کامپوزیتها و کاربرد آنها
Download
Report
Transcript کامپوزیتها و کاربرد آنها
سازمان آموزش فنی و حرفه ای کل کشور
معاونت مهارتهای پیشرفته
دفتر امور مهارتهای پیشرفته
عنوان سمینار :کامپوزیتها و کاربرد آنها
ارائه دهنده :الهام نجفی
مرداد ماه 1387
فهرست مطالب
تعریف
اولین کامپوزیتها
اجزا کامپوزیت
مزايا و خواص
فرایندهای تولید
کاربردها
وضعیت صنعت کامپوزیت در ایران
برخی تجهیزات الزم جهت تجهیز کارگاه تولید قطعات کامپوزیتی
اخبار
جمع بندي و نتيجه گیري
مراجع
تعریف
كامپوزيت به رده ای از مواد پیشرفته مي گويند كه:
از امتزاج فیزیکی دو يا چند ماده با يكديگر در مقیاس ماکروسکوپیک به منظور ایجاد موادی جدید
با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر تشكيل شده؛
اجزای تشکیل دهنده ویژگی خود را حفظ کرده؛
در یکدیگر حل نشده؛
با هم ممزوج نمی شوند.
اولین کامپوزیتها
کاه گل و آجرهای گلی
که در ساخت آنها از تقویت کننده کاه استفاده می شد .هنگامی که این دو باهم مخلوط بشوند در نهایت آجرپخته بدست می آید
که بسیار ماندگار تر و مقاوم تر از هر دو ماده اولیه یعنی گل و کاه است.
قایقهایی که سرخ پوست ها با قیر و بامبو می ساختند.
تنورهایی که از گل ،پودر شیشه و پشم بز ساخته می شدند و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است.
شايد هم اولين کامپوزيت را مصريها ساخته باشند که در قايقهايشان به چوب بدنه مقداري پارچه می بستند تا
در اثر خيس شدن چوب باد نکند.
اما سابقه استفاده از کامپوزیتهای پیشرفته به دهه 1940باز می گردد .در آن زمان ارتشهای آمریکا و شوروی
سابق در رقابتی تنگاتنگ با یکدیگر ،موفق به ساخت کامپوزیت پایه پلیمری الیاف بور -رزین اپوکس ی برای
استفاده در صنعت هوا فضا شدند.
اجزا کامپوزیت
کامپوزیتها عموما از دو جزء تشکیل شده اند:
.1فاز بستر (فاز پيوسته یا نگهدارنده یا ماتريس) matrix
بستر ،مادهاي است پيوسته که مادة دوم را در می گیرد .بنابراین مقدار مادهاي که به عنوان بستر استفاده ميشود
بيشتر از تقويتکننده است .يك پليمر گرماسخت يا گرمانرم ميباشد كه گاهي قبل از سخت شدن آنرا رزين مينامند.
.2فاز تقويت كننده (فاز نا پيوسته) Reinforcement
تقويتکنندهها موادي هستند خنثی که به صورت تکهتکه ،در يک زمينة پيوسته وارد ميشوند تا خواص مادة زمينه را بهتر کنند.
این مواد که معموال بصورت الیاف می باشند ،عضو بار پذیر اصلی سازه بوده و به زمینه استحکام و سفتی می بخشد.
تقويتکنندهها ميتوانند به صورت يک صفحه ،يک رشته ( نخ) ،يا يک ذره (پودر) وارد حجم زمينه شوند و خواص آن را بهبود بخشند.
اولین وظيفة بستر احاطة مادة تقويتکننده است به طوري که آنها رادر محل وآرایش مطلوب نگاهداشته و
نمی گذارد مادة تقويتکننده پراکنده شود؛
وظيفة دوم ،محافظت از مادة تقويتکننده در برابر عوامل شيميايي (دما ،رطوبت ،ضربه و )...است؛
وظيفة سوم اين است که چون مواد بستر را نرم انتخاب ميکنند ،وقتي نیرو به مادة مرکب (کامپوزيت) وارد ميشود،
توسط بستر به مادة تقويتکننده انتقال داده شود تا مادة تقويتکننده نیرو را تحمل کند.
انواع كامپوزيت ها
كامپوزيت ها به سه دسته زیر طبقه بندي مي گردند:
.I
کامپوزیتهای بستر پلیمری (Polymer Matrix Composites (PMC
.II
کامپوزیتهای بستر فلزی )Metal Matrix Composites (MMC
.III
کامپوزیتهای بستر سرامیکی )Ceramic Matrix Composites (CMC
CMCها را فایبرگالس یا پالستیکهای تقویت شده با الیاف ( )FRPنیز می گویند.
امروزه كامپوزيت هاي پليمري روز به روز گسترش و پيشرفت داشته و نوع فلزي و سراميكي بخش بسيار محدودي را در دنياي
كامپوزيت ها شامل مي شود و در حقيقت هنگامي كه صحبت از كامپوزيت ها است ،منظور نوع پليمري آن مي باشد.
مزايا و خواص
استحكام و مقاومت ضربه اي باال
انعطاف پذيري
مقاومت در برابرعوامل خورنده محيطي و شيميايي
سبكي در عین باال بودن نسبت مقاومت به وزن (حتی تا 15برابر برخی از فوالدها)
وجود روش های مختلف ساخت و امکان تولید اشکال پیچیده و متنوع
سهولت و سرعت باال در ساخت
صرفه اقتصادی
و ...
فرایندهای تولید
بطور کلی مواد اولیه تولید کامپوزیتها شامل رزینها ،الیاف و مغزیها می باشد که هر کدام دارای خواص ویژه ای از قبیل استحکام،
سفتی ،چغرمگی ،مقاومت حرارتی ،قیمت ،سرعت تولید و ...هستند.
خواص ویژه یک قطعه کامپوزیتی نه تنها تابعی از خواص ویژه مواد اولیه است ،بلکه به شیوه طراحی ،نحوه به کار گیری ،قرار گرفتن
در درون سازه و فرآیند تولید نيز وابسته است.
تعدادی از روشهای متداول تولید قطعات کامپوزیتی عبارتند از:
.1
.2
.3
.4
.5
.6
.7
.8
الیه گذاری خیس یا دستی Hand Lay-up
الیه گذاری پاشش ی Spray-up
قالب گیری حرارتی )Sheet Molding Compound (SMC
قالب گیری با کیسه خال (مکش) Vacuum Bag Molding
رشته پیچی Filament Winding
کشش رانی Pultrusion
قالب گیری با انتقال رزین )Resin Transfer Molding (RTM
پخش یا نفوذ ورقه رزین )Resin Film Infusion (RFI
طرح شماتیک اليه گذاري دستي
مزایا:
استفاده در سالیان متمادی
سادگی روش
ابزار آالت ارزان قیمت
پخت در دما و فشار محیط
کاربرد وسیع
معایب:
نیاز به تبهر کارگر
تماس مستقیم با رزین
کاربردها:
ساخت کشتی،گنبد ها ،کانالهای آب،
استخر ،تانکر ،ميز و صندلی ،قطعات خودرو،
اطاقک و خانه های پیش ساخته ،کیوسکها،
قطعات معمتری ساختمان...
طرح شماتیک الیه گذاری پاشش ی
مزایا:
اختالط کامل و با اندازه مناسب ذرات
صرفه جویی در هزینه ها و مواد
پاشش اجزا بصورت یکنواخت و
با ضخامت ثابت
کیفیت باالی قطعات
کاربردها:
صفحاتی که نيروی کمی تحمل می کنند
مثل :بدنه کاروانها ،بادگيرهای کامیونها،
وانهای حمام ،سینی های زیر دوش ی،
قایقهای کوچک
طرح شماتیک قالب گيری حرارتی
مزایا:
نسبت الیاف بیشتر در چند الیی
ميزان حباب کمتر در سازه
عدم انتشار گازهای سمی و مواد فرار
در محیط
کاربردها:
حمل و نقل (قطعات خودرو مانند کاسه چراغ)
الکتریک (کلید فیوز)
ساختمان (کاشیها)
سایر (قایقهای بزرک تفریحی و مسافرتی،
قطعات ماشینهای مسابقه ای)
رشته پیچی Filament Winding
مزایا:
سرعت اجرای باال
صرفه اقتصادی
تنظیم دقیق نسبت رزین به الیاف
استفاده از الیاف در ساده ترین
شکل آن
استحکام باالی کامپوزیت تولیدی
در برابر نيروهای وارده
کاربردها:
خطوط لوله آبرسانی
خطوط لوله و مخازن نگهداری
مواد شیمیایی
کپسولهای گاز CNG
کپسولهای تنفس ی آتش نشانی
کپسولهای اطفاء حریق
کشش رانی Pultrusion
مزایا:
سرعت باال
صرفه اقتصادی
تنظیم دقیق نسبت رزین به الیاف
استفاده از الیاف درشکل رشته ای
آن
خواص ساختی بسیار خوب سازه
عدم انتشار گازهای سمی و مواد فرار
در محیط
کاربردها:
تيرکها و تيرهای حمال سقف ساختمان
پلها
نردبانها و چارچوب
عایقها در صنایع الکترونیک مانند
مقره های الکتریکی
کاربردهای کامپوزیتها
صنایع دریایی
صنعت هوا فضا
صنعت نفت ،گاز و پتروشیمی
صنعت راه و ساختمان
صنایع دفاعی
صنایع خودرو سازی
صنایع انرژی
صنایع ورزش ی و تفریحی
صنایع پزشکی
و ...
کاربرد :صنایع دریایی
با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیتهای بستر پلیمری و مقاومت بسیار خوب آنها
در محیطهای خورنده ،این کامپوزیتها ،کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا
کرده اند که از آن جمله می توان به ساخت بدنه قایقها و کشتیها و تاسیسات
فراساحلی اشاره داشت.
استفاده از کامپوزیتها در این صنعت ،حدود 60%صرفه جویی اقتصادی داشته است .
کاربرد :صنعت هوا فضا
ساخت بدنه هواپیما ،پره های هلیکوپتر و پوشش رادار هواپیما و حتی در تهیه
لباس فضا نوردان از کاربردهای کامپوزیت در صنعت هوا فضا است.
کاربرد :صنعت نفت ،گاز و پتروشیمی
این مواد در صنعت نفت وگاز نیز به منظور ترمیم و تقویت سازه های فرسوده
و ترمیم لوله های فرسوده نفت و گاز به کار میروند (لوله هاي انتقال گاز
ً
غالبا دچار مشكل خوردگي مي گردند).
امروزه يكي از روشهاي مناسب تعمیر در دنيا،
استفاده از كامپوزيت ها مي باشد.
کاربرد :صنایع انرژی
کامپوزیت ها با توجه به ساختار شبکه ای و طولی ای که دارند گرما را فقط در جهت طولی منتقل
می کنند و نه عرض ی
بنابراین به عنوان عایق گرما برای دیواره توربین ها مناسب می باشند.
همچنین در تهیه انواع قابهای المپ روشنایی استفاده می شوند.
کاربرد :صنعت راه و ساختمان
سطح کامپوزيتي 6 ،تا 7برابر سطح بتون آرمه ظرفيت تحمل بار را دارد
و اين در حالي است که تنها 20درصد وزن آنرا داراست.
طول عمر آنها نسبت به مشابه فوالدي و بتني چندين برابر است.
کامپوزيت ها در طول دوره سرما منقبض نمي شوند
و مانند آهن در محيط مرطوب زنگ نمي زنند
و در محيط دريا دچار خوردگي نمي شوند
توانايي استفاده از کامپوزيت ها در ساخت
سازه هاي پيش ساخته و سبک وزن باعث
مي شود که هزينه بناي سازه بشدت کاهش يابد.
کامپوزيت ها مي توانند با مقاومت بااليي
كه در برابر خوردگي و خستگي از خود نشان
مي دهند ،هزينه هاي مربوط به تعمیر و
نگه داري خود را به حداقل برسانند.
کاربرد کامپوزیتها در راه سازی
ساخت تراورس (چوبهاي عرض ي كه در زير ريل راه آهن قرار مي گیرند)
قيمتي معادل قيمت بهترين نوع چوبي آن
سهولت كاربرد
عمر طوالني تر
مواد اوليه ارزان قیمت (از ضايعات كارخانجات ديگر مثل ضايعات رزيني آسياب شده ،الستيك خرد شده از تايرهاي بازيافتي و ضايعات فيلم هاي پلي اتيلني با
دانسيته باال))(HDPE
برخالف چوب اين تراورس ها
نمي شكنند
ترك بر نمي دارند
مستعد پوسيدگي نيستند
حشرات نمي توانند به آنها آسيبي بزنند
به علت عدم پوسيدگي ،استفاده از اين تراورس ها در مناطق مرطوب به صرفه تر از نوع چوبي آن است.
در كشور ما ساليانه مقادير بسيار زيادي تراورس راه آهن تعويض يا بهسازي مي گردد و اين جداي از هزينة هنگفت
بستن خط و تغيیر ريل ها و زيرسازي هاي الزم است .اما اگر همین تراورس ها با كامپوزيت تقويت شوند عمر
7ساله تراورس ها را تا 30سال مي توان افزايش داد و در ازاي پرداخت هزينة اوليه دو يا سه برابر ،هزينة
تعمیر و تعويض تا 4برابر كاهش مي يابد و در نهايت صرفة اقتصادي دارد .
کاربرد کامپوزیتها در پل سازی
پل هاي كامپوزيتي حاصل ،در مقايسه با پل هاي مشابه از جنس بتن و فوالد،
سبكي،
طول عمر مفید بیشتر،
سرعت نصب بيشتر،
هزينة نصب و نگهداري كمتري دارند.
سطوح پل هاي کامپوزيتي نیز از پانل هاي كامپوزيتي
ساخته مي شوند .
اين پانل ها از روش هايي همچون اليه چيني دستي و پالتروژن
ساخته مي شوند و با طول عمر باال و استحکام بيشتر،
جايگزين ايده آلي براي مشابه فوالدي خود هستند.
اين قطعات متناسب با احتياج مصرف کننده مي تواند در
سايزهاي مختلفي بريده شود تا با ابعاد پل موردنظر
سازگار باشند.
کاربرد کامپوزیتها در صنایع ساختمان
.1
.2
.3
تعمیر و تقويت خارجي سازه ها
ساخت سازه هاي تمام كامپوزيت
در كشورهايي همچون مالزي ،ساخت سازه هاي تمام كامپوزيت از قبيل گنبدها آغاز شده است .در ايران نیز سازه هاي گنبدي
شكل وجود دارند كه وزن بتن مورد نياز براي ساخت آنها بالغ بر 70هزار تن خواهد گرديد و اگر آنها را از كامپوزيت بسازيم وزن
آنها تا يك سوم تقليل مي يابد.
تعمیر و تقويت داخلي سازه ها
در مناطق جنوب و شمال كشور ،به دليل زياد بودن رطوبت و ساير مواد خورنده ،آرماتورهاي فلزي بتن ،دچار پوسيدگي زودهنگام
مي شوند كه اين خود باعث كاهش مقاومت آرماتور و ترك برداشتن و گسيختن بتن دراثر ازدياد حجم آرماتورهاي پوسيده
ميگردد .در چنین شرايطي آرماتور هاي كامپوزيتي توليد شده توسط فرايند پالتروژن مي توانند پاسخگوي مناسبي به اين مسئله
باشد.
وضعیت صنعت کامپوزیت در ایران
مصرف سرانه مواد کامپوزیتی در کشور
مصرف سرانه مواد کامپوزیتی در کشور یک دهم سرانه مصرف در کشورهای پیشرفته است و ساالنه
7میلیون تن مواد کامپوزیتی به ارزش 145میلیارد دالر در صنایع مختلف جهان مصرف می شود
که صنعت ساخت و ساز با 42درصد باالترين كاربرد اين مواد را به خود اختصاص
مي دهد.
سرانه مصرف کامپوزیت در کشورهای پیشرفته جهان 3کیلوگرم است در حالی که این سرانه در
کشور ما تنها 1کیلوگرم است گر چه ایران از نظر سرانه مصرف مواد کامپوزیتی ،هم رده
کشورهای آسیایی قرار دارد .
در عین حال ایاالت متحده امریکا با سرانه مصرف 8کیلوگرم درسال دارای پیشرفته ترین صنعت
کامپوزیت در دنیا وکشور ژاپن با سرانه 7کیلوگرم درسال به عنوان نمونه ای از یک کشورآسیایی
پیشرفته با مصرف سرانه مواد کامپوزیتی است.
وضعیت صنعت کامپوزیت در ایران
نقش پتروشيمي
با توجه به اينكه ماده اوليه بستر و همچنین بخش ي از تقويت كننده از
مواد پتروشيميايي تهيه ميگردد ،صنايع كامپوزيت جزو صنايع پايین
دستي صنايع پتروشيمي بوده و يك بازار مصرف عمده محصوالت
پتروشيمي ميباشد.
به دليل روند رو به رشد صنعت و نياز كشور و فوايد اقتصادي باالي
آن و فوايد غیرمستقيم اين صنايع همچون اشتغال زايي باال ،اين
صنايع از ثبات و پايداري و بازدهي الزم برخوردار ميباشند.
برخی تجهيزات الزم
جهت تجهيز کارگاه تولید قطعات کامپوزیتی
امكانات ساخت
كوره پخت صنعتی كامپوزيت های پليمری )(3*2*2
كورههای پخت دمای باال
کوره عمليات حرارتی اتوماتيک آتبين Atbin
کوره های گرمکن با حجم محفظه داخلی به ابعاد 93*93*38.5 cm
انواع رزين های پليمری
پمپ خال
كمپرسور هوا
انواع مختلف ابزار برای روش ساخت دستی
پرس هيدروليك
انواع الياف (شيشه ،كربن و آراميد)
امكانات براي تحقيق و طراحي
آزمايشگاه مکانيک مواد کامپوزيت (مشخصهسازی خواص مكانيكی كامپوزيت ها)
آزمايشگاه مشخصهسازی مواد كامپوزيت ( بررس ی خواص و شناخت مواد كامپوزيتی)
گارگاه ساخت مواد کامپوزيتيی
كامپيوتر و چاپگرهای الكترونيك و سخت افزارهای جانبی
انواع مختلف نرم افزارهای مهندس ی برای طراحی
اخبار
نمایشگاه کامپوزیت و صنایع وابسته در یزد
نخستين نمایشگاه تخصص ی کامپوزیت و صنایع وابسته همراه با همایش تخصص ی صنعت کامپوزیت
استان یزد 22تا 25آبان ماه سال جاری برگزار خواهد شد.
گروه پژوهش ي رزين و مواد افزودني پژوهشكده صنايع رنگ كارگاه آموزش ي با عنوان "رزين هاي
صنعتي" را در تاريخ 5 ، 4و 6شهريورماه سال 1387برگزار مينمايد.
مرکز آموزش و تحقيقات صنعتي ايران در نظر دارد جهت ارتقاي دانش شغلي و علمي دست اندرکاران
صنعت کامپوزيت ،با همکاري شرکت ولف-انگل آملان ،سميناري آموزش ي تحت عنوان شناخت
تکنولوژي فايبرگالس (کامپوزيت) برگزار نمايد.
پژوهشكده نانو فناوري دانشگاه صنعتي امیركبیر ،ارائه يك مجموعه كارگاه هاي آموزش ي تخصص ي را
به منظور آشنايي با دستاوردهاي اين فناوري و معرفي كاربردهاي آن جهت ارتقاء و افزايش اطالعا ت
فني كارشناسان و مديران صنايع كشور برنامه ريزي نموده است .اين کارگاه با عنوان نانو تکنولوژي در
صنايع نفت ،گاز ،پتروشيمي و صنايع خودرو در تاريخ 4تا 6خرداد برگزار خواهد گرديد.
جمع بندي و نتيجه گيري
سرمايهگذاري در صنعت كامپوزيت به دو دليل عمده:
گسترش استفاده روزافزون از آن در جهان و ايران
.1
بودن درمراحل ابتدايي صنعتي خود در ايران
.2
داراي ارزش افزوده فراوان پايدار و بلند مدت ميباشد و درصورتي كه هر سازمان ،بنگاه و نهادي به
صورت اصولي در اين صنعت سرمايهگذاري كند برنده اين ميدان خواهد بود.
از طرفي محصوالت اين صنعت به سادهترين روشها قابل توليد بوده و ديگر روش هاي توليد آنها از
لحاظ صنعتي در حد متوسط ميباشند.
اشتغال زايي در این صنعت به دليل روشهاي اجرا ،باال ميباشد ،لیکن نبود نیروی کار ماهر در این
صنعت مانع از رشد آن در مقیاس مطلوب و تامین کننده نیاز کشور می باشد.
لذا نياز به پشتيباني ،حمايت و اجرا و نظارت بر آموزش عملی و کاربردی حرف مرتبط با این صنعت
واضح به نظر می رسد.
منابع
تالیف گروه مولفان و مترجمان انجمن کامپوزیت ایران- راهنمای صنعت کامپوزیت
http://en.wikipedia.org
http://irancomposite.net
www.magiran.com
)Cook Composites and Polymers( www.ccponline.com
شبکه کانونهای تفکر تکنولوژی و اقتصاد کشورwww.itan.ir
) (باشگاه نانوhttp://www.nanoclub.ir
پایگاه اطالعات کارآفرینی صنعت نفتwww.naftkarafarin.ir
با
تشکر
از
توجه
شما