Comparison of composite water tanks with concrete and steel tanks
2021-07-09
Show All

Everything about composites

انواع کامپوزیت

كامپوزيت چيست ؟

كامپوزيت تركيب حداقل دو ماده است كه يكي فاز تقويت كننده ناميده مي شود و به شكل الياف، ورقه ويا ذرات است و در فاز ديگر كه ماتريس خوانده مي شود ، محصور است.

كامپوزيت تركيبي است از دو ماده يا بيشتر (اجزاي تقويت كننده –  پركننده ها filler- ماتريس نگهدارنده كامپوزيت) كه داراي شكل (form) يا تركيب (composition) متفاوتي هستند .

به طور كلي مي توان گفت از مواد به صورت كامپوزيت استفاده مي شود تا بتوان به خواص برتري نسبت به اجزاي تشكيل دهنده دست يافت.

در حالت كلي تقويت كننده ها داراي استحكام بالا و دانسيته پايين هستند. در حاليكه ماتريس معمولا ماده اي با چغرمگي بالاست. اگر كامپوزيت به درستي طراحي و ساخته شود تركيبي از استحكام تقويت كننده ها و چغرمگي ماتريس حاصل خواهد شد كه در مواد رايج قابل دسترسي نيست .

انواع كامپوزيت ها

–  دسته بندي كامپوزيت ها براساس اندازة اجزاء

–  دسته بندي كامپوزيت ها بر اساس شكل تقويت كننده

دسته بندي كامپوزيت ها براساس اندازة اجزاء

– كامپوزيتهاي ماكروسكوپي

– كامپوزيت هاي ميكروسكوپي

– كامپوزيت هاي هيبريد

كامپوزيتهاي ماكروسكوپي

در اين گروه اجزاء به اندازه كافي بزرگ هستند كه بدون ميكروسكوپ قابل ديدن باشند . بتن – بتن مسلح با فولاد و چوب هاي چند لايه مثال هايي از اين دسته موادند . بايد توجه نمود كه كامپوزيت مي تواند تركيبي از مواد كاملا متفاوت باشد يا اينكه از يك جنس و صرفا با تغيير جهت گيري (Orientation ) مواد ساخته شود .

دسته بندي كامپوزيتهاي ماكروسكوپي

– كامپوزيت هايي كه فقط از الياف ساخته شده اند

– كامپوزيت هاي ماتريس فلزي

– كامپوزيت هاي ماتريس پليمري

كامپوزيت هايي كه فقط از الياف ساخته شده اند

الياف در اين گروه تقريبا شبيه پارچه بافته شده اند.

رايج ترين نوع اين مواد كامپوزيت كربن است كه براي كاربردهاي دما بالا طراحي شده و بسيار گران قيمت است .

 

كامپوزيت هاي ماتريس فلزي .

اين گروه نيز براي دماهاي بالا طراحي شده است كامپوزيت  بورون – آلومينيوم مثالي از اين گروه است . اين گروه نيز قيمت هاي نسبتا بالايي دارند .

 

كامپوزيت هاي ماتريس پليمري .

اين گروه داراي تنوع بسيار بالايي است و انواع بسيار متفاوتي از الياف و رزين در آن استفاده مي شود . اين گروه به مراتب ارزان تر از دو گروه قبلي هستند .

كامپوزيت هاي ميكروسكوپي

در اين گروه اجزاء به اندازه اي ريز هستند كه فقط توسط ميكروسكوپ قابل ديدن هستند .

كامپوزيت هاي هيبريد

اين گروه با تركيب بيش از دو نوع مواد ساخته مي شوند . بتن مسلح شده با فولاد از اين دسته مواد است . كامپوزيت هيبريد مي تواند تركيبي از تقويت كننده هاي الياف و ذرات را داشته باشد . نمونه اي از اين دست يك سيستم اپوكسي – گرافيت است كه براي افزايش مقاومت به ضربه ذرات لاستيك به آن افزوده شده است . در اين سيستم ذرات در واقع به عنوان ترك هاي كند شده عمل مي كند تا عليرغم ضعيف شدن ساختار سرعت رشد ترك كاهش يابد .

دسته بندي كامپوزيت ها بر اساس شكل تقويت كننده

–  كامپوزيت تقويت شده با ذرات

–  كامپوزيت تقويت شده با الياف

– كامپوزيت هاي ساختاري

كامپوزيت هاي تقويت شده با ذرات

در اين دسته از مواد ذرات براي افزايش مدول . كاهش نفوذ پذيري و كاهش شكل پذيري ماتريس به آن افزوده مي شوند . مواد به كار رفته در اين گروه اكثرا ارزان قيمت بوده و فرايند هاي ساخت آن نيز نسبتا آسان است . نمونه هايي از اين نوع مواد عبارتند از لاستيك خودرو كه تركيب ذرات carbon black   و ماتريس پليمر الاستومر پلي ايزو بوتلين است . نمونه ديگر چدن كروي است كه سمانتيت به شكل كروي درآمده تا قابليت ماشين كاري ماده را بهبود بخشد . نمونه ديگر بتون است كه شن و ماسه نقش ذرات را دارند كه براي افزايش استحكام كششي ، فشاري و برشي سيمان به آن افزوده شده اند .

كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف

الياف تقويت كننده مي توانند از جنس فلز ، سراميك ، شيشه يا پليمرهاي تبديل شده به گرافيت كه بعنوان الياف كربن شناخته مي شود باشند . پيوندهاي كوالانسي قوي در طول الياف باعث داشتن مدول بسيار بالا در اين راستا  مي شود . انجام صحيح فرايندهاي روي الياف بسيار مشكل است و موجب نسبتا گران شدن اين دسته از مواد مي شود . نمونه اي از اين دسته كامپوزيتها بدنه هاي بسيار گران قيمت دوچرخه هاي time – trial  است كه از تركيب پليمري ترموست با الياف كربن ساخته شده است . نمونه ديگر اين دسته مواد بدنه اتومبيلهاي مسابقه است كه از تركيب پليمرهاي ترموست و الياف شيشه ساخته مي شود .

طول الياف راستاي الياف نسبت به يكديگر ، درصد الياف و توزيع آن تاثير مستقيم برخواص نهايي دارد . راستا و طول الياف برحسب اندازه و نوع تنشها و همچنين سطح هزينه قابل قبول طراحي مي شود سرعتهاي توليد براي كامپوزيتهاي الياف كوتاه بالا است و اشكال پيچيده اي را مي توان با آن توليد كرد كه با تقويت كننده هاي پيوسته امكان پذير نيست .

 استحكام كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف

الياف داراي مدول بسيار بالايي در راستاي طولشان هستند ولي در جهت عمود بر آن بسيار ضعيف مي باشند ، لذا اگر همه الياف هم جهت باشند مدول حاصله بستگي به جهت اندازه گيري دارد .

 

 در حالت الياف تك جهته روابط زير برقرار است :

مدول :  Ec = Ef . Vf + Em . Vm

 

استحكام كششي براي بارگذاري طولي :

در اين حالت تغيير كشش الياف و ماتريس يكسان خواهد بود. ( شرايط كرنش برابر ) :

: c كامپوزيت

f  : fiber

m  : matrix

V : درصد حجمي

S : استحكام

E : مدول

Sc = Sm . Vm + Sf . Vf

Ec = Em . Vm + Ef . Vf

 

استحكام كششي براي بارگذاري عرضي :

دراين حالت تنش وارده به الياف و ماتريس برابر است     ( شرايط تنش برابر است ) :

Ec = Em . Ef / ( Vm . Ef  + Vf . Em )

 

كامپوزيت هاي ساختاري

خواص اين مواد به اجزاي تشكيل دهنده و طراحي هندسي آن بستگي دارد .

–  ساختار لايه اي

– Sandwich Panel

ساختار لايه اي

دراين گروه ورقه ها يا صفحات تخت ( دو بعدي ) كه داراي استحكام ترجيحي ( در راستاي خواص ) هستند – مثل چوب يا پلاستيك هاي تقويت شده با الياف پيوسته – به هم چسبانده مي شوند به طوري كه جهت بيشترين استحكام در هر لايه تغيير مي كند . ساختارهاي بسيار پيچيده در وسايل اسكي وPlay Wood   نمونه هايي از اين گروه اند . مزيت اين گروه استحكام بالانس شده در صفحه است .

Sandwich Panel  

در اين گروه ورقه هاي استحكام بالا يك لايه نسبتا ضخيم كم وزن را احاطه مي كند . لايه هاي طرفين كه مي تواند از آلياژهاي تيتانيوم ، فولاد و … باشد قسمت عمده بار و تنش را تحمل مي كند . هسته مي تواند يك ساختار لانه زنبوري سبك باشد كه در برابر تنش هاي عمودي مقاومت كرده و استحكام برشي را تامين مي كند . سقف كف و ديوارها در ساختمان و پوسته هاي بال بدنه و tail plane  در هواپيما نمونه هايي از كاربرد اين گروه است .

تعريف مشخصات و تاريخچه SMC&BMC

SMC&BMC مواد كامپوزيت از شاخه ترموست ها هستند كه شامل يك فاز تقويت كننده از جنس الياف شيشه ،كربن و يا ديگر الياف ميباشد.  در فاز ماتريس شامل يك رزين ترموست ( پلي است غير اشباع ، اپوكسي، ونيل استر) افزودني هاي Low shrink & Low profile ، فيلر، رنگ و ساير افزودني ها مي باشد.

مهمترين تفاوت بين اين دو ماده در اين است كه در SMC مواد به صورت ورقه اي (شبيه لواشك) توليد مي شود و جهت قطعاتي كه نياز به استحكام مكانيكي بالاتري دارند استفاده مي شود ولي براي قطعات كوچك و با پيچيدگي بالا بوسيله تزريق بهتر  مي توان اين گونه قطعات را توليد كرد، و به همين دليل مواد BMC كه طول الياف آنها كوچكتر مي باشد بسيار مناسب تر هستند.

مقايسه مشخصات تابلوهاي برق فلزي با تابلوهاي برق كامپوزيتي

جهت مقايسه تابلوهاي برقي فلزي و كامپوزيت از مقايسه شاخص هاي زير كمك گرفته شده كه تا حدودي وجوه مميز اين تابلوها را روشن مي نمايد . لازم به ذكر است دليل  مقايسه بين تابلوهاي فلزي و كامپوزيت بدليل رايج بودن استفاده زياد از تابلوهاي فلزي در ايران بوده است و البته اين مقايسه براحتي ميتواند جهت تابلوهاي با  جنس مواد ديگر مانند ترموپلاستيك ها و پلاستيك ها و غيره نيز صورت پذيرد كه به دليل طولاني شدن مبحث اجتناب شده است كه در صورت نياز در اختيار علاقمندان قرار خواهد گرفت.

  1. هدايت الكتريكي
  2. انتقال حرارت محيط به داخل تابلو ي برق
  3. انتقال حرارت ناشي از تابش نور خورشيد به داخل تابلو
  4. مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش
  5. مقاومت در مقابل شعله آتش
  6. مقاومت در مقابل خوردگي و اكسيداسيون( زنگ زدگي )
  7. مقاومت مكانيكي
  8. نياز به پوشش رنگي
  9. كاربري
  10.  امكان سر بندي سيم كشي و شينه گذاري مطابق كليه    استاندارد هاي VDE , IEEE , IEC , DIN
  11. امكان تعويض يكي از قطعات سقف ، بدنه و يا درب
  12. IP PROTECTION SYSTEM –

 

1-هدايت الكتريكي

اصولاً تابلو هاي كامپوزيتي با توجه به مقاومت الكتريكي كامپوزيتها تقريباً عايق الكتريكي بوده هدايت الكتريكي در تابلو هاي كامپوزيتي تا 1000 ولت ويا بيشتر بر اساس كاربري ممكن مي باشد.

با توجه به جدول مشخصات الكتريكي پيوست مقاومت سطحي و حجمي و ديگر مشخصات آورده شده است كه به وضوح عدم قدرت رقابت فلزها با كامپوزيت هاي تروموست را به رخ مي كشد.

واضح است كه تابلو هاي فلزي هادي جريان الكتريسيته هستند.

2-ضريب انتقال حرارتي( انتقال حرارت محيط به داخل تابلوي برق)

با توجه به ضريب انتقال حرارتي كامپوزيت هانسبت به فلزات كه در كامپوزيت ها  ( 16W/m².cº)  ( k و در فلزات آهن)   ≈81 W/m².cº) k)

معلوم مي گردد كه امكان انتقال حرارت محيط به داخل تابلو در تابلو هاي كامپوزيتي كم اما در تابلو هاي فلزي   بسيار  زياد است( چيزي در حدود 500 برابر).

اين نقطه ضعف در زمان آتش سوزي ها به خوبي وجه تمايز تابلوهاي كامپوزيت با تابلوهاي فلزي را نمايان مي سازد.

3-انتقال حرارت ناشي از تابش نور خورشيد به داخل تابلو

باتوجه به توضيحات بخش قبلي ميتوان نتيجه گرفت كه  انتقال حرارت ناشي از تابش نور خورشيد به داخل تابلوهاي كامپوزيتي كم و لي در تابلوهاي فلزي زياد است. اين مشخصه در زماني كه تابلو ها در فضاي باز و در محيط بيروني مورد استفاده قرار مي گيرند به صورت واضح قابليت تابلوهاي كامپوزيت را به رخ مي كشد.

4-مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش

اصولا در شرايط يكسان كامپوزيت هاي معمولي در مقابل اشعه ماوراء بنفش آسيب پذيرند اما بر اساس كاربري به راحتي ميتوان مقاومت در مقابل اشعه ماوراء بنفش در هر دو نوع يكسان نمود.

5-مقاومت در مقابل شعله آتش

در حالت عادي با توجه به اينكه ترموست ها و به خصوص SMC&BMC بر پايه رزين هاي پلي استر تهيه مي شوند در مقابل آتش آسيب پذير خواهند بود كه البته با كمك مواد افزودني (Additives) و به طور خاص مواد خود اطفاء  (Fire retardant) تابلوهاي كامپوزيت در مقابل شعله آتش مقاوم هستند . ميزان مقاومت و نحوه استاندارد آزمايش ها در جدول ضميمه آورده شده است.

بديهي است كه تابلو هاي فلزي در مقابل شعله هاي آتش مقاومند اما حرارت به سرعت به تجهيزات داخلي تابلو منتقل خواهد شد .

 

6-مقاومت در مقابل خوردگي و اكسيداسيون ( زنگ زدگي )

– مقاومت در مقابل خوردگي در تابلو هاي كامپوزيتي در محيطهاي اسيدي و قليائي ، اوره ، كودهاي شيميائي ، فضولات حيواني ، نمك و آب دريا ، بارانهاي اسيدي ، مواد نفتي و آلي ، اسيد هيدرو كلريد ريك و سولفوريك و فرميك تا 20% و اسيد اسيتيك و مواد شوينده والكل و تترا كلرايد كربن و … بسيار بالا اما در تابلو هاي فلزي بسيار پايين است .جدول پيوست

بديهي است كه استفاده از پوشش هاي رنگي مي تواند تا حدودي اين نقطه ضعف را در تابلوهاي فلزي بپوشاند اما پوشش هاي رنگي بر اساس نوع پوشش مستلزم صرف هزينه و وقت زيادي خواهد بود و در اولين خراش ايجاد شده، تابلو را عملا مستعد خوردگي و زنگ زدگي خواهد نمود.

تابلو هاي كامپوزيتي بر خلاف تابلو هاي فلزي در مقابل اكسيداسيون ( زنگ زدگي ) مقاومند و مي توان تا سالهاي متمادي بدون هيچ نگهداري خاصي مورد بهره برداري قرار گيرند . جدول پيوست

 

7-مقاومت مكانيكي

از نقاط قوت مواد كامپوزيت بالا بودن استحكام ويژه آنها نسبت به فلزات مي باشد.(جدول پيوست)

بديهي است با توجه به اين خصوصيت منحصر به فرد كامپوزيتها در صورت طراحي مناسب مي توان به مقاومت مكانيكي بالا تري نسبت به تابلو هاي فلزي دست يافت .

8-نياز به پوشش رنگي

تابلو هاي كامپوزيتي بر خلاف تابلو هاي فلزي نياز به پوشش رنگي خاصي ندارند و رنگ ها در مواد اوليه قابل اضافه كردن هستند و بديهي است كه مادام العمر خواهند بود .

9-كاربري

اين تابلو ها قابليت استفاده در كاربري هاي متفاوت شامل :

– تابلوهاي فرمان

– تابلوهاي توزيع برق فشار ضعيف و قوي

– تابلوهاي كنترل ( آسانسور ، الكترونيكي ، PLC و … )

– تابلوهاي مخابراتي

– كنتور گاز

– غيره

 

10-امكان سر بندي سيم كشي و شينه گذاري مطابق كليه    استاندارد هاي VDE , IEEE , IEC,  DIN

در تابلو هاي كامپوزيتي مطابق تابلو هاي فلزي امكان سر بندي ، سيم كشي و شينه گذاري مطابق استاندارد هاي VDE ,IEEE ,IEC , DIN واستاندارد هاي مرسوم در ايران وجود دارد .

 

11-امكان تعويض يكي از قطعات سقف ، بدنه و يا درب

امكان تعويض يكي از قطعات بدنه در تابلو هاي كامپوزيتي به راحتي امكان پذير است ، اما در تابلو هاي فلزي غير پيچ و مهره اي اين مهم به راحتي امكان پذير نيست .

12-IP PROTECTION SYSTEM 

قابليت ايجاد IP Protection System  در هر دو تابلوي كامپوزيتي و فلزي يكسان مي باشد.

 

 

 

نتيجه گيري

با توجه به مقايسه بعمل آمده در جدول مشخصات به نظر مي رسد در صورتي كه به توان به گونه اي عمل كرد كه نقاط ضعف تابلو هاي فلزي با كمك خواص مواد كامپوزيت مرتفع گردد، عملا گام بسيار مهمي جهت ساخت تابلوهاي كامپوزيت برداشته خواهد    شد .

از نقاط ضعف بسيار عمده تابلوهاي فلزي عدم مقاومت در مقابل خوردگي و زنگ زدگي است . اين نقطه ضعف زماني بيشتر مشهود مي گردد كه تابلوهاي فلزي در فضاي آزاد (تابلوهاي باراني) ويا در صنايعي كه در پروسه توليدشان از مواد اسيدي و يا قليايي و يا داراي خاصيت خورندگي استفاده مي كنند مورد استفاده قرار گيرند و در صورتي كه تابلوها در سالن توليد مستقر باشندقضيه غامض تر خواهد شد .

خوشبختانه اين مشكل به طور كامل در تابلوهاي كامپوزيت مرتفع گرديده است . لازم به ذكر است  كه استفاده از تابلوهاي با جنس استيل بسيار گران بوده و داراي پروسه توليد و ساخت پيچيده تري نسبت به ديگر تابلوهاي فلزي هستند، همچنين استفاده از ورق گالوانيزه نه تنها باعث گران شدن تابلوهاي برق خواهد شد بلكه پروسه رنگ آميزي را نيز پيچيده تر خواهد نمود. لازم به ذكر است رنگ آميزي تابلوهاي با جنس استيل در حقيقت به معني پنهان نمودن خواص برتر اين ماده پر ارزش(استيل) است ، و اين در حالي است كه ما بعضاً ناگزير از رنگ آميزي تابلوها بدليل رعايت موارد ايمني و يا كاربردي تابلوها هستيم.

يكي از نقاط قوت تابلوهاي فلزي قابل بازيافت بودن مواد فلزي است ، كه متاسفانه در حال حاضر باعث نقطه ضعف بزرگي در اين گونه از تابلوها و جعبه هاي انشعاب شده است چرا كه افراد سودجو را ترغيب به دزديدن درب و يا بدنه اين تابلوها نموده كه اين مسئله باعث بوجود آمدن خطرات برق گرفتگي بسيار زيادي مخصوصاً در كودكان شده است كه بدليل تاثيرات  بسيار سوء رواني و اجتماعي ناشي از انتشار اخبار آن در حال حاضر گزارش رسمي منتشر نشده است.

يكي ديگر از نفاط قوت  تابلوهاي فلزي مقاومت مكانيكي بالاي آنها مي باشد كه مواد كامپوزيت خوشبختانه داراي استحكام ويژه ي بالاتري نسبت به فلزات مي باشند . در اين زمينه بر روي مواد اوليه و محصولات ، آزمايشات تخريبي متعددي شامل تست هاي خمشي ، كششي و ضربه (Impact test) صورت مي پذيردكه كه در حال حاضر كليه ي اين آزمايشات درآزمايشگاه شركت نيپكو انجام مي گردد. اطمينان از اين استحكام به قدري است كه در يكي از آزمايشات با تزريق 10KAجريان به كابل هاي اتصال كوتاه شده يِ داخل كابينت تابلو مقاومت تابلو در برابر انفجار شديد ناشي از اين آزمايش عملاً بررسي و مشاهده گرديده است.   تابلوهاي كامپوزيت در مقايسه با تابلوهاي فلزي مشابه مقاومت بيشتري از خود نشان مي دهند به گونه اي كه عملاً امكان استفاده مجدد از تابلوي كامپوزيتي مورد آزمايش وجود داشته ولي تابلوي فلزي منهدم وعملاً  غير قابل استفاده خواهد بود.

مهمترين نقطه ضعف تابلوهاي كامپوزيت مقاومت كم آنها در مقابل آتش سوزي است كه اين نقطه ضعف با افزودن مواد خود اطفاء(Fire retardant) برطرف گرديده است.لازم به ذكر است كه جهت حصول اطمينان از نتيجه كار بر روي نمونه هاي توليدي آزمايش مقاومت درمقابل شعله آتش مطابق استاندارد(DIN 53438 K1 F1)صورت مي پذيرد.

مهمترين مزيت تابلوهاي كامپوزيت نسبت به تابلوهاي فلزي، عدم هدايت جريان الكتريكي در آنها است كه بدون هيچ توضيحي مي توان به نتايج آن در ايمني و حفاظت در مقابل برق گرفتگي اشاره كرد. لازم به ذكر است بخش اعظمي از برق گرفتگي ها ناشي از اتصال يكي از فازها با بدنه مي باشد كه بيشتر اين موارد در

تابلوهاي باراني  كه در معابر عمومي نصب مي گردند مشاهده مي شود كه متاسفانه اكثراً در دسترس عموم مردم ، كودكان و افراد غير متخصص در امور برق مي باشد.

مشخصات الكتريكي    Electrical properties
مقاومت سطحي 10^11 Ω IEC 60093 Surface Resistance
مقاومت الكتريكي 10^14 Ω IEC 60093 Volume Resistance
ولتاژ شكست 240 KV/Cm IEC 60243-1 Disruptive strength
مشخصات مكانيكي  properties Mechanical
مقاومت خمشي 130 MPa ISO 14125 Bending resistance
مقاومت به ضربه 57 KJ/M ISO 179 Impact strength
مقاومت برخورد 130 MPa  ISO 8515 Crushing strength
مقاومت كششي 70 MPa 524-4 Tensile strength
مشخصات فيزيكي     properties Physical
مقاومت حرارتي 162˚ c IEC 216 Heat resistance
مقاومت تغيير حالت در مقابل دما 200˚ c ISO 75-2 Thermoforming resistance
مقاومت اتصال كوتاه 2.2.2.2 VDE 0303-5 Electric arc resistance
تست سيم داغ BH 2-30 IEC 60707-3 BH 2-30 Incandescence resistance
تست شعله K1 F1 DIN 53438 flammability
جذب آب 50/60 mg/4 d ISO 62 Water absorption

با اميد

به موفقيت صنعت گران پيشرو در ايران

و با آرزوي توفيق الهي .

Leave a Reply

Your email address will not be published.