ساختمان

کامپوزیت کربن چیست؟ | مقاوم سازی افزایشی

[ad_1]

تاریخچه ترکیبی:

استفاده از کامپوزیت ها از زمان های قدیم در بین مردم رواج داشته است، به عنوان مثال افزودن کاه به گل برای تقویت گل و ساخت آجرهای مقاوم برای استفاده در ساختمان ها از اولین کاربردهای این سیستم بوده است. در این حالت نی به عنوان تقویت کننده و گل به عنوان پس زمینه یا ماتریس عمل می کند. ارگ بم که شاهکار معماری ایرانی بوده است، نمونه بارز استفاده از فناوری کامپوزیت در قرون گذشته است. مثال دیگر تقویت بتن توسط میله های فولادی است که قدمت آن به سال 1800 پس از میلاد برمی گردد.

تعریف مواد کامپوزیت یا کامپوزیت:

ماده ای با دو یا چند جزء خاص در صورتی می تواند کامپوزیت در نظر گرفته شود که فازها و اجزای آنها خواص کاملاً متفاوتی داشته باشند. ترکیب دو یا چند ماده با هم به طوری که از نظر شیمیایی متمایز و در یکدیگر نامحلول باشند و خواص ساختاری این ترکیب بر هر یک از اجزای تشکیل دهنده آن به تنهایی برتری داشته باشد، کامپوزیت می گویند. کامپوزیت ترکیبی از حداقل دو ماده مجزا با یک رابط مشترک بین هر جزء است. در مهندسی مواد به مواد گفته می شود که از یک فاز پایه (ماتریس) و یک تقویت کننده (پرکننده) تشکیل شده است.

کامپوزیت از دو بخش اصلی ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده است. فاز تقویت کننده که از الیاف در گروه های مختلف و فاز ماتریس که از رزین تشکیل شده است. ماتریس تقویت کننده را نسبت به خود در جای خود نگه می دارد. تقویت کننده خواص مکانیکی سازه را بهبود می بخشد. تقویت کننده می تواند به صورت فیبرهای کوتاه یا بلند و پیوسته باشد. الیاف تقویت کننده بار اصلی هستند و ماتریس وظیفه تهیه بستر مناسب برای انتقال بار از یک الیاف به فیبر دیگر را بر عهده دارد.

کامپوزیت های پلیمری FRP به دو صورت ورق FRP و میلگرد FRP موجود می باشد. FRP بر اساس فیبر تشکیل دهنده آنها به 3 دسته تقسیم می شود:

  1. CFRP (فیبر کربن): کامپوزیت تقویت شده با فیبر کربن
  2. GFRP (فیبر شیشه ای): کامپوزیت تقویت شده با الیاف شیشه
  3. الیاف آرامید AFRP (کامپوزیت تقویت شده با الیاف آرامید)

برجسته ترین کاربرد این کامپوزیت در صنعت مقاوم سازی، تعمیر و مقاوم سازی سازه ها می باشد.

این مطلب را هم بخوانید  تقویت اعضای سازه ای بتن آرمه

فیبر کربن:

فیبر کربن ماده ای است که از الیاف بسیار نازکی که دارای اتم های کربن هستند ساخته شده است. این اتم ها در یک آرایش کریستالی میکروسکوپی در جهت طولی فیبر به هم متصل می شوند. این آرایش کریستالی است که فیبر کربن را بسیار قوی می کند. فیبر کربن برای ساخت مواد کامپوزیت با رزین های پلاستیکی استفاده می شود. فیبر کربن دارای استحکام فولاد است، در حالی که بسیار سبک و همچنین انعطاف پذیر است. همچنین این الیاف در هنگام گرم شدن منبسط نمی شوند و به دلیل مقاومت حرارتی بالا به طور کلی نمی سوزند. این الیاف در اثر خم شدن و کشش آسیب نمی بیند و بسیار مقاوم است اما اگر در معرض ضربه ناگهانی و ناگهانی قرار گیرد مانند ضربه چکش می شکند. فیبر کربن بهترین نسبت وزن به استقامت را دارد.

کامپوزیت کربن چیست؟ | مقاوم سازی افزایشی

ساختار کامپوزیت کربن

تعداد رشته ها تاثیر زیادی بر قیمت و البته خواص مکانیکی الیاف کربن دارد. هرچه این عدد بیشتر باشد، محصول گران‌تر و قوی‌تر خواهد بود. در تصویر زیر دو نمونه سیم 3000 و رشته 12000 را مشاهده می کنید:

کامپوزیت کربن چیست؟ | مقاوم سازی افزایشی

یک ورق یا ورق کربن از همان الیاف تشکیل شده است که به شکل مربع در هم تنیده شده اند:

کامپوزیت کربن چیست؟ | مقاوم سازی افزایشی

استحکام کامپوزیت کربن دو دلیل اصلی دارد: اولی سختی ذاتی کربن و ماتریس استفاده شده است. دلیل دوم این است که یک واکنش شیمیایی بین دو ماده مورد نظر رخ می دهد.

تولید کامپوزیت کربن CFRP

عنصر اصلی CFRP یک فیبر کربن است. تولید کامپوزیت CFRP بر پایه الیاف پلی اکریلونیتریل شامل سه فاز زیر می باشد:

فاز تثبیت اکسیداسیون: در این مرحله الیاف اکریلیک همزمان با کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیون در محدوده دمایی 200 تا 3000 درجه سانتیگراد قرار می گیرند.

فاز کربنیزاسیون: پس از مرحله تثبیت اکسیداسیون، الیاف به مدت چندین ساعت بدون کشش در دمای 1000 درجه سانتیگراد در محیط خنثی تحت عملیات حرارتی کربنیزاسیون قرار می گیرند.

فاز گرافیت سازی: بسته به نوع فیبر کربن، از نظر خاصیت ارتجاعی و کاربرد این فاز در محدوده دمایی 3000 – 1500 درجه سانتیگراد، درجه جهت گیری کریستال های کربن در جهت محور فیبر و سایر خواص مکانیکی را بهبود می بخشد. .

فرآیند تولید فیبر کربن CFRP بر اساس سایر پیش شرط ها مشابه مراحل فوق می باشد. خواص ساختاری الیاف کربن را می توان با میکروسکوپ الکترونی و پراش اشعه ایکس بیشتر بررسی کرد. در ساخت CFRP بر پایه پلی اکریلونیتریل، ساختار الیاف از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای در طول تثبیت اکسیداسیون و کربنیزاسیون بعدی تغییر می کند.

این مطلب را هم بخوانید  آخرین آمار کشته ها و تلفات زلزله آذربایجان شرقی چقدر است؟

هر چه استحکام کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد، خواص کششی کامپوزیت CFRP بالاتر است. هنگامی که مرحله تثبیت به درستی انجام شود، استحکام کششی و کشش با کربنیزاسیون کششی در محصول نهایی فیبر کربن بسیار افزایش می یابد. به طور کلی استحکام و پارگی نهایی CFRP به نوع الیاف زمینه، شرایط فرآیند، دمای عملیات حرارتی و وجود عیوب ساختاری در الیاف مربوط می شود.

خواص کامپوزیت کربن CFRP:

وزن کم و چگالی کم

هادی های الکتریکی و حرارتی

ضریب انبساط حرارتی پایین

حفظ استحکام در دماهای بالا

کاربرد کامپوزیت کربن (CFRP):

کامپوزیت کربن در صنعت هوافضا:

این یکی از اولین صنایعی بود که از فیبر کربن استفاده کرد. استانداردهای بالای فیبر کربن آن را جایگزین مناسبی برای آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم می کند و به دلیل وزن سبک آن در صنایع هوافضا استفاده می شود.

تجهیزات ورزشی کامپوزیت کربن:

فیبر کربن در ساخت تجهیزات ورزشی مانند راکت تنیس، چوب گلف، چوب بیسبال، چوب هاکی، کمان و تیر استفاده می شود.

پره های کامپوزیت کربنی توربین بادی:

پره های مورد استفاده در توربین های بادی از فیبر کربن ساخته شده اند و این تیغه ها سبک و دارای استحکام بالایی هستند. هرچه پره های توربین بادی سبک تر باشد، الکتریسیته بیشتری تولید می شود.

کامپوزیت کربن در صنعت خودروسازی:

به طور کلی فیبر کربن در صنعت خودروسازی به دو صورت استفاده می شود. معمولاً در ساخت قطعات داخلی خودرو از فیبر کربن استفاده می شود. از این نوع فیبر کربن در برخی از کیت های بدنه نیز استفاده می شود. این نوع فیبر کربن را می توان در پوشش های آینه ای استفاده کرد. کنار یا لبه خودروها را مشاهده کرد. در خودروهای لوکس از قطعات فیبر کربنی برای ایجاد خواص آیرودینامیکی مثبت استفاده شده است. شرکت هایی مانند هامان با تولید کیت های بدنه فیبر کربنی توانسته اند بدن خود را سبک تر کنند. قطعات فیبر کربنی که اثرات فنی و مکانیکی بر روی خودرو دارند را تنها در خودروهای لوکس و گران قیمت می توان مشاهده کرد.

این مطلب را هم بخوانید  یک چهارم مدارس لرستان نیازمند بازسازی و بازسازی هستند
کامپوزیت کربن در صنعت ساختمان:

سیستم CFRP مورد استفاده در سازه های چوبی، فولادی و بنایی. CFRP از بیرون به اعضای سازه ای مانند تیرها، ستون ها، دال ها، دیوارها و اعضای سازه ای مانند خرپاها، دودکش ها و تونل ها متصل می شود. سیستم کامپوزیت کربن جایگزین مناسبی برای روش های مقاوم سازی سازه ها در گذشته مانند ژاکت های فولادی و پوشش های بتنی می باشد به طوری که علاوه بر مقاوم سازی سازه، سازه را در برابر خوردگی مقاوم کرده و وزن سازه را کاهش می دهد.

یکی از ویژگی های کامپوزیت های کربنی مقاومت عالی آنها در برابر خوردگی است. به همین دلیل استفاده از آنها در بتن مسلح به جای میلگردهای فولادی بسیار مورد توجه قرار گرفته است.

خطاهای طراحی، اتصالات ضعیف، ظرفیت خمشی و کششی ناکافی، ترک در ستون های پل و ساختمان ها، سازه های ترک خورده و کرومی شده در اثر خوردگی، افزایش ظرفیت باربری، میلگرد نامناسب در بتن و خوردگی میلگردهای بتنی، تغییر کاربری سازه ها (مسکونی به مدرسه) ) و همچنین افزایش ثقل و بارهای جانبی از جمله مواردی است که سازه نیاز به تقویت و مقاوم سازی دارد که بهترین روش پیشنهادی برای استفاده از CFRP می باشد.

کامپوزیت کربن چیست؟ | مقاوم سازی افزایشی

آرماتور میلگرد FRP با الیاف کربن CFRP:

میلگردهای کربنی CFRP مواد کامپوزیتی هستند که از ترکیب فیبر کربن و رزین پلیمری (رزین اپوکسی یا رزین پلی استر) ساخته می‌شوند. استفاده از میلگردهای فولادی در سازه هایی که در معرض نمک یا خوردگی شدید هستند به دلیل زنگ زدگی فولاد و شکست بتن بسیار نگران کننده است و در سال های اخیر راه حل های مختلفی از جمله پوشش های گالوانیزه، بتن آغشته به پلیمر و پوشش های اپوکسی پیشنهاد شده است.

در این میان استفاده از میلگردهای FRP به ویژه میلگردهای ساخته شده از مواد کربنی به دلیل صرفه اقتصادی مناسب، مقاومت مکانیکی و خوردگی عالی، رواج بیشتری یافته است. استحکام کششی و مدول الاستیسیته میلگردهای کربنی به عوامل مختلفی از جمله درصد حجم الیاف، نوع رزین اپوکسی یا رزین پلی استر، نحوه قرارگیری الیاف کربن و کنترل کیفیت در حین تولید بستگی دارد. سایزهای رایج برای این نوع آرماتورهای FRP سایزهای 6، 8، 10، 12، 14 و حتی تا 25 می باشد.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

دکمه بازگشت به بالا