کامپوزیت

کامپوزیت چیست ؟ 

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 – ماتريس نگهدارنده كامپوزيت) كه داراي شكل - filler پركننده ها متفاوتي هستند . (composition) يا تركيب (form) به طور كلي مي توان گفت از مواد به صورت كامپوزيت استفاده ميشود 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 کامپوزیت ها

- دسته بندي كامپوزيت ها براساس اندازة اجزاء

- دسته بندي كامپوزيت ها بر اساس شكل تقويت كننده

دسته بندي کامپوزیت ها براساس اندازة اجزاء

- كامپوزيتهاي ماكروسكوپي

- كامپوزيت هاي ميكروسكوپي

- كامپوزيت هاي هيبريد

کامپوزیتهاي ماکروسکوپی

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 مواد (Orientation ) يك جنس و صرفا با تغيير جهت گيري ساخته شود .

دسته بندي کامپوزیتهاي ماکروسکوپی

- كامپوزيت هايي كه فقط از الياف ساخته شده اند

- كامپوزيت هاي ماتريس فلزي

- كامپوزيت هاي ماتريس پليمري

کامپوزیت هایی که فقط از الیاف 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 .

کامپوزیت هاي ماتریس 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 .

کامپوزیت هاي ماتریس پلیمري .

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 .


کامپوزیت هاي میکروسکوپی

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

کامپوزیت هاي هیبرید

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 کامپوزیت ها بر اساس شکل تقویت کننده

- كامپوزيت تقويت شده با ذرات

- كامپوزيت تقويت شده با الياف

- كامپوزيت هاي ساختاري

کامپوزیت هاي تقویت 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 اي ن نوع مواد و carbon black عبارتند از لاستيك خودرو كه تركيب ذرات 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 .

کامپوزیت هاي تقویت شده با الیاف

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 است كه از ترك يب time – trial گران قيمت دوچرخه هاي 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 .

استحکام کامپوزیت هاي تقویت شده با الیاف

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 الیاف تک جهته روابط زیر برقرار است : 

Ec = Ef . Vf + Em . Vm  : مدول

استحکام کششی براي بارگذاري طولی :

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

كامپوزيت : c

fiber : f

matrix : m

درصد حجمي : V

استحكام : S

مدول : E

Sc = Sm . Vm + Sf . Vf

Ec = Em . Vm + Ef . Vf

استحکام کششی براي بارگذاري عرضی :

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

Ec = Em . Ef / ( Vm . Ef + Vf . Em )

کامپوزیت هاي ساختاري

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

- ساختار لايه اي

Sandwich Panel -


 

ساختار لایه 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 Play Wood كند . ساختارهاي بسيار پيچيده در وسايل اسكي و 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 در هواپيما نمونه هايي از كاربرد اين گروه است . tail plane و SMC&BMC تعریف مشخصات و تاریخچه مواد كامپوزيت از شاخه ترموست ها هستند كه SMC&BMC شامل يك فاز تقويت كننده از جنس الياف شيشه ،كربن و يا ديگر الياف ميباشد. در فاز ماتريس شامل يك رزين ترموست ( پلي Low shrink استر غير اشباع ، اپوكسي، وينيل استر) افزودني هاي فيلر، رنگ و ساير افزودني ها مي باشد. ، & Low profile مواد SMC مهمترين تفاوت بين اين دو ماده در اين است كه در به صورت ورقه اي توليد مي شود و جهت قطعاتي كه نياز به SMC . مشخصات مكانيكي بالاتري داشته باشد استفاده مي شود براساس نوع كاربرد مي تواند خواص متفاوتي داشته باشد نظير مقاومت مقابل شعله ( جهت مصارف الكتريكي ) ، كشش زياد جهت ) A ( جهت قطعات با استحكام بالا ) ، كيفيت سطحي قطعات بدنه خودرو و در معرض ديد ) همچنين براساس نياز SMC مي تواند داراي فرمولهاي متعددي باشد بطور مثال در 12 الي mm طول الياف با توجه به خواص مكانيكي مورد نظر از % 50 قابل تغيير مي باشد ضمنا درصد الياف از 20 % الي 60 mm معمولا قطعات سايز بزرگ SMC قابل تغيير است . با 3mm طول الياف بين BMC توليد مي شود . در مورد 12 قابل تغير است و درصد الياف بين 15 % الي mm الي ( Bulk ) به صورت خمير BMC . %30 متغير مي باشد توليد مي شود و مقاومت مكانيكي كمتري دارد و بيشتر جهت قطعات سايز كوچك استفاده مي گردد . لازم به ذكر SMC & مي باشد كه قابليت توليد قطعات به روش بين 500 الي 2000 قطعه در روز با توجه به نوع BMC قالب متغير مي باشد و از قطعات ساده تا قطعات فوق العاده پيچيده قابل توليد مي باشد .

مقایسه مشخصات تابلوهاي برق فلزي با تابلوهاي برق کامپوزیتی

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

VDE , IEEE , IEC , DIN استاندارد هاي

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

IP PROTECTION SYSTEM - .12

-1 هدایت الکتریکی

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 ضریب انتقال حرارتی( انتقال حرارت محیط به داخل تابلو)

 با توجه به ضريب انتقال حرارتي كامپوزيت هانسبت به فلزات كه و در فلزات (آهن ) ( k ≈ 16W/m².cº) در كامپوزيت ها (k ≈81 W/m².cº) معلوم مي گردد كه امكان انتقال حرارت محيط به داخل تابلو در تابلو هاي كامپوزيتي كم اما در تابلو هاي فلزي بسيار زياد است(ئچيزي 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 ناشی از تابش نور خورشید 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 بر پايه رزين هاي پلي استر SMC&BMC خصوص تهيه مي شوند در مقابل آتش آسيب پذير خواهند بود كه و به طور (Additives) البته با كمك مواد افزودني تابلوهاي (Fire.retardant) خاص مواد خود اطفاء 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 خوردگی و اکسیداسیون ( زنگ زدگی )

- 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 وتترا 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 مکانیکی

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 نیاز به پوشش رنگی 

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 کاربري 

اين تابلو ها قابليت استفاده در كاربري هاي متفاوت شامل : 

- تابلوهاي فرمان

- تابلوهاي توزيع برق فشار ضعيف و قوي

و ... ) PLC ، - تابلوهاي كنترل ( آسانسور ، الكترونيكي

- تابلوهاي مخابراتي

- كنتور گاز

- غيره

-10 امکان سر بندي سیم کشی و شینه گذاري مطابق VDE , IEEE , IEC, DIN کلیه استاندارد هاي

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

-11 امکان تعویض یکی از قطعات سقف، بدنه و یادرب

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 .

IP PROTECTION SYSTEM -12

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


نتیجه گیري

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 ذکر است رنگ آمیزي تابلوهاي با جنس استیل در حقیقت به معنی پنهان نمودن خواص برتر این ماده پر ارزش(استیل) است ، و این در حالی است که ما بعضاً ناگزیر از رنگ آمیزي تابلوها بدلیل رعایت موارد ایمنی و یا کاربردي تابلوها هستیم.

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 گرفتگی بسیار زیادي مخصوصاً در کودکان شده است که بدلیل تاثیرات بسیار سوء روانی و اجتماعی ناشی از انتشار اخبار آن در حال حاضر گزارش رسمی منتشر نشده است.

يكي ديگر از نفاط قوت تابلوهاي فلزي مقاومت مكانيكي بالاي آنها مي باشد كه مواد كامپوزيت خوشبختانه داراي استحکام ویژهي بالاتري نسبت به فلزات می باشند . در اين زمينه بر روي مواد اوليه و محصولات ، آزمايشات تخريبي متعددي شامل تست هاي صورت مي پذيردكه ك ه (Impact test) خمشي ، كششي و ضربه در حال حاضر كليه ي اين آزمايشات درآزمايشگاه شركت نيپكو انجام مي گردد. اطمينان از اين استحكام به قدري است كه در يكي 10 جریان به کابل هاي اتصال کوتاه KA از آزمايشات با تزریق شده يِ داخل کابینت تابلو مقاومت تابلو در برابر انفجار شدید ناشی از این آزمایش عملاً بررسی و مشاهده گردیده است

تابلوهاي كامپوزيت در مقايس ه 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 وعملا ً غير قابل استفاده خواهد بود.

مهمترين نقطه ضعف تابلوهاي كامپوزيت مقاومت كم آنها در مقابل آتش سوزي است كه اين نقطه ضعف با افزودن برطرف گرديده (Fire retardant) مواد خود اطفاء است.لازم به ذكر است كه جهت حصول اطمينان از نتيجه كار بر روي نمونه هاي توليدي آزمایش مقاومت درمقابل (DIN 53438 K شعله آتش مطابق استاندارد 1 صورت مي پذيرد. F1)

مهمترين مزيت تابلوهاي كامپوزيت نسبت به تابلوهاي فلزي، عدم هدایت جریان الکتریکی 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.

به اميد موفقيت صنعت گران پيشرو در ايران

و با آرزوي توفيق الهي .