کاربرد اقتصادی الیاف پیشرفته در صنایع دریایی - نانو کامپوزیت ها - مقالات - گشت و گذار - زیبا و جالب ترین مناظر و عکس ها از ایران و جهان gashtvegozar

گشت و گذار - زیبا و جالب ترین مناظر و عکس ها از ایران و جهان gashtvegozar


+ کاربرد اقتصادی الیاف پیشرفته در صنایع دریایی - نانو کامپوزیت ها - مقالات

کاربرد اقتصادی الیاف پیشرفته در صنایع دریایی

 

اگر از مالک یک قایق فایبرگلاس پرسیده شود که آیا قایق او از مواد کامپوزیت ساخته شده است؟ به احتمال خیلی زیاد پاسخ او منفی است. او بر این باور است که قایق او از جنس فایبرگلاس است. اما اگر از یک گلف باز که چوب های گلف الیاف کربنی دارد پرسیده شود که آیا چوب گلف او از جنس کامپوزیت است، پاسخ او متفاوت خواهد بود.

الیاف کربن و کولار، بازار کامپوزیت را تسخیر کرده اند. دلیل موفقیت این الیاف در بازار لوازم ورزشی کارایی بسیار مناسب آن هاست. به تازگی با عرضه الیاف کربن ارزان، به کارگیری این الیاف در ساخت قایق های تفریحی نیز اقتصادی شده است و میتوان از کارآیی خوب این مواد در قایق ها نیز استفاده کرد. الیاف کربن صنعتی هم اکنون با بهای 11 تا 22 دلار در هر کیلوگرم در بازار موجود است و بهای آن در حال کاهش است. این کاهش بهای الیاف کربن پیشرفته، آینده روشنی فراروی کاربرد این مواد در قایق های تفریحی ایجاد کرده است. با به کارگیری فرصت های به دست آمده در کاهش وزن و افزایش کارایی، هیجان و لذت استفاده از قایق های تفریحی افزایش می یابد.

کاربرد الیاف پیشرفته ارزان در صنایع دریایی، تنها به ساخت قایق های تفریحی محدود نمی شود. از آنجایی که تنها مانع کاربرد این الیاف، هزینه های بالای این مواد بوده است، با عرضه الیاف ارزان، دیگر کاربردهای دریایی نیز از ویژگی های این الیاف بهره مند می شوند. بزرگ ترین سازه الیاف کربنی جهان یک کشتی کامپوزیتی در سوئد است.

کشتی 73 متری ویزبی بیانگر یک دگرگونی بزرگ در روش های ساخت کامپوزیت و به کارگیری مواد است. این کشتی نشان می دهد که کامپوزیت های پیشرفته در آینده، جایگاه مهمی دارند.

تحولات اخیر در ساخت الیاف کربن ارزان، تغییرات گسترده ای را در بازار ایجاد کرده است. توماس ادیسون نخستین کسی بود که الیاف کربن را برای استفاده در لامپهای روشنایی کشف کرد. امروزه فناوری الیاف کربن به خودی خود علم گسترده ای است. الیاف کربن را میتوان از سه گونه مواد اولیه تهیه کرد. نوع ماده اولیه و روش فراوری آن تاثیر زیادی بر ویژگیهای الیاف کربن دارد. سه گونه اصلی از مواد اولیه ساخت الیاف کربن به ترتیب عبارتند از: پلی اکریلونیتریل (PANقیر ایزوتروپ، کریستال مایع و ابریشم مصنوعی (Rayon).

الیاف کربن با توجه به سفتی یا مدول آنها دسته بندی می شوند. الیاف با مدول پایین از ابریشم مصنوعی یا قیر ایزوتروپ تهیه شده و الیاف با مدول بالا از PAN یا قیر کریستال مایع تهیه می شوند. الیاف کربن با مدول بالا بازار کامپوزیت های هوافضایی را تسخیر کرده است؛ در صورتی که الیاف با مدول پایین، الیاف کربن صنعتی هستند و این نوع الیاف کربن هستند که بهای آنها کاهش شدیدی داشته است. الیاف کربن صنعتی نسبت به الیاف کربن هوافضایی، سفتی کم تری دارند. همچنین تردی آنها کمتر است و ارزان تر هستند. الیاف کربن صنعتی را میتوان از مواد اولیه نفتی تهیه کرد که بهای کمتری نسبت به الیاف کربن با مدول بالا دارند. در هر حال، هم اکنون هم الیاف کربن با مدول بالا و هم الیاف کربن با مدول پایین دارای سفتی برابر با الیاف شیشه هستند. مدول الیاف برحسب واحد psi یا (MPa) بیان می شود. الیاف شیشه E که در ساخت قایق های تفریحی ارزان به کار می رود دارای مدول حدود 69،000 مگاپاسگال است. مدول الیاف کربن دارای مدول پایین در محدوده 48،000 تا 207،000 مگاپاسگال و مدول الیاف کربن دارای مدول بالا بین 207،000 تا 552،000 مگاپاسگال است. کربن های با مدول خیلی بالا دارای مدول الیاف بالاتر از 552،000 مگاپاسگال هستند. باتوجه به اینکه در سازه های دریایی، سفتی خوب بدون ترد شدن لایه ها هدف اصلی است، الیاف کربن صنعتی با مدول پایین که دارای مدولی بالاتر از 138،000 مگاپاسگال هستند کاملاً مناسبند. الیاف کربن هوافضایی با مدول بسیار بالا هنوز بسیار گرانتر از آن است که در ساخت قایق های تفریحی موتوری به کار گرفته شود.

ویژگیهای الیاف کربن نه تنها به مواد اولیه بستگی دارند، بلکه فرایند کشش الیاف و به دنبال آن عملیات حرارتی و عملیات سطحی که روی الیاف انجام می شوند نیز روی ویژگیهای الیاف اثر دارند. فرایند کشش، مولکول های مواد اولیه را ردیف می کند. سپس الیاف تحت دو مرحله عملیات حرارتی قرار می گیرند. فرایند اول اکسیداسیوناست که در این مرحله الیاف تحت دمای 200 تا 320 درجه سانتی گراد قرار می گیرند. وابسته به فرایند، الیاف در اتمسفری خنثی (معمولاً نیتروژن) حرارت می بینند. کشش الیاف طی این فرایند و فرایند بعدی، ویژگی های الیاف کربن به دست آمده را بهبود می بخشد. پس از اکسیداسیون دوباره الیاف در اتمسفری خنثی تحت عملیات حرارتی قرار می گیرندولی در این مرحله دما بسیار بیشتر و از 1000 تا 1550 درجه سانتی گراد است. در این مرحله دست کم بیش از 90 درصد الیاف به کربن عنصری تبدیل می شوند. برای ساخت الیاف گرافیتی، الیاف در دماهایی عملیات حرارتی میشوند که منجر به تبدیل بیش از 99 درصد آنها به عنصر کربن میشود. پس از اکسیداسیون و کربنیزاسیون، الیاف هنوز باید تحت فرایند سایزینگ یا عملیات سطحی قرار گیرند. این عملیات، ویژگی های اتصالی الیاف را بهبود بخشیده و به فرایند بافت الیاف کمک می کند. بهای بالای الیاف کربن در مقایسه با دیگر الیاف، باتوجه به فراوری این ماده در دمای بالا پذیرفتنی است. باوجود این فرایندها، الیاف کربن صنعتی هم اکنون با بهایی اقتصادی در بازار وجود دارد. شرکت کونوکو فناوری جدیدی را برای تولید الیاف کربن با استفاده از محصولات فرعی پالایش نفت عرضه کرده است. این فناوری توان بالقوه ای برای دگرگونی صنایع کامپوزیت دارد. تمام تولیدکنندگان الیاف کربن صنعتی از روش هایی با حجم تولید بالا استفاده می کنند. این تولیدکنندگان به دنبال دستیابی به بازارهای جدید با قیمتهای کمتر هستند. نکته این است که تولیدکنندگان الیاف کربن برای کاهش قیمت های خود باید حجم تولید بالایی داشته باشند. گستردگی بازار کامپوزیت های الیاف شیشه، یک مبنای تجاری مناسب برای تولید الیاف کربن به صورت اقتصادی است.تولیدکنندگان الیاف کربن به صورت فعال به دنبال هیبریدهای کربن- شیشه و بافته های کربنی ارزان برای کاربردهایی هستند که هم اکنون از الیاف شیشه در آنها استفاده می شود.

کاربرد الیاف پیشرفته، بدون درنظر گرفتن هزینه

هنگامی که ارتش ایالات متحده میتواند یک چکش 500 دلاری بخرد، نیروی دریایی نیز میتواند از پس هزینۀ قایقهای پیشرفته الیاف کربنی خود برآید. حتی نیروی دریایی آمریکا نیز هنگام تدارک سلاحهای خود، به هزینه ها توجه می کند. با این وجود، نیروی دریایی به عنوان یکی از بازارهایی که در آن کارایی بالای الیاف کربن هزینه ها را توجیه می کند مورد توجه است.

افزون بر نیروی دریایی، برای افزایش سرعت قایق های مسابقه (حتی به اندازه چند دهم گره دریایی) نیز میتوان از الیاف پیشرفته بهره برد. از الیاف شیشه E در این کاربردها استفاده می شود. الیاف کربن سفت تر و الیاف کولار چقرمه تر هستند. نمونه هایی از سازه های دریایی نظامی، تجاری و ورزشی نشان می دهند که اگر هزینه محرک اصلی طراحی نباشد، الیاف پیشرفته چه کارایی هایی دارند.

نیروی دریایی آمریکا دارای پیشرفته ترین تجهیزات پژوهشی کامپوزیت های دریایی است ولی سوئد پیشرفته ترین ناو جنگی کامپوزیتی را دارد. کوروت رده ویزبی تماماً از لایه های ساندویچی با هسته فوم و روکشی از کربن/ وینیل استر ساخته شده است. این ماده به طور قابل توجهی وزن سازه را کاهش می دهد (حدود 50 درصد نسبت به نوع فلزی). در نتیجه قابلیت حمل بار، سرعت و برد کشتی افزایش می یابد. برتری دیگر این سازه کامپوزیتی علائم مغناطیسی رادار فوق العاده پایین آن است.

بنا بر گفته تولیدکننده سوئدی این کشتی بخش های گوناگون بدنه، عرشه و ابرسازه ها نخست از روش تزریق در خلاء و به صورت پانل هایی تخت ساخته می شوند. سپس این پانل ها برای تشکیل بخش های گوناگون به هم متصل می شوند و در نهایت کشتی کامل می شود. این روش بالا بودن میزان الیاف، کیفیت عالی لایه ها، وزن مناسب و سرعت بالای ساخت را تضمین می کند.

ایالات متحده نیز کشتی هایی به نام استریت فایتر دارد که کارایی هایی مشابه ویزبی دارند. در ضمن نیروی ویژه این کشور از الیاف با کارایی بالا د رانجام ماموریت های بحرانی خود بهره می جوید. قایق جنگی 11 متری RIB با بدنه ای به شکل V عمیق توسط نیروی دریایی و از جنس الیاف شیشه E و کولار و رزین وینیل استر ساخته شده است.

در حالی که الیاف پیشرفته، چقرمگی بالا و قابلیت پنهان شدن از رادار را برای کاربردهای نظامی فراهم می کند، صنایع دریایی تجاری بر کشتی های سبک تر، برای انتقال مردم با سوخت کمتر، تأکید بیشتری دارند. در این راستا کشتی FL برای 2 بار رفت و امد بین تامپاوکی وست در روز طراحی شده است. فست کتز فری سرویس، در حال ساخت کشتی فوق سریع خود در تامپای فلوریداست.

سازندگان این کشتی ادعا می کنند که کشتی آنها سریعترین کشتی مسافربری ساخته شده تاکنون خواهد بود. این کشتی با سرعتی افزون بر 60 گره دریایی (110 کیلومتر در ساعت) در مدت 3 ساعت 150 مسافر را به مقصد میرساند. این زمان 2 ساعت کمتر از زمان مسافرت هوایی و 5 تا 7 ساعت کمتر از زمان مسافرت جاده ای است. سرعت بالای این کشتی به علت طراحی ویژه بدنه اش است که بر پایه فن های بزرگ که با وارد آوردن فشار هوا به سطح آب که آب نشین بدنه کشتی را کاهش می دهند انجام شده است. وزن سازه نیز مهم است. بنابراین شرکت سازنده، از مواد اولیه ای همچون الیاف کربن، پارچه کولار، فوم PVC و اپوکسی های رده هوایی و روش ساخت قالب گیری در خلاء استفاده می کند. قایق های مسابقه همیشه از الیاف پیشرفته بهره برده اند. در این زمینه مثال های خوبی از قایق های موتوری، بادی و پارویی وجود دارد. قایق بادبانی بزرگ و دوبدنه پلی استیشن، بدون استفاده از سازه های کامپوزیتی پیشرفته نمیتوانست در برابر طوفانهای سهمگین اقیانوس اطلس مقاومت کرده و رکورد سرعت را در این مسیر بشکند.

ناخدا استیوفاست و 11 نفر خدمه بین المللی سوار بر این قایق 38 متری، یک مسیر 480 کیلومتری را در 4 روز و 17 ساعت طی کردند و رکورد پیشین را 44 ساعت بهبود بخشیدند. در ساخت این قایق که توسط طراحان معروفی طراحی شده است، تماماً از فناوری الیاف کربن رده هوایی استفاده شده است. استیوفاست بهترین قایق را میخواست تا بتواند با تمام خدمه و بیشترین سرعت ممکن، با آن بدون توقف دور دنیا بگردد.

شرکت نیوزلندی کوک سان بوتز با استفاده از الیاف کربن پیش آغشته و هسته لانه زنبوری آلومینیومی یک قایق بادبانی دو بدنه 32 متری ساخته است. در ساخت این قایق از بانک اطلاعاتی سازمان ناسا در زمینه مواد کامپوزیتی و ازمایشهای آنها استفاده شده است. هرقدر پوسته های بدنه کمتر خم شوند نیروی پیش رانش بیشتری منتقل میشود.

شرکت سایکز ریسینگ در استرالیا، ادعای ساخت برترین سازه کامپوزیتی از نظر کیفیت را دارد. بدنه قایق با استفاده از روش ساندویچ لانه زنبوری شکل داده میشود. دو طرف سبک ترین و سفت ترین لانه زنبوری در دسترس (نامکس) برای تقویت، با پوسته ای از آرامید، پارچه کولار و الیاف کربن پوشانده میشود. لایه های کامپوزیت در خلاء و در دماهای بالا پخت میشوند. محصول به دست آمده سبک و صلب است و در برابر فشارهای پیچشی که هنگام پارو زدن به بدنه قایق وارد میشود، مقاومت می کند.

دیگر حوزه های ورزش حرفه ای همانند رقابت های قایق سواری با قایق های موتوری و بادی، به عنوان بخشی از صنعت لوازم تفریحی دریایی، در استفاده از الیاف پیشرفته پیشرو هستند. قایق های بادبانی با دکل های الیاف کربن/ اپوکسی که روزی ویژۀ افرادمعروف و پروتمند بود روز به روز بیشتر در آبها دیده میشوند. قایق های موتوری با بدنه تقویت شده با کولار تنها روزهای تعطیل در دریاها دیده نمیشوند. اصل مهندسی "مهم نبودن هزینه" کاربرد الیاف پیشرفته را در صنایع دریایی ممکن ساخته است. با این وجود کاهش بهای الیاف کارآمد و پیشرفت روش های ساخت این الیاف، شرایط لازم را برای استفاده افراد عادی از آنها فراهم میسازد.

قایق های تفریحی و الیاف پیشرفته

الیاف پیشرفته در سازه های دریایی معینی کاربرد دارند. قایق های بادبانی پیشرفته عموماً از دکل های الیاف کربن استفاده می کنند. این دکل ها سبک بوده و سفتی بسیار خوبی دارند. در هر دو نوع قایق مسابقه یعنی موتوری و بادبانی، الیاف پیشرفته ای همانند الیاف کربن و آرامید به کار می روند. مدت هاست که در بسیاری از قایق های تفریحی و مدرن، الیاف پیشرفته به کار گرفته می شود. در تمام این موارد، کارایی مورد انتظار از این الیاف، هزینه استفاده از آنها را توجیه می کند. به تازگی کاهش بهای الیاف کربن کاربردهای نوینی برای الیاف پیشرفته فراهم آورده است.

یکی از حوزه هایی که میتواند به صنعت قایق سازی کمک کند، افزایش سفتی اسکلت بندی قایق است. به کارگیری الیاف کربن روی سفت کننده ها یکی از اقتصادی ترین کاربردهای الیاف کربن است. در این بخش است که یک ذره کوچک کربن، بهبود عظیمی ایجاد می کند. شرکت کامپ سیس در حال تولید پیش شکل های پیشرفته ای به صورت هیبرید سه محوره سفارشی است. این سفت کننده ها دارای الیاف شیشه E در جهت های 45 ± درجه سانتی گراد روی کل سفت کننده هستند. یک لایه کربن تک جهته نیز با زاویه صفر درجه، روی سفت کننده قرار می گیرد. برتری بزرگ این روش این است که میزان الیاف کربن مصرفیکم است. سفتی بیشتر، مقاومت بیشتر در برابر بار و بیشینۀ تحمل د ربرابر شکست مشخص می کند که تیرهای هیبرید نه تنها صلبیت بیشتری را فراهم می کنند بلکه از تیرهای الیاف شیشه نیز قویترند. برتری دیگر تیرهای هیبرید این است که این تیرها با طول بسیار کمتری همان کارایی تیرهای الیاف شیشه را دارند. از این طریق وزن قایق کاهش یافته و فضای درون آن افزایش می یابد. قایق های موتوری اج واتر یکی از نخستین کاربران الیاف کربن صنعتی هستند. این شرکت امسال قایق ماهیگیری جدید خود، اج واتر 265، را ارائه کرده است. این قایق دارای بدنه ای سبک و تک پوسته است و از ترکیب تیرهای افقیبا پیش شکل سفارشی و تیرهای هیبرید الیاف کربن/ شیشه بهره می برد. شرکت اج واتر گزارش می دهدکه این قایق کارایی مورد انتظار از بدنه های V شکل را دارد و به کارگیری تیرها ساخت قایق را با بدنه تک پوسته ممکن ساخته است. ضمن اینکه کوتاه بودن سفت کننده های اصلی، امکان استفاده بیشتر از فضای داخلی را فراهم می سازد.

اج واتر 265 دارای 2050 کیلوگرم وزن (منهای سوخت و موتور)، 93 کیلومتر در ساعت سرعت و موتور دوقلویچهارزمانه 225 اسب بخار یاماهاست. این شرکت چشم به آینده دارد، آینده ای که در آن الیاف پیشرفته، بیشتر به کار گرفته شوند. تولیدکنندگان الیاف کربن مصمم به یافتن بازارهای جدیدی برای الیاف کربن هستند؛ چرا که تولید انبوه به کاهش هزینه ساخت الیاف کمک شایانی می کند.

با کاهش قیمت ها، به کارگیری الیاف کربن و هیبریدهای کربن/ شیشه مقرون به صرفه می شود. انتظار می رود در آینده نزدیک، الیاف شیشه مواد غالب در ساخت قایق باقی بماند ولی کاربرد آنها نباید به سفت کننده ها محدود شود. هدف بعدی به کارگیری پارچه های کربنی در لایه های بدنه قایق ها و کشتی هاست؛ به ویژه نمدهای کربنی که برای کاربرد در فرایندهای قالب باز بسیار مورد توجه قرار گرفته اند؛ چون سفتی آنها از نمدهای شیشه ای بیشتر است. تولیدکنندگان الیاف کربن نه تنها به بازار صنایع دریایی بلکه به بازارهای دیگری که به طور سنتی از الیاف شیشه استفاده می کنند نیز توجه ویژه ای دارند. صنعت خودرو شاید مشتری عمده ای برای تولیدکنندگان الیاف کربن باشد. استفاده از سوخت های جایگزین، سازندگان خودرو را مجبور به روی آوردن به خودروهای سبک کرده است.

از دیگر بازارهای پنهان الیاف کربن، صنعت انرژی بادی و زیرسازه هاست. علاقه و توجه به نیروی باد، به ویژه در اروپا بالاست. این انرژی باستانی امروزه از کلیدی ترین انرژی های تجدیدپذیر در دسترس است. از دیگر بازارها برای الیاف میتوان به ساخت باتری ها و پیل های سوختی اشاره کرد. تولیدکنندگان الیاف کربن احساس می کنند این بازارها به همراه بازارهای نظامی و تفریحی، حجم تولید موردنیاز را برای ایجاد انقلابی در الیاف کربن و محصولات آن ایجاد خواهند کرد.

 

منبع: فصلنامه کامپوزیت

موضوعات مرتبط در ادامه ...


مزایای استفاده از کامپوزیت در صنعت ساختمان ایران

مواد مرکب با خواص بهینة خود بازار وسیعی را در سراسر جهان به خود اختصاص داده­اند. طبق آمار، میزان مصرف فولاد آمریکا در سال ۱۹۹۰ کمتر از سال ۱۹۶۰ شده است درحالی که تولید ناخالص ملی آن در همین سال ۲.۵ برابر بیشتر از سال ۱۹۶۰ بوده است. ظهور و رونق تکنولوژی مواد مرکب نیز درست در همین دورة زمانی بوده و یکی از مهمترین دلایل کاهش مصرف فولاد در جهان می‌باشد. از آنجا که صنعت ساختمان بزرگترین مصرف کنندة محصولات مواد مرکب می­باشد، در گفتگویی با مهندس موسوی از اعضای مؤسسة کامپوزیت ایران به بررسی زوایای این مسأله پرداخته شده است:

سوال: ضمن تشکر از شما، جایگاه کامپوزیت­ها را در صنعت ساختمان چگونه می­بینید؟ مهندس موسوی: باید گفت کامپوزیت­ها مزایای بسیار زیادی دارند: دارای مقاومت بسیار بالا و وزن بسیار اندک هستند، کاربری آنها بسیار ساده است و نیاز به تخریب تعمیراتی سازه یا متوقف کردن عملکرد سازه ندارند و در مقابل خوردگی­ها نیز بسیار مقاومند. با در نظر گرفتن همة این خصوصیات و با توجه به مشکلات ساخت­وساز، استفاده از آنها اجتناب ناپذیر است. این مواد در صنعت ساختمان کاربرد وسیعی دارند که می­توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. تعمیر و تقویت خارجی سازه­ها: سازه­های ساختمانی مخصوصاً سازه­های بتن آرمه در هنگام اجرا یا بهره­برداری به دلایل مختلف از جمله ضعف اولیه یا عمر زیاد تحت اثر عوامل مختلف محیطی یا مکانیکی تضعیف می­­­شوند. روش­های سنتی تقویت این سازه­ها دارای دو مشکل اساسی هستند: اولاً در اجرا بسیار مشکل­ساز می­باشند. چرا که برای تقویت مثلاً یک ستون به کمک غلاف بتنی باید قسمتی از سازه تخریب موضعی شود تا قطعات فولادی لازم در سازه جاسازی شوند و سپس بتن­ریزی انجام گیرد که بسیار پردردسر و گاه غیرممکن است. ثانیاً با توجه به مشکلات رایج در ساخت بتن، احتمال آنکه قسمت­های تقویت کننده نتوانند در هنگام اجرا به گونة مناسب با سازة در دست تعمیر هماهنگ شوند وجود دارد، که در صورت وقوع چنین امری سازه انتظارات مورد نظر را برآورده نخواهد کرد.

2. ساخت سازه­های تمام کامپوزیت: حتی در کشورهایی همچون مالزی، ساخت سازه­های تمام کامپوزیت از قبیل گنبدها آغاز شده است. در ایران نیز سازه­های گنبدی شکل وجود دارند که وزن بتن مورد نیاز برای ساخت آنها بالغ بر 70 هزار تن خواهد گردید و اگر آنها را از کامپوزیت بسازیم وزن آنها تا یک سوم تقلیل می­یابد. به این ترتیب علاوه بر اجرای ساده، مقادیر معتنابهی در هزینة زیرسازی صرفه­جویی می­گردد و علاوه بر آن عمر سازه نیز با توجه به مقاومت کامپوزیت­ها در برابر شرایط محیطی مختلف افزایش می­یابد.

3. تعمیر و تقویت داخلی سازه­ها: در مناطق جنوب و شمال کشور، به دلیل زیاد بودن رطوبت و سایر مواد خورنده، آرماتورهای فلزی بتن، دچار پوسیدگی زودهنگام می­شوند که این خود باعث کاهش مقاومت آرماتور و ترک برداشتن و گسیختن بتن در اثر ازدیاد حجم آرماتورهای پوسیده می­گردد. در چنین شرایطی آرماتورهای کامپوزیتی تولید شده توسط فرایند پالتروژن می­توانند پاسخگوی مناسبی به این مسئله باشد. همچنین گاه برای افزایش استحکام فشاری و کششی ملات­های سیمان یا بتن، از الیاف کوتاه کامپوزیت­ها در ترکیب با ملات یا بتن مورد نظر استفاده می­شود. به این ترتیب می­توان از عملکرد مناسب سازه اطمینان حاصل کرد.
سوال: لزوم کاربرد کامپوزیت­ها را در صنعت ساختمان کشورمان چگونه می­بینید و موسسه کامپوزیت ایران در این راستا چه گام­هایی برداشته است؟

مهندس موسوی: جدای از مواردی که در پاسخ به سوال قبل اشاره شد، باید توجه داشته باشیم که ایران نیز همچون ژاپن روی خط زلزله واقع شده است. دولت ژاپن پس از زلزلة هولناک سال 1923 که 143 هزار نفر از مردم شهرهای توکیو و یوکوهاما را به کام مرگ فرستاد، به فکر تقویت ساختمان­های شریانی که به هنگام خطر در امدادرسانی نقش حیاتی دارند، افتاد. مطالعات و تحقیقات فراوانی جهت مستحکم­سازی بیمارستان­ها، آتش­نشانی­ها و مراکز رادیو و تلویزیون صورت پذیرفت و در این راستا حتی اقدام به ساخت و تست کردن نمونه­های مقیاس کامل سازه نمودند.

لازم به ذکر که اثر زلزله بر سازه، با وزن سازه تقریباً نسبت مستقیم دارد و هر چه سازه سنگین­تر باشد، اثر زلزله نیز بیشتر می­گردد. به این ترتیب چون در روشهای سنتی تقویت سازه، وزن قسمتهای تقویت شده حدوداً 1.5 الی 2 برابر می­گردید، دنیا به کامپوزیت­ها که نسبت مقاومت به وزن بسیار بالا و کاربری ساده­ای دارند، روی آورد و از حدود 30 سال پیش استفاده از آنها به عرصة عمل کشیده شد.

در کشور زلزله­خیز ما نیز سازه­های بتنی چه در مرحلة اجرا و چه در مرحلة بهره­برداری، در اثر بارهای مکانیکی یا عوامل محیطی تضعیف می­گردند و نیاز مبرم به تقویت دارند. در راستای پاسخ­گویی به این نیاز، پروژه­ای تحت عنوان بررسی رفتار تیرهای بتن آرمه تعریف شد و برتری کاربرد تیرهای تقویت شده با کامپوزیت نسبت به نمونه­های تقویت نشده به 3 روش حل عددی، تحلیلی و تست آزمایشگاهی به اثبات رسید. این موضوع به عنوان اختراع نیز ثبت گردیده، در کنفرانس بین­المللی بتن و توسعه در ایران و کنفرانس مشابهی در هنگ­کنگ به صورت مقاله ارائه شد.

هم­اکنون پروژه­هایی در کشور هستند که در همان مراحل اولیه قبل از بهره­برداری به صورت مناسب اجرا نشده­اند و ناچارند به علت عدم استحکام مناسب یا کارا نبودن روش­های سنتی جهت تقویت، بنا را کاملاً تخریب کنند. به­عنوان مثال در پروژة یک بنای ده طبقه در تهران، پیمانکار طرح، طبقات زیرین را بسیار ضعیف اجرا می­کند که در نتیجه پس از پایان طبقة هشتم، آثار تزلزل در ساختمان پدیدار می­شود و به ناچار به استفاده از کامپوزیت­ها روی می­آورد.

همچنین بحث تقویت با کامپوزیت­ها منحصر به سازه­های بتن آرمه نبوده و می­تواند در لوله­های انتقال نیز به کار گرفته شود. به طور مثال لوله­های انتقال گاز غالباً دچار مشکل خوردگی می­گردند و امروزه یکی از روشهای مناسب تعمیر در دنیا، استفاده از کامپوزیت­ها می­باشد. یا مثلاً مواردی پیش می­آید تا لوله­ای که جهت انتقال سیال با دبی کم استفاده شده است به دلایل مختلف از قبیل رشد جمعیت با یک لولة فشار بالا تعویض شود و در اینجاست که می­توان تنها با تقویت لوله از هزینه­های اضافی تعویض لوله جلوگیری نمود.

مورد دیگری از تقویت با کامپوزیت­ها را در صنایع حمل و نقل و به­طور خاص بحث تراورس راه آهن می­توان­ یافت. در کشور ما سالیانه مقادیر بسیار زیادی تراورس راه آهن تعویض یا بهسازی می­گردد و این جدای از هزینة هنگفت بستن خط و تغییر ریل­ها و زیرسازی­های لازم است. اما اگر همین تراورس­ها با کامپوزیت تقویت شوند عمر 7 سالة تراورس­ها را تا 30 سال می­توان افزایش داد و در ازای پرداخت هزینة اولیة دو یا سه برابر، هزینة تعمیر و تعویض تا 4 برابر کاهش می­یابد و در نهایت صرفة اقتصادی دارد. (پایان گفتگو با مهندس موسوی)

کاربرد کامپوزیت ها در راه?آهن

به­خاطر ویژگی­های خاص مواد کامپوزیتی، روز به روز استفاده از این مواد در صنایع مختلف گسترش بیشتری می­یابد. در ذیل به کاربرد جدیدی از این مواد در راه آهن اشاره شده است:

شرکت تای­تک واقع در هوستون در ایالت تگزاس، یک واحد تابعه از گروه تکنولوژی­های آمریکای شمالی است. این شرکت بیش از شش سال است که در زمینة توسعه و آزمایش تراورس­ها (چوبهای عرضی که در زیر ریل راه آهن قرار می‌گیرند) کار می­کند. تای­تک با استفاده از پلاستیک بازیافتی و مواد دور­ریختنی که با افزودنی­ها و پر کننده­های ویژه­ای مخلوط شده­اند، یک نوع تراورس ساخته است. تراورس­های تای­تک هم­اندازة تراورس­های چوبی هستند و می­توانند همانند چوب میخ­کوبی شوند. برخلاف چوب این تراورس­ها نمی­شکنند و ترک برنمی­دارند، همچنین مستعد پوسیدگی نیستند، حشرات نمی­توانند به آنها آسیبی بزنند و خواص خود را نیز به مدت طولانی­تری حفظ می­کنند.

هشتاد درصد محتوای این تراورس­ها را ضایعات بازیافتی کم­قیمت، مثل ضایعات رزینی آسیاب شده، لاستیک خرد شده از تایرهای بازیافتی و ضایعات فیلم­های پلی­اتیلنی با دانسیته بالا(HDPE) تشکیل می­دهند. به این مواد اصلی، پرکننده­ها و تقویت­کننده­ها نیز افزوده می­شوند. سپس تراورس­ها، قالبگیری شده و درون قالب، سرد می­شوند تا شکل و ابعاد مناسب خود را حفظ کنند. قیمت نهایی تراورس­های کامپوزیتی برابر با قیمت یک تراورس چوبی با کیفیت بالا خواهد بود؛ یعنی بین 30 تا40 دلار در آمریکا و حدود 50 دلار در اروپا.

اخیراً شرکت تای­تک قراردادی دو ساله به ارزش 10 میلیون دلار برای تامین تراورس­های کامپوزیتی راه­آهن یونیون به پاسفیک منعقد ساخته است. تای­تک امیدوار است که بیش از پنج درصد بازار تراورس­های عرضی جهان را در اختیار بگیرد. به این ترتیب سالانه بیش از سه میلیون تراورس تولید خواهد کرد.

تحلیل:

چنانچه از متن خبر فوق مشاهده می­شود، تراورس­های کامپوزیتی با داشتن قیمتی معادل قیمت بهترین نوع چوبی آن، از مزایای دیگری نظیر سهولت کاربرد، عمر طولانی­تر و خواص مکانیکی بهتر برخوردار هستند که اقتصادی بودن استفاده از آنها را مسلم می­سازد. علاوه بر اینها مواد اولیة مورد استفاده برای ساخت این تراورس­ها اغلب از مواد ارزان هستند که از ضایعات کارخانجات دیگر به دست آمده­اند. این مساله علاوه بر ایجاد یک منبع درآمد برای این کارخانجات منجر به خروج آن­ها از طیف آلاینده­های زیست محیطی و تبدیل به مواد بازیافت شده و مفید می­گردد. به­علت عدم پوسیدگی، استفاده از این تراورس­ها در مناطق مرطوب به صرفه­تر از نوع چوبی آن است. با توجه به آمار ارائه شده در مطلب فوق، وجود بازار بزرگی در جهان برای این محصول قابل تصور است. روش جدید، همچنان که شرکت تای­تک پیش­بینی کرده است، سهم خوبی از بازار را بدست خواهد آورد.

با توجه به تولید فیلم پلی­اتیلن سنگین در کشور و وجود کارخانجات متعدد لاستیک­سازی و منابع محدود چوب (جنگل­ها) و وجود توان طراحی قطعات کامپوزیتی در کشور، به­نظر می­رسد تولید این تراورس­ها در داخل، به صرفه خواهد بود.
(مأخذ: نشریة کامپوزیت، شمارة 1، صفحة 12)
 
 
ساخت آینده با کامپوزیت

بیش از صد سال است ساختمان ها از چند ماده محدود ساخته میشوند (مصالح ساختمانی، تیر و الوار، فولاد و بتن). طی چند سال اخیر کامپوزیت های پلیمری با پاستیک های تقویت شده با الیاف FRP به طور فزاینده ای در صنعت ساختمان به کار گرفته شده اند و توان بالقوه خوبی برای کاربرد بیشتر در ساختمان سازی دارند. 

 

کاربردهای موجود

نخستین کاربردها یاین مواد در اجزای کوچکی از ساختمان همانند پنجره، سایه بان، در و نمای ساختمان بود. معمولاً این محصولات "سازه های ثانویه" نامیده میشوند و به وسیله چارچوب اصلی ساختمان متشکل از مواد ساختمانی متداول حمایت میشوند. در برخی مواد FRP برای ساخت سازه های بزرگ خودپشتیبان همانند گنبد مساجد نیز استفاده شده است؛ در مواردی که احتمالاً ساخت سازه از مواد متداول سخت و یا پرهزینه بوده است.

در سالهای اخیر کاربردهای پیچیده تری برای فراهم آوردن نماهای زیبا و نمایشی در طراحی ساختمانتوسعه یافته است. این کاربردها عبارتند از غلاف ها و نماهای پوششی دارای شکل های پیچیده که اغلب نتایج حیرت انگیزی دارند. با این وجود، ساخت کل ساختمان از FRP پیشرفت کندی داشته است. این امر با در نظر گرفتن این که یک چندلایی تقویت شده با الیاف شیشه، علاوه بر برتری های متعدد دیگر، استحکامی بیش از فولاد سازه ای دارد بسیار شگفت انگیز است.

 

برتری های FRP در ساختمان سازی

ساخت تدریجی ساختمان در مکانی غیر از محل ساختمان:

- کنترل کیفیت بهتر

- رعایت بهینه نکات ایمنی و بهداشتی

- زمان ساخت کوتاهتر

- امکان تولید زمینی در محل

- امکان پیش بینی خدمات موردنیاز در سازه در محل کارخانه

- امکان اتوماسیون و تولید خودکار

کاهش جرم:

- نصب آسانتر، سریع تر و اقتصادی تر

- نیاز به جرثقیل های کوچکتر

- توانایی حمل قطعات بزرگتر به محل ساخت ساختمان و کاهش زمان و هزینه مونتاژ

- کاهش احتمال شکست در حین نصب

- کاهش اندازه و هزینه سازه پشتیبان، فونداسیون و...

- کاهش مصرف انرژی در انتقال قطعات به محل ساخت ساختمان

دوام عالی:

- مقاوم در برابر تغییر ویژگی ها در هوا

- کاهش نیازهای تعمیراتی

- کاهش هزینه های طول عمر

امکان ساخت به شکل های پیچیده:

- امکان خلق طرحهای جدید و زیبا

- راه حل های هندسی کارآمدتر

ظاهر و جلوه های سطحی ویژه:

- ایجاد بافت های ظاهری گوناگون و نامتعارف

- شبیه سازی ظاهر مواد متداول همچون سنگ یا گرانیت

نارسانایی حرارتی بهینه:

- کاهش انتشار کربن و هزینه های اجتناب از آن

- انرژی محاط شده کمتر

- امکان بازیافت

- امکان استفاده از رزین ها و الیاف طبیعی

 

بهینه سازی هندسی:

پیش از این امکان قالب گیری شکل های پیچیده از کامپوزیت برای اجرای طرح های معماری مشاهده شده است ولی اگر این قابلیت برای ساخت ساختمان های بسیار کارآمد و بهینه از نظر سازه ای به کار گرفته شود میتواند تأثیر بیشتری داشته باشد. به عنوان مثال سقف های FRP دو مخزن تصفیه آب با قطر 25 متر را د رنظر بگیرید که هردوی آنها از پلی استر تقویت شده با الیاف شیشه و از روش لایه چینی دستی ساخته شده اند. سقف اول یک سازه معمولی متشکل از تیرهای FRP به عنوان پشتیبان و صفحات موجدار است و 14 تن وزن دارد.این سقف شبیه بسیاری از سقف های ساختمانی، دارای اجزای متعدد با سازه های اولیه و ثانویه جداگانه است.سقف دوم یک سازه یکپارچۀ بهینه، شامل یک پوسته نازک سه بعدی است و تنها 8 تن وزن دارد. به این ترتیب با بهینه سازی هندسی امکان کاهش میزان مواد مصرفی تا 43 درصد فراهم شده است. البته این طراحی نیازمند سرمایه گذاری بیشتری در بخش تحلیل های مهندسی و همچنین ابزار کار استولی صرفه جویی قابل ملاحظه ای در زمان ساخت و مونتاژ قطعه در محل استفاده خواهد داشت.

بنابراین درک این نکته مهم است که کارآمدترین سازه های FRP از نظر شکل سازه ای و هندسی، اساساً متفاوت از سازه های ساختمانی متداولند و باید روش طراحی ساختمان تغییر یابد تا راه حل های مؤثری از آنچه با مواد ساختمانی متداول به دست می آید فراهم شود.

 

ساختمان های کاملاً کامپوزیتی

نمونه های متعددی از سازه های ساختمانی کاملاً کامپوزیتی وجود دارد. نخستین کاربردهای FRP در صنایعی توسعه یافته اند که کامپوزیت ها در آنجا شرایط فنی ویژه ای را فراهم می آورند. به عنوان مثال FRP برای تولید رادوم های بزرگ به کار گرفته شد چون از نظر الکتریکی برای راداری که آن را میپوشاند نامرئی است. شرکت اپتیما در زمینه به کارگیری سازه های کامپوزیتی برای ساختمان هایی همچون مدرسه، دفتر کار، مراکز نمایشگاهی و... سرمایه گذاری می کند. پژوهش های انجام شده در زمینه این ایده به وسیله شرکت اینتراویژن آرشیتکتز در نروژ، منجر به مفهوم ایگلو شد که میتواند ساختمان هایی بسیار کارآمد و اقتصادی را فراهم کند.

چندین سازه تمام کامپوزیتی از جمله هوم پلنت و رست زون درون گنبد هزاره لندن ساخته شده است. هوم پلنت سازه ای پوسته ای از FRP به قطر 36 متر است که چون با قصد جابجایی پس از نمایشگاه سال 2000 طراحی شده بود، بارهای وارده از سوی برف و باد را تحمل می کند. چنین سازه ای می تواند در کاربردهای متعدد همانند ساخت مدارس، دفاتر کار و ساختمان های صنعتی و نمایشگاهی به کار گرفته شود.

 

 

شکل ساختمان ها

بسیاری از مهندسان معمار تمایل دارند با شکل و ظاهر ساختمان ها دست و پنجه نرم کنند. ولی این افراد اغلب با توجه به قابلیت های مواد ساختمانی متداول، در تبدیل مفاهیم پیشرو به واقعیت با محدودیت مواجه میشوند. به کارگیری FRP قالبگیری شده امکان ایجاد شکل های هندسی نمایشی همانند طرح پیشنهادی برای توسعه ایستگاه بترسی پاور را فراهم می کند.

در هر حال باید مراقب مفهوم "امکان ساخت همه چیز از کامپوزیت" و چگونگی بیان آن به مهندسان معمار و مشتری ها بود. با وجود امکان قالبگیری سازه های دارای شکل های پیچیده از این مواد، عموماً تولید این سازه ها نسبت به شکل های هندسی معمولی گرانتر است. گسترش مراکز بزرگ ماشین کاری چندمحوره برای تهیه قالب یا توپی به صورت مستقیم از فایل کامپیوتری، ممکن است به کاهش هزینه های ساخت قطعات کمک کند.

 

ساخت مسکن کامپوزیتی

شرکت ساختمانی استارلینک سیستمز در حال توسعه یک روش مقیاسی برای ساخت خانه های ارزان و کارآمد از نظر حرارتی است. در این روش، پروفیل های FRP پالترودی به هم پیچیده شده یا در هم چفت می شوند و سرعت کار بالاست. پیش بینی میشود با به کارگیری این روش، ساخت مسکن اقتصادی تر شده و آسیب کمتری به محیط زیست وارد کند. ساخت سریع خانه از این شیوه میتواند پاسخگوی تقاضای روزافزون مسکن در بسیاری از کشورها باشد. همچنین انتظار می رود این روش راه حل مناسبی برای ساخت پناه گاه ها و ساختمان های موقت با کاربری نظامی و شهری باشد.

همانگونه که شرکت فیوچر سیستمز آرشیتکتز نشان داده است کامپوزیت های FRP با توجه به قابلیت قالب گیری شکل های پیچیده، برای ساخت خانه های مدرن نیز مورد توجه قرار گرفته اند.

 

کلاس های کامپوزیتی

فیوچرسیستمزآرشیتکتز و وایت یانگ گرین با سرمایه گذاری دولت انگلستان، چندین کلاس FRP برای پروژه "کلاسهای آینده" طراحی کرده اند. سازه این کلاسها در کارخانه به صورت پوسته بیرونی و لایه های درونی قالبگیری شده و سپس با سرعت قابل قبولی در محل استفاده بر روی هم سوار میشود. این روشف سازه سه بعدی کارآمدی را بدون هرگونه چارچوب داخلی جداگانه ایجاد می کند. در گام نخست دو کلاس تولید شده از این روش مورد استقبال معلمان و شاگردان قرار گرفت. این کلاسها به ایجاد یک محیط آموزشی جذاب کمک کرده و خلاقیت دانش آموزان را تقویت می کنند.

برای ساخت این دو کلاس از روش لایه چینی دستی استفاده شد. ولی چنانچه این نوع کلاسها به تولید انبوه برسند میتوان برای کاهش هزینه ها، با سرمایه گذاری در زمینه ابزار و مهندسی تولید، روشهای تولید خودکار همانند قالب گیری با انتقال رزین (RTM) را به کار گرفت.

 

فرصت های آتی

در حال حاضر به کارگیری FRP برای ساخت ساختمان های بزرگ و سازه های اولیه امکان پذیر است. سبکی قابل توجه کامپوزیت ها به ویزه در سازه های سقفی بزرگ با فاصله زیاد ستون ها از یکدیگر نمود پیدا می کند. انتظار میرود امکان ساخت سقف هایی به طول چند صد متر بدون ستون، به روشی اقتصادی با کامپوزیتهای FRP فراهم شود.

معمولاً FRP برای جایگزینی مستقیم مواد متداول، اقتصادی نخواهد بود و باید در روشهای نوآورانه جدیدی به کار رفته شود تا راه حل هایی اقتصادی فراهم کند. این راه حل ها نه فقط شامل شکلهای هندسی کارآمد میشود بلکه تغییر روشها را نیز در بر می گیرد. به عنوان مثال ساخت صفحات ساندویچی ضخیم، علاوه بر تأمین یکپارچگی سازه ای، نارسانایی حرارتی بالا و برتری ساخت سازه در محلی غیر از محل نصب، با کاهش تعداد سازه های پشتیبان و امکان تهیه سقف های بزرگ بی ستون، آزاده و انعطاف پذیری بیشتری در به کارگیری فضای داخلی ایجاد خواهد کرد و تغییر کاربری ساختمان برای استفاده بهینه از فضا را در اینده آسانتر می کند.

کاربردهای بالقوه این فناوری تقریباً شامل همه موارد میشود: مدارس، دفاتر کار، صنایع، ساختمان های نمایشگاهی، استادیوم های ورزشی و غیره. استادیوم های المپیک و ساختمانهای مربوط به آنها یکی از کاربردهای بالقوه مشخص این فناوری هستند. 

 

چالش ها

نشان داده شده است که کامپوزیتهای FRP توانایی ایجاد تحول در ساخت ساختمان ها و خلق طرحهای زیبا و نمایشی جدید را دارند و در بعضی موارد منجر به کارآمدتر و اقتصادی تر شدن سازه ها میشوند. انتظار میرود که این مسئله ابتدا در حوزه های خاصی رخ دهد و سپس به بازارهای بزرگی همانند ساخت مسکن نیز نفوذ کند. به کارگیری مواد FRP برای مهندسان و معماران سنتی چالشی بزرگ خواهد بود. آنها باید با این مواد و فرایندهای ساخت آنها آشنا شوند تا قادر باشند سازه های کارآمدی طراحی کنند. برای صنایع کامپوزیتی و ساختمانی بسیار سخت است که نزدیک به هم کار کنند. پیش بینی میشود که مشاوران متخصص در ارتباط دادن این صنایع با هم نقشی کلیدی داشته باشند. آشنایی با اصول قراردادها و قوانین تجاری مورد استفاده در صنعت ساختمان برای بعضی از تولیدکنندگان کامپوزیت که میخواهند وارد این بازار شوند الزامی خواهد بود. در هرحال این بخش از بازار پتانسیل رشد قابل توجهی دارد و انتظار میرود در اینده توسعه حیرت انگیزی داشته باشد.   

 

 

--------------------
آرشیو مقالات

1.صنعت کامپوزیت در هند(دو شنبه 14 بهمن 1387)
2.ساخت آینده با کامپوزیت (شنبه 12 بهمن 1387)
3.کاربردهای گوناگون الیاف بازالت (یک شنبه 6 بهمن 1387)
4.انتخاب رزین برای ساخت کامپوزیت ها (پنج شنبه 3 بهمن 1387)
5.ویژگیهای الیاف بازالت(یک شنبه 29 دی 1387)
6.قالبگیری با انتقال رزین- RTM(پنج شنبه 26 دی 1387)
7.کاربرد اقتصادی الیاف پیشرفته در صنایع دریایی (دو شنبه 23 دی 1387)
8.بررسی تولید رزینهای اپوکسی(شنبه 14 دی 1387)
9.گنبدهای کامپوزیتی(سه شنبه 10 دی 1387)
10.بازسازی بناها با مواد کامپوزیت(شنبه 7 دی 1387)
 
11.تقویت و تعمیر لوله های گاز با کامپوزیت (دو شنبه 18 آذر 1387)
12.چشم انداز کامپوزیت های چوب پلاستیک (یک شنبه 17 آذر 1387)
13.الیاف کربن(چهار شنبه 13 آذر 1387)
14.انواع مخازن CNG(سه شنبه 12 آذر 1387)
15.کاربرد کامپوزیت در صنعت برق (دو شنبه 11 آذر 1387)
16.تیرهای پالترود شده انتقال نیرو (شنبه 9 آذر 1387)
17.خسارتهای خوردگی و راهکاری کامپوزیتها(پنج شنبه 7 آذر 1387)
18.لوله های کامپوزیتی(پنج شنبه 7 آذر 1387)
19.روشهای ساخت کامپوزیت ها(پنج شنبه 7 آذر 1387)
20.الیاف طبیعی کارآمد (یک شنبه 3 آذر 1387)
21.چوب ها هم کامپوزیتی میشوند (یک شنبه 3 آذر 1387)
22.مقره های کامپوزیتی (شنبه 11 آبان 1387)
23.طراحی مقاومت به خوردگی(شنبه 11 آبان 1387)
24.کاربرد کربنات کلسیم در صنایع کامپوزیت (چهار شنبه 8 آبان 1387)
25.ایجاد پوششهای نانوکامپوزیتی پلی پیرول اپوکسی مقاوم به خوردگی در محیط های دریایی (چهار شنبه 8 آبان 1387)
26.وضیعت بازار کامپوزیتها در قاره آمریکا(چهار شنبه 13 شهریور 1387)
27.بازیافت مواد کامپوزیتی(شنبه 26 مرداد 1387)
28.الیاف آتشفشانی (بازالت)(یک شنبه 20 مرداد 1387)
29.نانو کامپوزیت ها(یک شنبه 20 مرداد 1387)
 
 
 
 

نویسنده : n - s ; ساعت ۱۱:٢٧ ‎ق.ظ ; ۱۳۸٧/۱۱/٢۱
    پيام هاي ديگران()   لینک