کتاب فیبرهای کمپوزیت تقویت شده و کاربردهای آن

فصل 1 8
سیستم‌های کامپوزیت فیبر جهانی 8
طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها 9
کاربردهای کامپوزیت‌های الیاف طبیعی 13
مطالعه تحلیل ویژگی‌های کامپوزیت 14
خلاصه 15
فصل2 16
بتن تقویت‌شده با الیاف / کامپوزیت‌های فلزی تقویت‌شده 16
تعریف بتن تقویت‌شده با الیاف 16
بتن تقویت‌شده با الیاف / کامپوزیت‌های فلزی تقویت‌شده 16
مزایای سازه‌های بتن مسلح (RCC) 18
معایب سازه‌های بتن مسلح (RCC) 19
چالش‌های اتصالات تیر ستون 19
طراحی و جزئیات اتصالات 22
خلاصه 37
فصل 3 39
بتن مسلح با الیاف شیشه‌ای (GFRC) 39
بتن مسلح با الیاف شیشه‌ای (GFRC) 40
خلاصه 62
فصل 4 63
کامپوزیت‌های پلیمری تقویت شده با الیاف 63
مطالعه کامپوزیت پلیمری 63
کامپوزیت‌های فعلی 65
تهیه کامپوزیت پلیمری با فیلرهای مختلف 72
کامپوزیت‌های میکرو پلیمر PLA (هیبریدی) 73
مطالعه تجزیه و تحلیل خصوصیات ترکیبی 82
تعریف مسئله 84
تکنیک‌های ساخت تزریق قالب‌گیری 86
خلاصه 91
فصل 5 92
کامپوزیت‌های رزین اپوکسی تقویت‌شده با الیاف 92
کامپوزیت رزین اپوکسی تقویت‌شده با الیاف 92
خلاصه 100

سیستم‌های کامپوزیت فیبر جهانی
تعریف کامپوزیت
کامپوزیت ترکیبی از دو ماده است که در آن یکی از مواد، به نام فاز تقویت‌کننده، به صورت الیاف، ورق‌ها یا ذرات از نوع علف است و در ماده دیگر به نام فاز زمینه جاسازی شده است. ماده تقویت‌کننده و ماده زمینه می‌توانند فلز، سرامیک یا پلیمر باشند. معمولاً کامپوزیت‌ها دارای فاز الیاف یا ذرات علف مار هستند که نسبت به فاز زمینه‌ی پیوسته، سفت‌تر و مقاوم‌ترند و به عنوان اعضای باربردار اولیه عمل می‌کنند. زمینه به عنوان وسیله‌ای برای انتقال بار بین الیاف علف عمل می‌کند و در شرایط کمتر ایده‌آل، که بارها پیچیده هستند، ممکن است حتی مجبور به تحمل بارهای عمود بر محور الیاف علف باشد. زمینه نسبت به الیاف علف نرم‌تر است و به این ترتیب به عنوان منبعی از سختی کامپوزیت عمل می‌کند. همچنین زمینه به محافظت از الیاف علف در برابر آسیب‌های محیطی قبل، حین و بعد از پردازش کامپوزیت کمک می‌کند. با طراحی مناسب، ماده ترکیبی جدید قدرت بیشتری نسبت به هر یک از مواد فردی خواهد داشت. کامپوزیت‌ها نه تنها به دلیل ویژگی‌های ساختاری خود، بلکه برای کاربردهای الکتریکی، حرارتی، سایشی و محیطی نیز استفاده می‌شوند.
تحقیقات بیان کرده‌اند که «کامپوزیت‌ها سیستم‌های مواد چندمنظوره‌ای هستند که ویژگی‌هایی را ارائه می‌دهند که از هیچ ماده مجزای دیگری قابل دستیابی نیست. آنها ساختارهای هم‌پیوندی هستند که با ترکیب فیزیکی دو یا چند ماده سازگار، که از نظر ترکیب و ویژگی‌ها و گاهی در شکل متفاوت هستند، ساخته می‌شوند.» این به وضوح بیان می‌کند که کامپوزیت‌ها نباید صرفاً به عنوان ترکیبی از دو ماده در نظر گرفته شوند. از نظر وسیع‌تر، این ترکیب دارای ویژگی‌های متمایز خاص خود است. از نظر مقاومت به حرارت یا ویژگی‌های مطلوب دیگر، بهتر از هر یک از اجزا به تنهایی یا به طور رادیکال متفاوت از آنها است. به عنوان «مواد کامپوزیتی» تعریف شده است، که از آلیاژها با این تفاوت که اجزای فردی ویژگی‌های خود را حفظ می‌کنند، اما به گونه‌ای در «کامپوزیت» گنجانده می‌شوند که فقط از ویژگی‌های آنها بهره‌برداری شود و نه از معایب آنها، به منظور دستیابی به مواد بهبود یافته، متمایز می‌شود.
مواد کامپوزیتی به عنوان مواد ناهمگن توضیح داده شده‌اند که شامل دو یا چند فاز جامد هستند و بر روی مقیاس میکروسکوپی با یکدیگر در تماس نزدیک قرار دارند.
آنها همچنین می‌توانند به عنوان مواد همگن در مقیاس میکرو در نظر گرفته شوند به این معنا که هر بخش از آن دارای همان ویژگی‌های فیزیکی خواهد بود.
در زیر برخی از دلایل انتخاب کامپوزیت‌های تقویت‌شده با فیبر برای کاربردهای خاص آورده شده است:
1. نسبت بالای استحکام به وزن (چگالی کم، استحکام کششی بالا).
2. مقاومت بالا در برابر فشار.
3. استحکام کششی بالا در دماهای بالا.
4. مقاومت بالا در برابر ضربه.
طبقه‌بندی کامپوزیت‌ها
بر اساس نوع ماده تقویت‌کننده الیاف کامپوزیت‌ها
الف) کامپوزیت‌های الیافی: الیاف علف با طول زیاد خود نسبت به ابعاد مقطع عرضی‌شان مشخص می‌شوند. ابعاد تقویت‌کننده تعیین‌کننده قابلیت آن در انتقال ویژگی‌هایش به کامپوزیت است، همانطور که در شکل 1-1 نشان داده شده است. الیاف علف در بهبود مقاومت به شکست زمینه در تقویت بسیار مؤثر هستند. داشتن ابعاد طولی زیاد از رشد ترک‌های اولیه عمود بر تقویت که ممکن است به شکست منجر شود، به ویژه در زمینه‌های شکننده، جلوگیری می‌کند. الیاف ساخته‌شده به دست بشر یا الیاف علف از مواد غیرپلیمر، استحکام بسیار بالاتری را همراه با طول خود ارائه می‌دهند و نقص‌های بزرگتر در ماده اصلی به دلیل ابعاد مقطع عرضی کوچک الیاف علف مار به حداقل می‌رسند. در مواد پلیمری، جهت‌گیری ساختار مولکولی مسئول استحکام و سختی بالا است.

دو نوع کامپوزیت پلیمری عبارتند از:
1. پلیمر تقویت‌شده با الیاف طبیعی (FRP):
کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف طبیعی شامل زمینه پلیمری در سه سیستم هستند. الیاف اصلی، الیاف علف و سیسال هستند که به عنوان تقویت‌کننده‌ها و منبع اصلی تقویت در ذوب‌های پلیمری و چسب‌ها عمل می‌کنند. الیاف علفی به شکل می‌آیند و تنش‌ها را بین کامپوزیت‌های پلیمری تقویتی (PLA) منتقل می‌کنند. گاهی اوقات، افزودنی‌هایی ممکن است به منظور تسهیل فرآیند تولید اضافه شوند که ویژگی‌های خاصی به کامپوزیت‌ها می‌بخشد و هزینه محصول و دوام طراحی‌های آینده را کاهش می‌دهد.
2. ترند – پلیمر تقویت‌شده با الیاف:
ذرات الیاف طبیعی مورد استفاده برای تقویت شامل PLA و برخی از الیاف مانند مواد معدنی اضافه شده کوچک است. ماژول‌های زمینه به حداقل انعطاف‌پذیری زمینه پلیمری خوب هستند.
کاربردهای کامپوزیت‌های الیاف طبیعی
کامپوزیت‌های الیاف طبیعی می‌توانند موادی غیرقابل بازیافت و سبک و اقتصادی باشند. برای مشاهده کاربردهای آنها به جدول ۱.۱ مراجعه کنید. کامپوزیت‌های الیاف طبیعی به‌عنوان مواد تقویت‌کننده در کامپوزیت‌های ماتریس پلیمری به دلیل استحکام خوب، سختی، هزینه پایین، دوستدار محیط‌زیست و قابل تجزیه‌پذیر بودنشان، دارای پتانسیل زیادی هستند. در مطالعه حاضر، ویژگی‌های مکانیکی کامپوزیت‌های الیاف طبیعی کنف و علف مار مورد ارزیابی قرار گرفته است. در اینجا، الیاف کنف و علف به‌عنوان تقویت‌کننده‌های جدید طبیعی و رزین اپوکسی به‌عنوان ماتریس استفاده شده‌اند.
جدول ۱.۱ کاربردهای کامپوزیت‌های الیاف طبیعی
کارهای معماری، پانل‌های تقسیم و سقف کاذب، تخته‌های تقسیم، قاب‌های دیوار، کف، پنجره و درب، کاشی‌های سقف، ساختمان‌های قابل حمل یا پیش‌ساخته که می‌توانند در مواقع بحران‌های طبیعی مانند سیل، طوفان، زلزله و غیره استفاده شوند
دستگاه‌های ذخیره‌سازی، صندوق‌های پستی، سیلوهای ذخیره‌سازی غلات، مخازن بیوگاز و غیره
مبلمان، صندلی، میز، واحدهای دوش و حمام و غیره
دستگاه‌های الکتریکی، لوازم الکتریکی، لوله‌ها و غیره
کاربردهای روزمره، لامپ‌شیدها، چمدان‌ها، کلاه‌ها و غیره
حمل و نقل، داخلی وسایل نقلیه اتومبیل و قطار، قایق و غیره
الیاف کنف و علف استخراج‌شده به‌طور شیمیایی برای بهبود پیوند بین الیاف و ماتریس درمان شدند. کامپوزیت با الیاف به‌طور تصادفی جهت‌گیری شده با نسبت‌های مختلف الیاف و ماتریس آماده شد. آزمایش‌های مکانیکی، از جمله تست‌های ضربه و سختی، انجام شد و نتایج گزارش شده است. نتایج نشان می‌دهند که با افزایش کسر حجمی الیاف و زمان پس‌عمل‌آوری کامپوزیت، ویژگی‌های مکانیکی کامپوزیت افزایش می‌یابد.
مطالعه تحلیل ویژگی‌های کامپوزیت
تحقیقات گذشته بر روی بررسی ویژگی‌های ضدباکتریایی و فیتوشیمیایی مقدماتی FRPC (W.A.) از طریق روش‌های موشکافانه تمرکز کرده است. نتایج نشان‌دهنده فعالیت ضدباکتریایی امیدوارکننده‌ای بودند. در میان این نتایج، عصاره‌های الکلی و آبی دارای اثرات مهاری قوی‌تری بودند نسبت به سایر انتخاب‌ها، که نشان‌دهنده پتانسیل عصاره‌های گیاهی برای درمان عفونت‌های پوستی و دستگاه گوارش در انسان‌ها است. نتایج وضعیت‌های آبی مختلف و خواص کششی الیاف کنف نیز بررسی شد. نتایج نشان داد که الیاف کنف غوطه‌ور شده در آب دریا بیشترین جذب را نسبت به آب مقطر و محلول‌های التهابی نشان می‌دهد.
پتانسیل‌های استفاده از الیاف کنف به عنوان تحلیل‌گر برای کامپوزیت‌های حافظه‌ای مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش‌ها بر روی دستگاه BOD با سطح ضدزنگ براق و بارهای مختلف (30-60 نیوتن) و معرفی الیاف انجام شد. نتایج فرسایش چسب نشان داد که کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف کنف (T-KFRP) دارای میزان حفاظت در برابر فرسایش بالاتری نسبت به پلی‌یورتان خالص (N-PU) هستند. مشاهدات SEM نشان‌دهنده مکانیسم‌های مختلف فرسایش از جمله جداسازی الیاف، اتصال، لایه‌برداری و ترک‌های میکروسکوپی بود.
ویژگی‌های مکانیکی، حرارتی و جذب آب کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف کنف بررسی شد و همچنین مسائل فنی مربوط به فرآیند تولید مورد توجه قرار گرفت. مشخص شد که استفاده از الیاف کنف می‌تواند در مناطق شهری و روستایی مشاغل ایجاد کند.
تأثیر درمان قلیایی الیاف کنف و اضافه کردن لاستیک طبیعی مایع (LNR) به ماتریس پلی‌استر بر ویژگی‌های مکانیکی کامپوزیت‌ها نیز بررسی شد و نشان داد که الیاف کنف درمان‌شده با قلیایی، مزایای زیادی در مقاومت به ضربه و خمشی به کامپوزیت‌ها اضافه می‌کند.
اندازه‌گیری مقاومت در برابر ترک‌های تنش محیطی (ESCR) نشان داد که مخلوط با محیط‌های اسیدی به سرعت بیشتری جذب می‌شود، نزدیک به آن، محیط‌های قلیایی و سپس بدون محیط است. بهبودهای به دست آمده در ویژگی‌های مکانیکی، خمشی و مقاومت به شکست در مقایسه با مخلوط‌های کنف درمان‌نشده نشان داده شد. بیوکامپوزیت‌های ساخته‌شده از الیاف کنف و PLA ویژگی‌های مکانیکی و رفتار جذب آب آن‌ها بررسی شد. تلاش‌هایی برای تولید مواد غیر بافته قابل فرم‌دهی حرارتی با استفاده از کنف شیمیایی در کاربردهای خودرویی انجام شد.
تأثیر کامپوزیت‌های لیگنوسلولزی با پردازش اکستروژن واکنشی بررسی شد که در آن چسبندگی بین الیاف و ماتریس با ترکیب روش‌های اصلاح الیاف و تغییر ماتریس بهبود یافته است. ارزیابی‌های مکانیکی عمومی به تازگی گزارش شده است. بهبود چسبندگی ناشی از واکنش‌ها و تعاملات قطبی در مرزهای مرحله‌ای مورد بررسی قرار گرفت. تأثیر یخ‌زدگی بر درجه الیاف کنف مورد بررسی قرار گرفت. ارزیابی دقیق پردازش الیاف و ترکیب شیمیایی انجام شد. الیاف کنف آسیب‌دیده از یخ و با رشد باکتری به‌طور دستی جدا و سپس به شش بخش (هر کدام 26.88 سانتی‌متر) از پایین تا نوک ساقه تقسیم شدند و سپس به‌طور آزاد یا باکتریایی در آزمایشگاه جدا شدند. ویژگی‌های الیاف با دو روش و در شش موقعیت مقایسه شد.