي‌توانند به حالت اوليه بازگردند.

استفاده‌هايي كه از اين نوع سيم‌ها مي‌شود، تغيير طول‌هايي حدود 3 تا 5 درصد طول اوليه است. در شكل‌هاي 17 تا 19 كاربردهايي از اين نوع مواد را مي‌بينيد.

شكل 17: تركيب سيم ماهيچه‌اي، وزنه، باتري و كليد قطع و وصل جريان

مواد هوشمند نوع دوم

اين دسته از مواد هوشمند، شامل آنهايي است كه انرژي را از نوعي به نوع ديگر تبديل مي‌كنند. نمونه‌اي از اين نوع مواد، مواد پيزوالكتريك هستند كه در پاسخ به محرك الكتريكي، از خود حركت مكانيكي نشان داده و در پاسخ به محرك مكانيكي، الكتريسيته توليد مي‌كنند. دونوع از اين مواد عبارتند از:

مواد فتوولتائيك (قدرت‌زاي نوري) اين مواد در پاسخ به محرك نور مرئي جريان الكتريكي ايجاد مي‌كنند.

مواد ترموالكتريك (دما برقي) اين مواد در برابر تغييرات دما توانايي توليد برق دارند.

شكل18: سيم هاي هوشمند مي توانند به كمك يك برد الكترونيكي باز و بسته شدن يك دست را نشان دهند

شكل19: استفاده از سيم هاي ماهيچه اي براي باز و بسته كردن مسيرها

نتيجه‌گيري

امروزه دنياي مواد بسرعت در حال تغيير و دگرگوني است و محققين به دنبال خصلت‌هايي جديد در مواد هستند. مزيت‌هاي فراواني كه مواد هوشمند به همراه خود دارند، عرصه را روز به روز به مواد سنتي و قديمي تنگ‌تر خواهد كرد. مواد هوشمند به دليل تنوع ساختاري زيادي كه دارند، مي‌توانند بسرعت خود را جايگزين ساير مواد كنند. مصارف جديدي براي اين نوع مواد تعريف شده و مصارف بيشتري نيز تعريف خواهد شد. از اين رو لازم است كه در كشور ما نيز از هم اكنون تحقيقات جدي‌تري در اين زمينه انجام شده و اين مواد و قابليت‌هايي را كه براي طراحي در اختيار مهندسين قرار مي‌دهند، معرفي شود.

پانوشت‌ها:

1 . Shape memory alloy
2 . smart or intelligent materials
3 . muscle fiber
4 . direct piezoelectric effect
5 . converse piezoelectric effect
6 . rheology
7 . Magnetostrictive

منابع:
1. مواد هوشمند، حسين صالحي وزيري، شبكه تحليل‌گران تكنولوژي ايران

2. Otsuka, K. and Wayman, C. M: Shape Memory Materials, Cambridge University Press, Cambridge, 1998.

3. Piedboeuf, M. C., Gauvin, R. and Thomas, M: Damping behavior of shape memeory alloys: strain amplitude, frequency and temperature effects, Journal of Sound and Vibration 214, 5 (1998), 885- 901

 نويسنده : مسعود عابدي

» ادامه مطلب

بررسي روش‌هاي انجام آزمون غيرمخرب در مخازن كامپوزيت

مخازن CNG براساس نوع مواد به‌كار رفته در آنها به چهار دسته عمده تقسيم مي‌شوند:
1. مخازن تمام فلزي
2. مخازن فلزي كه در قسمت استوانه‌اي مخزن با مواد كامپوزيت پوشش داده شده‌اند
3. مخازن فلزي با پوشش كامپوزيت
4. مخازن پلاستيكي كه پوشش كامپوزيتي دارند.
در وسايل نقليه حساس به وزن بالا، از مخازن نوع سوم و چهارم استفاده مي‌شود. در اين نوع از مخازن، مواد به‌كار رفته در بوش سيلندر، به نحوي طراحي شده است تا بتواند از نشت گاز جلوگيري كند. در بدنه آنها نيز براي تحمل فشارهاي وارده، از مواد كامپوزيتي استفاده شده است.
براي ايجاد استحكام در مخزن كامپوزيت، مي‌توان از فيبر ـ كربن، فايبرگلاس يا تركيب اين دو و يك رزين اپوكسي به‌عنوان اتصال‌دهنده، استفاده كرد. مخازن سوخت كامپوزيتي به علت وزن پايين، مقاومت در برابر خوردگي و مقاومت در برابر خستگي، بسيار مطلوب هستند، اما عموماً مقاومت كمتري در برابر خرابي ناشي از تصادم يا ضربه دارند. در نتيجه، طول عمر كم يك مخزن كامپوزيتث از جنس فيبر ـ كربن، عاملي مهم است كه باعث عدم استقبال از وسايل نقليه داراي اين نوع مخازن مي‌شود.
در اين مقاله، به بررسي دو روش مهم انجام آزمايش كنترل كيفيت عملكرد مخازن كامپوزيتي پرداخته‌ايم كه در حال حاضر در كشورهاي صنعتي كاربرد چشمگيري دارند.

كاربرد گاز طبيعي به‌عنوان سوخت جايگزين در كشور ما، امروزه گسترش و توسعه چنداني نيافته است. از دلايل عمده عدم موفقيت در توسعه فرهنگ استفاده از سوخت‌هاي پاك و به‌طور خاص گاز طبيعي، مي‌توان به دلايل زير اشاره كرد:
1. زمان طولاني و هزينه بالاي نصب مخازن در خودروها
2. عدم اعتماد مصرف‌كنندگان به ايمني و قابليت اطمينان مخازن
3. وزن بالاي مخازن فلزي كه باعث كاهش بهره‌وري خودرو مي‌شود
4. عدم وجود جايگاه‌هاي كافي براي سوخت‌‌گيري
براي كاهش وزن مخازن و افزايش بهره‌وري خودرو، استفاده از مخازن كامپوزيتي در سال‌هاي اخير مورد توجه كارشناسان قرار گرفته است. از طرفي، كاربرد اين نوع مخازن موجب افزايش نگراني مصرف‌كننده از ايمني و قابليت اطمينان آن شده است. با توجه به اين موضوع، لزوم توسعه و به‌كارگيري روش‌هاي انجام آزمايش براي كنترل نحوه عملكرد مخازن كامپوزيتي، بيش از هر چيزي ضروري به‌نظر مي‌رسد.

روش‌هاي انجام آزمايشات غيرمخرب (NDE)
تحقيقات زيادي در زمينه ارزيابي غيرمخرب در مخازن كامپوزيت انجام گرفته است. از انواع آزمايشات NDE مي‌توان به‌روش‌هاي نظير تست آلتراسونيك، ترموگرافي (دمانگاري)، برش‌نگاري1 و امواج آكوستيك، براي شناسايي خلل و فرج، لايه‌لايه شدگي2 نواحي با رزين زياد و حجم پايين، اشاره كرد. ساير روش‌هاي NDE شامل: اكوستو ـ التراسونيك، ويبرو ـ اكوستيك، تجزيه و تحليل وضعيت، مقاومت الكتريكي، جريان فوكو و علامت‌گذاري قطعه مي‌شود.
يكي از روش‌هاي انجام آزمايش NDE، استفاده از حسگرهاي فيبرنوري قرار داده شده در سيلندر است كه بتازگي پژوهشگران به‌ استفاده از آن در كنترل كيفيت ساختار كامپوزيت روي آورده‌اند.
در اين بخش، به معرفي دو روش مهم براي انجام تست‌هاي غيرمخرب پرداخته مي‌شود كه عبارتند از: استفاده از حسگرهاي فيبر نوري و تست‌هاي آلتراسونيك.

استفاده از حسگرهاي فيبر نوري در انجام آزمايش
چند روش استفاده از فيبر نوري در كنترل كيفيت سازه‌هاي كامپوزيتي ابداع شده است. در اين روش‌ها، فيبر نوري همانند مبدلي عمل مي‌كند كه مي‌تواند تغييرات را توسط تغييرات دامنه نور و تأخير زماني، شناسايي كند. با توجه به روش به‌كار گرفته شده، اين تغييرات به‌طور دقيق مي‌توانند به پديده‌هاي فيزيكي مانند كشش (كرنش)، فشار و دما وابسته باشند. در نتيجه، با كنترل اين تغييرات مي‌توان سطوح كيفيت در مخزن كامپوزيت را كنترل كرد.
«چانگ» و «سركيس» حسگرهاي فيبرنوري قرار داده شده در لايه‌هاي كامپوزيت گرافيت ـ اپوكسي را براي ارزيابي ميزان آسيب‌رساني ضربه با حجم كم، به‌كار بردند. براي ايجاد پوشش مناسب، موضع‌يابي صحيح و ايمني در برابر از بين رفتن پولاريزاسيون (قطبي شدگي) در كنترل اين مخازن از حسگرهاي غيراتالون همراستا استفاده مي‌شود. فيبر نوري به علت ايمني در برابر اختلالات الكتريكي، مقاومت در برابر خوردگي و سازگاري با مواد كامپوزيت و شرايط فرايند، انتخاب شده‌است.
نحوه عملكرد اين فيبرنوري از طريق ايجاد فركانسي متناوب است كه در شاخص انكسار (شكست) در ميان طول مشخص هسته يك فيبرنوري تك‌حالتي، ايجاد مي‌شود. اين ساختار متناوب باعث عملكرد مشابه يك بازتابنده با طول موج مشخص در فيبرنوري مي‌شود كه مي‌تواند به‌عنوان شاخص نشان‌دهنده كشش (كرنش) ايجاد شده در ساختار كامپوزيت شناخته‌شود. حدود قابليت اطمينان حسگر با توجه به بازگذاري و تغييرات جريان متناوب ايجاد شده در فيبرنوري محاسبه مي‌شود.

بررسي نحوه عملكرد حسگرهاي فيبرنوري
امكان كاربرد فيبرنوري در كامپوزيت براي انجام آزمايشات NDE در سيلندرهاي كامپوزيتي براي تعيين ميزان خرابي ناشي‌از ضربه يا تصادم، با بررسي‌هاي آزمايشگاهي انجام شده به اثبات رسيده است.
در اين روش، رشته‌هاي فيبرنوري از جنس پلي‌آميد عايق گرما در بين لايه‌هاي مختلف پانل كامپوزيتي و يا سيلندر، به‌صورت مارپيچ نصب شده و انتهاي فيبرها به وسيله كانكتورهاي ST به‌هم متصل مي‌شوند. همچنين از تعدادي حسگر در مركز پانل براي اندازه‌گيري كشش نقطه‌اي در جهت‌هاي افقي و عمودي استفاده مي‌شود.
فيبرنوري و حسگرها، به‌وسيله نگهدارنده‌هاي رزين، در بالاي لايه‌ها قرار داده مي‌شوند و بخشي از حسگرها براي اتصال‌هاي بعدي از لامينت بيرون مي‌ماند.
بعد از اينكه قراردادن حسگرها كامل شد، پانل كامپوزيت و سر حسگر خارجي كانكتورها و ساير تجهيزات، با دقت در يك صفحه فلزي قرار گرفته و درون ظرف خلاء قرار داده مي‌شود. از يك بالشتك پوشش‌دهنده فلزي جدا از سطح كامپوزيت براي حفظ يكنواختي (يكسان بودن) سطح پانل در طول عمليات استفاده مي‌شود، پانل‌ها 2 ساعت در دماي 120 درجه تحت خلاء 26-29) قرار داده مي‌شود.
پانل كامپوزيت براي بررسي حالات بالقوه خرابي ناشي از ضربه به 2 روش مورد آزمايش قرار مي‌گيرد. روش اول، شامل بررسي دامنه نوسان تغييرات نور به‌عنوان شاخص عملكرد كشش و كرنش و در روش دوم كشش متمركز در پانل به‌عنوان شاخص بارگذاري اندازه‌گيري مي‌شود.
آزمايش اول، شامل اندازه‌گيري كشش (كرنش) پانل توسط تست هيدروستاتيك است. در اين روش، بر روي مخزن سوخت، با اعمال فشارهاي مختلف، از يك بازتاب سنج دامنه زماني اپتيك با دقت يك دهم ميلي‌متر براي اندازه‌گيري طول فيبر به‌عنوان شاخص فشار استفاده مي‌شود. به‌عنوان مثال، نتايج آزمايش نشان مي‌دهد در فشار متغير بين صفر تا 24820KPa حداكثر تا 4 ميلي‌متر بر طول فيبر اضافه مي‌شود.
در انجام آزمايش دوم، ابزاري چكش مانند براي ضربه زدن به مركز پانل به‌كار مي‌رود. در اين روش، پانل كامپوزيت با استفاده از يك نگهدارنده گوشه‌اي در يك طرف و با سر آزاد در سمت ديگر، ثابت نگه داشته مي‌شود.
در اينجا خروجي مبدل نور به‌عنوان شاخص ميزان تغيير از حالت بدون تنش (بدون فشار) تا كاملاً پرتنش (فشار ايجاد شده توسط نيروي به‌كار رفته در سمت آزاد) اندازه‌گيري و خرابي ايجاد شده، قابل مشاهده خواهد بود.
تجهيزات به‌كار رفته در اين آزمايش كه آن را «آزمايش ضربه چكش» مي‌نامند، شامل يك فيكسچر با پايه عمودي براي حفظ پانل كامپوزيت و ابزاري چكش مانند براي ايجاد نيروي ضربه‌اي به پانل است. اين ابزار، طوري طراحي شده است كه بتواند به ارتفاع عمودي بالاي نقطه تماس پانل رسيده و سپس با حركتي نوساني به پانل اصابت كند. براي اندازه‌گيري اندازه ضربه ايجاد شده قبل از برخورد در نوك ابزار، اين وسيله به يك مكانيزم زمان‌سنج ليزري براي اندازه‌گيري نيرو، مجهز است. يك سيستم پشتيباني فيبر نوري3 (Foss I) كه يك نوسان سنج (اسيلسكوپ) را براي اندازه‌گيري كشش در يكي از حسگرها تغذيه مي‌كند نيز در اين آزمايش به‌كار مي‌رود.
نحوه كاربرد اين فيبرها در هنگام استفاده از وسيله نقليه به‌عنوان شاخص كنترل عملياتي مخزن، اين گونه است كه تعدادي فيبر با الگوي معين در مخزن جايگذاري شده كه طول آنها در طول فرايند سوخت‌گيري قابل كنترل بوده و مي‌توان تغييرات كلي در طول فيبر را كنترل كرد. يك اندازه‌گيري اوليه از فشار به طول فيبر قبل از به‌كار بردن مخزن بايد انجام شود. در بلندمدت، در هر بار سوخت‌گيري و يا بروز تغييرات و همچنين خرابي ناشي از ضربه خارجي، مي‌بايستي كنترل شود. آزمايشات انجام شده نشان مي‌دهند كه طول فيبر شاخص دقيقي از كشش (كرنش) در مخزن كامپوزيت است.
گفتني است كه در هر سيكل، شيب فشار دقيقاً ثابت مي‌ماند. تغييرات در شيب، شاخص هر تغييري در شرايط مخزن كامپوزيتي است. از اين رو به وسيله كنترل شيب فشار و طول فيبر همراه با آزمايشات ساختاري مخزن، مي‌توان حدود تغييرات شيب مجاز براي حفظ شرايط عملكردي سيلندر را تعيين كرد.

تست آلتراسونيك (فراصوت)
از تست‌هاي آلتراسونيك اغلب در تشخيص عيوب داخل مواد و قطعات استفاده مي‌شود. همچنين مي‌توان اين آزمايش را براي مشخص كردن ترك‌هاي سطحي كوچك ايجاد شده در قطعات و مواد به‌كار برد.
در روش تست غيرمخرب آلتراسونيك، از انرژي ارتعاشي مكانيكي با فركانس بالا براي شناسايي و تعيين محل ناپيوستگي (انفصال) در ساختار و يا تفاوت در گونه‌هاي مواد استفاده مي‌شود. اين امواج، ماهيت الاستيك دارند. براي مثال، محدوده شنوايي انسان بين 20 هرتز تا 20 كيلوهرتز است، اما امواج الاستيك مي‌توانند فركانسي تا 500 ميليون هرتز را نيز توليد كنند. نحوه توليد اين امواج به‌وسيله برخي مواد بلوري است كه داراي خاصيت پيزوالكتريك بوده و هنگامي كه ولتاژي به سطوح آنها اعمال شود، تغيير بعد مي‌دهند. ايجاد كرنش در اين بلورها، باعث به‌وجود آمدن ميداني الكتريكي در آنها مي‌شود كه اندازه آن متناسب با مقدار تغيير بعد است. اين مواد، مبناي كار مبدل‌هاي الكترومكانيكي هستند. كوارتز طبيعي، اولين ماده پيزو الكتريكي است كه در اين زمينه به‌كار گرفته شده است.
تكنيك‌هاي بازرسي ماوراي صوت، شامل دو دسته عمده ذيل هستند:
1. از طريق برخورد مستقيم موج با قطعه و اندازه‌گيري با تماس بين قطعه مورد آزمايش و تستر از طريق لايه واسطه نازكي از مايع و اندازه‌گيري زاويه انعكاس و درجه ميرايي موج
2. از طريق غوطه‌ورسازي قطعه مورد آزمايش در آب، در اين روش قطعه مورد آزمايش در يك مخزن آب غوطه‌ور شده و تستر در بالاي قطعه درون آب قرار مي‌گيرد.
نحوه كاربرد امواج فراصوتي در آزمايش مخازن به اين صورت است كه در تستر، يك پالس الكتريكي ايجاد شده و به مبدل منتقل مي‌شود اين مبدل پالس الكتريكي را تبديل به ارتعاش مكانيكي مي‌كند و ارتعاشات با انرژي پايين، از بين يك مايع كه مخزن در آن غوطه‌ور است، عبور مي‌كند. در اينجا، به تناسب انرژي ضعيف، پراكنده، منعكس و يا براي نشان دادن شرايط ماده، تشديد مي‌شود. انرژي صوتي بازتابيده يا تشديد شده مجدداً به وسيله مبدل به انرژي الكتريكي تبديل شده و به تستري كه قبلاً در آن تقويت شده بود، بازمي‌گردد. محل و دامنه انعكاس موج، شرايط ماده مورد تست را نشان مي‌دهد.
در دو سيلندر آراميد ـ آلومينيم كه در يك آزمايش به وسيله تست آلتراسونيك عكسبرداري شده است، يكي از سيلندرها در فشار بالا و دماي پايين، تست شده و ديگري به‌عنوان سيلندر كنترل به‌كار رفته و مورد آزمايش قرار گرفته است. اين سيلندرها با پالس بازتابي ماوراي صوت، اسكن شده‌اند. داده‌هاي تست آلتراسونيك در قسمت استوانه‌اي هر سيلندر، با كاربرد يك پوب 1 اينچ، 1مگاهرتز جمع‌آوري شده است. شكل 2 چگونگي قرار دادن مبدل در سيلندر، نحوه به دست آوردن داده‌ها و ناحيه اسكن شده را نشان مي‌دهد.
در نماي تست آلتراسونيك، قسمتي از قطعه نشان داده شده كه نشان‌دهنده موقعيت افقي و عمودي ترك‌هاي موجود است. عمق ترك با سايه‌هاي خاكستري و رنگي نشان داده شده است. در روش غوطه‌ورسازي، آب به‌عنوان واسطه ارتباطي عمل كرده و پروب را مي‌توان به سهولت براي اندازه‌گيري و به دست آوردن داده‌ها با هدف تجزيه و تحليل آنها به‌كار برد.
بيشترين دامنه منعكس شده، نشان‌دهنده لايه‌لايه شدگي داخل كامپوزيت است كه با رنگ سفيد نشان داده شده است. كمترين دامنه منعكس شده، نشان‌دهنده ناحيه‌هايي با حدود مطلوب است كه با رنگ سياه در شكل نشان داده شده است.

شكل 1: نماي سيلندر كامپوزيت با پوشش فيلامان آراميد ـ آلومينيم در آب، در اسكنر آلتراسونيك

شكل 2: شكل كلي فرايند آماده‌سازي و تنظيم سيلندر كامپوزيت آلومينيم با فيلامان آراميد در زمان انجام تست آلتراسونيك

نتايج

در اين مقاله، دو روش ارزيابي غيرمخرب سيلندرهاي كامپوزيتي بررسي شد. هر يك از اين دو روش از لحاظ قدمت استفاده، متفاوت هستند به‌طوري كه از تست آلتراسونيك به‌عنوان ابزار قديمي كنترل محصول در حين و يا در مراحل پاياني توليد استفاده مي‌شود، اما با بروز آوري اين تست، همچنان جايگاه آن به‌عنوان ابزار قوي و الزامي كنترل نهايي مخازن حفظ شده است. اين درحالي است كه استفاده از فيبر نوري در كنترل مخازن به دليل هزينه بالا و محدوديت‌هاي تكنولوژيكي، همچنان در مراحل آزمايشگاهي قرار دارد. البته از لحاظ مزيت كنترل در حين عملكرد مخازن مجهز به حسگرهاي فيبر نوري و دارا بودن قابليت اطمينان مناسب، پيش‌بيني مي‌شود كه در آينده كاربرد اين روش بيش از پيش مورد توجه قرار گيرد.

شكل 3: نماي 2 سيلندر تست: يك سيلندر كه در 1000 سيكل فشار و تبريد آزمايش شده و سيلندر ديگر كه براي كنترل استفاده شده و آزمايش روي آن انجام نشده است.

پانوشت‌ها:

1 . Shearography

2 . Delamination

3 . Fiber Optic Support System

منابع:
1. آزمون‌هاي غيرمخرب، بري‌هال، ورنون جان، مترجم: دكتر مجتبي ناصريان ريابي

2. Analysis And Experimental Testing of Insulated Pressureveessels For Automotive Hydrogen Storage, S. M. Aceves J. Martinez– Frias Lawrence Livermore National Laboratory Centro de Ingenieria y Desarrollo Industria.

3. Smart Onboard Inspection Of High Pressure Gas Fuelcylinders J. ichael Starbuck and Dave L. BeshearsOak Ridge National Laboratory*

4. A. J. Rogovsky, “Ultrasonic and Thermographic Methods for NDE of Composite Parts,” Materials Evaluation, 43 (5), 547 (1985)

5. K. L. Reifsnider, “Feasibility of Useful Real– Time In- Process Evaluation of Laminates,” Polymer NDE, Technomic Publishing Co., Lancaster, PA, 1986, pp. 104- 115.

نويسنده : محمد ملكي، رسول كريمي 

» ادامه مطلب

چندسازه ها در صنعت باربري

چكيده
در طول ساليان صنعت حمل و نقل چندسازه ها بسيار را وارد وسايل نقليه خود نموده است. صنعت خودروسازي از چندسازه ها در بدنه خارج خودرو مانند: داشبورد، كاپوت، كمربند، درها و هم چنین در زير كاپوت و به منظور تقويت استفاده مي نمايد. در صنعت باربري نيز از چندسازه ها در داشبورد، كاپوت، درها و سپر خودروها استفاده مي گردد. اين مقاله به روند رشد و توسعه مواد چندسازه از قطعات توليدي توسط افشانش بوسيله دست گرفته تا پيشرفت هاي صورت گرفته در زمينه توليد آميزه هاي قالب گيري ورقي مي پردازد. تمركز بيشتر روي قطعات مورد استفاده در صنعت باربري و چگونگي روند توسعه كيفيت اين قطعات خصوصاً در خواص سطحي و تزئين آن در طول سال ها مي باشد.

پيش زمينه
در اواخر دهه 1950 و اوايل دهه 1960 چندسازه ها نقش بسيار مهمي را در بدنه داشبوردها در صنعت باربري ايفا مي كردند. با شروع استفاده از قطعات توليدي توسط روش افشانش با دست در صنعت خودروسازي، استفاده از چندسازه ها در كاميون ها و هم چنين به عنوان جزئي از تجهيزات صنعتي گسترش يافت و به عنوان يك ماده اوليه براي سازندگان قطعات تجهیزی OEMs مورد استفاده قرار گرفت. اين مقاله به بررسي روند توسعه و فرصت هاي آينده چندسازه ها در بازار حمل و نقل و به ويژه صنعت باربري مي پردازد.
چندسازه ها به موادي گويند كه از دو يا نعداد بيشتری ماده متفاوت تشكيل شده اند و اين مواد به منظور تشكیل يك سامانه واحد با يكديگر تركيب مي گردند. رايج ترين چندسازه ها چوب است كه به صورت طبيعي موجود مي باشد. اغلب چندسازه ها ذاتاً بسپاري هستند كه از موادي مانند شيشه، كربن و يا الياف ديگر به عنوان مواد تقويت-كننده استفاده مي كنند، به اين چندسازه ها پلاستيك هاي تقويت شده با الياف گويندFRP. اين مواد به دو دسته ی گرمانرم ها و گرماسخت ها دسته بندي مي شوند كه در زير بيشتر به توضيح آن خواهيم پرداخت.
چندسازه ها ماتريس فلزی نيز موجود مي باشند كه در آن يك ماتريس فلز همانند آلومینيم و يا تيتانيم توسط الياف فلز و يا پركننده هاي شبيه به پودر فلز تقويت مي گردد. مواد سراميكي نيز مي توانند به عنوان يك چندسازه تقويت گردند. اين مقاله به پلاستيك های تقويت شده با الياف مي پردازد كه بيشترين استفاده را در صنعت حمل و نقل دارد.

مواد بسپاري سنتي
همانگونه كه قبلاً نيز اشاره شد FRP ها به دو دسته گرماسخت و گرمانرم تقسيم بندي مي شوند. نمونه اي از مواد گرماسخت شامل رزين هاي بر پايه پلي استر مي باشند كه در آنها از الياف شيشه به منظور تقويت استفاده مي شود كه ممكن است شامل پركننده نيز باشند.
فرآيندهايي كه براي شكل دهي اين نوع چندسازه ها مورد استفاده قرار مي گيرد شامل: روش افشانش با دست، تركيبات قالب گيري ورقي SMC، قالب گيري انتقال رزين RTM مي باشد. در چندسازه هاي گرمانرم يك ماتريس بسپاري با يك ليف به منظور استحكام بخشي تركيب مي-گردد. به عنوان مثال مي توان ماده ای گرمانرم با نمد شيشه ايGMT را نام برد كه در واقع يك گرمانرم تقويت شده با شيشه مي باشد. مثال هاي بسيار زيادي از اين دست را مي توان ارائه نمود زيرا رزين هاي گرمانرم بسياري را مي توان با انواع مختلفي از الياف تقويت نمود.
عمده استفاده از چندسازه ها در صنعت حمل و نقل شامل چندسازه هاي گرماسخت مي باشد كه در طول چهل سال اخير نيز رشد بسيار داشته است. استفاده از چندسازه ها از قسمت هاي كوچك بدنه خودرو مانند كمربند و ... آغاز شد و به قطعات بزرگ تر مانند سقف، داشبورد، سپر و درها نيز نفوذ كرد. با افزایش دامنه استفاده از چندسازه ها اندازه و كاربرد اين مواد نيز توسعه يافت. قاب بندهاي كوچك خودرو تبديل به كاميون هاي بزرگ و تجهيزات صنعتي شدند.

مزاياي چندسازه ها
استفاده از چندسازه ها به دلايل بسياري سودمند مي باشد كه توسعه آنها در طول ساليان را توجيه مي كند. يكي از مزاياي بزرگ آنها بخصوص در صنعت باربري وزن كمتر آنها در مقايسه با آلومینيم و فولاد مي باشد. چگالي مواد FRP 70-30 % چگالي مواد فلز معمول مورد استفاده مي باشد. مزيت بزرگ ديگر آنها مقاومت خوردگي آنها است كه ذاتاً زیاد است. مواد پلاستيك برخلاف فلزات زنگ نمي زنند و زماني كه در معرض شراط محيطي متغير قرار مي گيرند بازده عملكرد آنها افزایش مي يابد. مقاومت در برابر تورفتگي يكي ديگر از مزاياي اين دسته از مواد مي باشد كه بخصوص براي صنعت باربري جالب توجه است. شايد بزرگترین دليل براي انتخاب چندسازه ها كاهش هزينه تمام شده محصول مي باشد. قالب هاي چندسازه-ها از نظر هزينه 30 % قیمت قالب فولادی هستند و از طرفي انعطاف پذيري بيشتري را براي طراح فراهم مي-نمایند. همه اين دلايل رشد و توسعه استفاده از چندسازه ها را در صنعت حمل و نقل توجيه مي كنند.

سير تكاملي چندسازه هاي FRP
روند تكامل استفاده از چندسازه ها يك روند كند و خسته كننده بود. چندسازه هاي قالب باز اولين موادي بودند كه توانستند اقبال جهاني را در صنعت حمل و نقل بدست آورند. افشانش با دست معمول ترين روش شكل دهي اين چندسازه ها بود كه امروزه نيز از اين روش استفاده مي-شود. اين روش شامل پاشيدن الياف نیم تاب خرد شده به يك طرف اپوكسي يا پلي استر با استفاده از ژل پوشه به منظور بهبود سطح و كاهش تخلخل مي باشد. الياف نیم تاب از داخل حمام رزين كه معمولاً پلي استر سیرنشده است عبور كرده و سپس الياف به طول يك اينچ بريده مي شوند. زماني كه قطعه در حال پخت است نياز به اعمال فشار نیست. زمان پخت بسته به سامانه كاتاليست انتخابي عموماً بين 60-30 دقيقه مي باشد. به دليل آن كه فشاري اعمال نمي شود و کار دستی نیز زیاد است کیفیت سطح ضعيف است. به دليل عدم اعمال فشار حتي روي سطوح صاف نيز موج وجود دارد. جمع شدگی آميزه درون قالب يكي ديگر از علل خواص سطحي ضعيف در قطعات دست افشانده است.
خواص قالب مورد استفاده نيز خواص سطح را تحت تاثير قرار مي دهد و در طول زمان قالب مورد استفاده متخلخل مي گردد. بنابراين جاي گزني قالب به عنوان عاملي كه خواص قطعه را تحت تاثير خود قرار مي دهد بايد صورت گيرد تا قطعه توليدي بتواند داراي استانداردهاي توليدكنندگان تجهيزات باشد. طول عمر قالب ها متفاوت مي باشد اما حداقل یک هزار قطعه توجيه اقتصادي برای عمر قالب است. به منظور براورده کردن نيازهاي سازندگان داشتن قالب هاي چندکاره لازم است. به عنوان مثال کاپوت کاميون که توسط روش ا فشانش دستی توليد مي گردد به منظور رفع تقاضاها سالانه 10000 واحد نياز به 10-6 قالب داردکه موجب افزایش هزینه ها است. در شکل (1) مقايسه اي از نظر هزينه اي صورت گرفته است.


شکل 1-آناليز هزينه براي توليد کاپوت کاميون توسط روش هاي مختلف شکل دهي

در دوره هاي بعد استفاده از پرس به منظور کمک کردن به توليد قطعه و بهبود خواص سطحي صورت گرفت. قالب گيري سرد و قالب گيري انتقالی رزين فرآيندهايي هستند که در آنها از پرس براي شکل دهي قطعات استفاده مي شود و در نتيجه نقش اپراتور را در توليد محصول کم رنگ تر مي کند. قالب گيري سرد شامل مخلوط کردن رزين، پرکننده و کاتاليزگر و ريختن اين مخلوط در قالب مي باشد.اضافه کردن پرکننده سبب کاهش هزينه تمام شده مي گردد. فرآيند RTM شامل قرار دادن نمد شيشه اي در داخل حفره قالب، بستن در قالب و سپس تزريق کردن رزين در داخل قالب و نفوذ رزين در داخل نمد شيشه اي مي باشد. اين فرآيند از اين رو قالب گيري سرد ناميده مي شود که قالب تا دماي 200 درجه فارنهايت، يعني زير دماي فرآيندهاي قالب بسته حرارت داده مي شود.هر دو فرآيند از نظر کيفيت سطح و قطعه نسبت به فرآيندهاي قالب باز ارجحيت دارند. طول عمر تجهيزات تا 10000 قطعه افزایش يافته است اما قطعات ممکن است متخلخل باشند. اين فرآيند باز هم يک فرآيند وابسته به اپراتور است زيرا نياز به پیرایش شيشه دارد مخصوصاً در قالب گيري سرد.
معمول ترين روش براي توليد بدنه قاب بندها روش SMC است. در اين فرآيند رزين، پرکننده و شيشه به همراه ديگر افزودني ها با يکديگر مخلوط شده و سپس به صورت يک ورق نازک درمي آيند، در مرحله بعد آميزه غليظ شده و در قالب فلزی که معمولاً از جنس فولاد است تحت فشار Psi 1000 و دماي 300 درجه فارنهايت قالب گيري مي شود. از ميان ديگر روش هاي شکل دهي اين روش بدليل تجهيزات و فشار مورد استفاده براي شکل دهي قطعه بهترين روش مي باشد.
وابستگي اين روش به اپراتور کمتر مي باشد. مي توان از پوشش دهي درون قالب IMC به منظور گرفتن خلل و فرج و ايجاد هدايت الکتريکي در پوشرنگ ها که الکترواستاتيک هستند استفاده نمود. آميزه هاي SMC بسته به کاربرد مورد نظر در فرمول بندی هاي بسياري استفاده مي شوند. يکي از اين گونه هاي پايه شامل آميزه اي است که رزين وينيل استر تا 50% وزن الياف شيشه دارد. فرمول بندی-هاي رنگ پذير، فرمول بندی هاي با کاربرد عمومي، فرمول-بندی هاي درجه يک و ديگر فرمول بندی ها نيز موجود مي-باشند.پيشرفت هاي جديدتر نيز در فرآيند SMC صورت گرفته است که در قسمت هاي ديگر اين مقاله ذکر خواهد شد. تصاوير 2 و 3 آميزه هاي قالب گيري ورقي با کاربرد عمومي و درجه يک ميباشد.


شکل2- آميزه قالب گيري ورقي با کاربرد عمومي

شکل3- آميزه قالب گيري ورقي درجه يک

نتایج کیفی پلاستیک های تقويت شده با الیاف
مهم ترین نتیجه کیفی ایجاد شده توسط FRP ها ایجاد تخلخل بر روی سطح قطعات می باشد که معمولاً بر روی کیفیت پوشرنگ بدنه قاب بندها اثرگذار است. این تخلخل از اینجا نشات می گیرد که زمانی که دو یا چند ماده که تمایل به یکدیگر ندارند را تحت فشار در کنار هم قرار می دهیم، هوا در بین آنها حبس شده و در زمان قالب گیری این هوا خارج می شود و سبب توليد تخلخل می گردد. به عنوان مثال در آمیزه های SMC شیشه، پرکننده و رزين موادی نیستند که بخواهند در کنار هم قرار بگیرند. کارهای بسياری در طول سالیان برای حل این مشکل صورت گرفته است. این کارها شامل استفاده از زیرلایه-ها(Substrate)، پوشش ها مانند IMCها، طراحی تجهیزات و رنگ آمیزی که سبب کاهش خلل و فرج سطح و لبه های قطعه می گردد که در این مواد معمول است. قالب گیری بسته خصوصاً در SMC بهترین نتیجه را دارا می باشد. تلفیق قالب گیری تحت خلاء، توسعه طراحی تجهیزات، میزان فشار اعمالی و كنترل سرعت سبب بهبود كیفیت قطعه می گردد اما وجود خلل و فرج در قطعه هنوز هم به عنوان یك مشكل اساسی وجود دارد.
كارهای بسياری برای بهبود تجهیزات با پوسته نرم و RTM صورت گرفته است. در قالب گیری تحت خلاء كه با عنوانVARTM و یا VRIM شناخته می شود از خلاء برای حذف هوای حبس شده در قطعه و فراهم كردن فشار كافی برای شكل دهی استفاده می شود. این كار سبب می شود كه نیاز به استفاده از پرس های بزرگ از بین برود و میزان فرسایش تجهیزات را نيز كاهش می دهد.
از آنجایی كه اغلب محصولات در صنعت باربري از فرآيندهای قالب باز و تجهیزات با پوسته نرم بدست می-آیند بحث در مورد بهبودFRP ها بر روی SMC و مواد جدیدتر محدود می گردد.

روش های جدید بهبود پلاستیك های تقويت شده با الیاف
به نظر می آید رشد و توسعه SMC در دهه 1980 و اوایل دهه 1990 راكد شده بود. یكی از پیشرفت های صورت گرفته استفاده از SMC با فشار پایین در اواسط دهه 90 بود كه LPMC نام گرفت. این پیشرفت به قالب گیری قطعات بزرگ كامیون ها كه آنقدر بزرگ بودند كه نمی توانستند آنها را در پرس جا دهند و فشار مورد نیاز PSI1000 را بر آن اعمال كنند، كمك كرد. این فرمول بندی سبب شد تا فشار معمول مورد نیاز برای قالب گیری را تا محدوده PSI 300-100 كاهش دهد و باعث می شد تا این قطعات بزرگ بتوانند فشار بهینه را كسب كنند. اشکال اصلي اين سامانه ها گران بودن آنها است با اين که رزين هاي با قيمت زياد مورد استفاده قرار مي گيرند و پرکننده هايي که قيمت کمي دارند برداشته مي شوند. هم چنين اگر از IMC استفاده شود به منظور پوشش دهي قطعه فشار بايد تا psi 500 افزايش يابد.
فرمول بندی ديگري که صنعت باربري به آن توجه بسياري نموده است SMC با چگالي کم مي باشد. کاهش وزن ماشين-هاي باربري سنگين که در جاده ها حرکت مي کنند بدليل کمک به مصرف سوخت و افزايش وزن باري که مي برند بسيار مهم مي باشد. پرکننده هاي معمول SMC مانند کربنات کلسيم سبب افزايش وزن مخصوص SMC تا g/cc 90/1 مي-گردند. استفاده از پرکننده هاي رسی سبب کاهش وزن مخصوص به 65/1-60/1 و پرکننده هاي شيشه اي وزن مخصوص را تا 40/1-30/1 کاهش مي دهند. استفاده از پرکننده هاي شيشه اي سبب قرباني کردن خواص سطحي و ديگر خواص فيزيکي به 10-5 درصد زير سطح استاندارد آنها مي گردد. چالش اصلي در صنعت SMC کاهش وزن مخصوص به منظور کاهش وزن نهايي در حدي است که بتوان ميان اختلاف قيمت و فرمول بندی هاي معمول SMC تعادلي را برقرار نمود.
امروزه شرکت هاي توليدکننده رزين، پرکننده و قالب تلاش خود را مي کنند تا بتوانند وزن مخصوص را تا g/cc 50/1 کاهش دهند بدون اينکه خواص سطحي و فيزيکي را قرباني کنند.اتحاديه بين المللي صنعت موتور و باربري برنامه اي به منظور بهبود مواد SMC برپايه پرکننده-هاي نانو يافته اند. شرکت Ashland Chemical، شرکت کننده در اين پروژه، داده هايي را بر مبناي ورود اين مواد به صنعت باربري ارائه نموده است.[1]استفاده از نانو چندسازه ها سبب مي گردد که تمامي خواص دکر شده بدون ايجاد محدوديت هاي مالي تامين گردد.
امروزه صنعت سامانه هايي را طراحي نموده است که سبب کاهش ترکيدن لبه ها، که معمولاً در بدنه قاب بندهاي رنگ شده مشاهده مي گردد، شده است. اين کار با ساختن لبه-هاي منعطف تر که مي توانند در مقابل شکست سطحي مقاومت کنند صورت مي گيرد. به اين دليل که مقدار رزين در لبه ها از بقيه جاها بيشتر است رزين طراحي شده بايد از حالت استاندارد نرم تر باشد ولي نه آن قدر منعطف که نتواند استحکام مورد نياز کاربرد خود را تامين کند. اين سامانه نرم شده سبب بهبود کارايي لبه ها و ثابت نگاه داشتن و يا بهبود خواص سطحي مي گردد. صنايع باربري و خودروسازي در چند ساله اخير اين نوع مواد را وارد بدنه قاب بندهاي خود نموده اند. کاهش تاثيرات سطحي به قالب سازان اين امکان را مي دهد که تعميرات بعدي را کمتر کنند و سبب کاهش برگشت قطعه توسط OEMها مي گردد.
استفاده از الياف جاي گزين نيز يکي از کارهايي است که در صنعت چندسازه ها در حال انجام است هم در مواد SMC و هم در مواد ديگر. الياف کربن بدليل استفاده بسيار زياد در صنعت هوا و فضا بيشتر از ديگر الياف به فروش مي رسند. يکي از مزاياي الياف کربن اين است که داراي وزن مخصوص کمتري در مقايسه با شيشه مي باشد در حالي که داراي مقاومت برابر و يا حتي بيشتر از آن در مقدار برابر و يا کمتر الياف مي باشد. مشکل اصلي آن قيمت بالاي آن در مقايسه با الياف شيشه است. با در نظر گرفتن اين موضوع شرکت هايي که در زمينه باربريي کار مي کنند کار تيمي خود را با دپارتمان هاي انرژي با هدف يافتن راهي براي وارد کردن الياف کربن به وسايل نقليه آغاز نموده اند تا هم بتوانند وزن اين وسايل را کاهش دهند و هم بازدهي سوخت را افزايش دهند. اين کار سبب افزايش استفاده از الياف کربن و بنابراين کاهش هزينه الياف در سطحي مي شود که بتوان از آنها در صنعت باربري استفاده کرد.
يکي از مواد ديگري که در صنعت باربري راه پيدا کرده است دي سيکلوپنتادي ان DCPD مي باشد. اگرچه DCPD با نام هاي تجاري Metton®, Telene® and Cymatech® چندسازه نيست اما يک ماده گرماسخت مي باشد که مي تواند با استفاده از پرکننده ها تقويت شده و تبديل به چندسازه شود. DCPD به عنوان عامل بهبود دهنده ضربه در سامانه-هاي  پلي استر قالب باز و بسته براي مثال سامانه هاي بر پايه اسيدهاي ايزوفتاليک و ارتوفتاليک مورد استفاده قرار مي گرفت.
DCPD داراي مقاومت ضربه بهتر و خواص سطحي مشابه بادست افشانده ها، قالب گيري سرد و سامانه هاي گرمانرم مهندسي مي باشد. موادي که در صنعت باربري استفاده مي-شوند بايد موادي همگن و با نياز به آماده سازي قبل از استفاده کم باشند.
اگرچه در مباحث قبل تاکيد روي استفاده از مواد گرماسخت شد ولي استفاده از چندسازه هاي گرمانرم نيز در صنعت حمل و نقل بسيار زياد است. پلي پروپيلن و پلي کربنات هايي که با شيشه تقويت شده اند در قطعاتي مانند تزئينات داخل خودرو، جعبه پوشش دهنده باتري، پوشش دهنده موتور و ديگر قطعاتي که ديد ندارند، استفاده مي گردند. هنوز قطعات با خواص سطحي بهتر از گرماسخت ها موجود نمي باشد ولي به محض ورود آنها استفاده از اين مواد به شدت گسترش مي يابد بدليل وزن کمتر آنها و امکان بازيافت اين مواد نسبت به مواد گرماسخت.

چالش هاي موجود در صنعت چندسازه
خواص سطحي و لبه ها يکي از چالش هايي است که صنعت چندسازه به خصوص مواد گرماسخت مانند SMCها با آن مواجه هستند.استفاده از مواد نرم تر و پيشرفت هاي صورت گرفته در صنعت پوشش دهي نويدهاي خوبي را براي حل اين مشکل ارائه داده اند. يکي ديگر از مشکلات اين است که ترکيب کردن رزين و شيشه سبب حبس هوا مي گردد که اثرات زيان باري روي محصول نهايي دارد.
هزينه تمام شده يکي ديگر از مشکلات چندسازه ها است. قيمت رزين همانند تقويت کننده هاي شيشه اي رو به افزايش مي باشد. استفاده از الياف کربن در اين صنعت نيز به-دليل قيمت بالاي آن رو به کاهش مي باشد.
صنعت نياز به استفاده از فرآيندهايي دارد تا بتواند افزايش قيمت مواد خام را تعديل کند.
مهم ترين مانع در مقابل آن بخش از صنعت چندسازه که در ارتباط با باربري مي باشد مسئله بازيافت شوندگی اين مواد است. مواد گرماسخت بدليل دارا بودن اتصالات عرضي قابليت بازيافت ندارند. صنعت باربري تعهد دارد که در خودروهاي خود از مواد قابل بازيافت استفاده کند و اين سبب محدود شدن استفاده از SMC و مواد مشابه مي-گردد مگر اين که کاري براي حل اين مشکل صورت گيرد. در حدود يک دهه پيش تلاشي براي اصلاح قطعات SMC اوراق شده صورت گرفت، در اين تلاش اين قطعات خرد شده سپس آنها را تفکافت کرده و از آنها به عنوان پرکننده در فرمول بندی هاي ديگر استفاده شد. اين تلاش نيز بدليل افزايش قيمت تمام شده قطعات SMC زماني که از پرکننده هاي بازيافتي استفاده مي کردند، مورد قبول واقع نشد. استفاده از پرکننده هاي با قيمت کم مانند کربنات کلسيم مناسب تر بود. امروزه تلاش هاي ديگري صورت گرفته تا اين مشکل را حل کنند.
مواد چندسازه ي مي توانند در کاربردهايي که ظاهر آنها مهم نيست مورد استفاده واقع شوند. در ميان مواد چندسازه موادي هستند که داراي مقاومت حرارتي بالايي مي باشند و مي توانند در مقابل افزايش دمايي که در نسل جديد موتورهاي کاميون وجود دارد مقاومت کنند. استفاده از الياف کربن سبب کاهش وزن و بهبود خواص ساختاري قطعه مي شود که سبب ايجاد مواد چندسازه جديدي مي گردد که در کاربردهاي بسياري مي توان از آنها بهره جست.

خلاصه
به صورت خلاصه مي توان گفت که استفاده از چندسازه ها نسبت به روزهاي اول آن بسيار گسترش يافته است. گام-هاي بلندي که در 25-20 سال گذشته در رابطه با مواد و فرآيندهايي که در چندسازه ها مانند SMC و ديگر FRPها استفاده مي شوند برداشته شده است نسبت به قبل جذاب تر است. امروزه صنعت FRP در يك تقاطع قرار دارد. بعضي از فناوری هاي جديد مانند سامانه هاي نرم و نانوچندسازه ها فرصت هاي جديدي را براي اين صنعت ايجاد مي كنند در حالي كه موانعي مانند تخلخل و قابليت بازيافت سبب كاهش استفاده از چندسازه ها مي گردند و زيان بسياري را بر اين صنعت وارد مي كنند.
اين كه تامين كنندگان مواد و قالب سازان چگونه با OEMها كار مي كنند به حل اين مشكل كمك كرده و آنها مي توانند راه حل هاي بادوام و مقرون به صرفه را ارائه دهند كه در نهايت سبب افزايش استفاده از چندسازه ها در سال هاي آينده گردد.

منابع و مراجع

[1]. R. Seats, D. Fisher, H. Twardowska, Tough,Low Mass SMC for Transportation Applications ACMA Conference, (2006)

برگردان: مهندس رضوان سلطانی

 

واژه نامه

پلاستيک هاي تقويت شده با اليافFRP، آميزه قالب گيري ورقيSMC ، فرآيند افشانش با دست، سازندگان قطعات تجهيزی OEMs، قالب گيري انتقالی رزين RTM، پلاستیك-های گرمانرم با نمد شيشه ايGMT ، پوشش دهي درون قالب IMC.

» ادامه مطلب