سازمان آموزش فنی و حرفه ای کل کشور معاونت مهارتهای پیشرفته دفتر امور مهارتهای پیشرفته

2. سازمان آموزش فنی و حرفه ای کل کشور معاونت مهارتهای پیشرفته دفتر امور مهارتهای پیشرفته عنوان سمینار:کامپوزیتها و کاربرد آنها ارائه دهنده: الهام نجفی مرداد ماه1387

3. فهرست مطالب • تعریف • اولین کامپوزیتها • اجزا کامپوزیت • مزايا و خواص • فرایندهای تولید • کاربردها • وضعیت صنعت کامپوزیت در ایران • برخی تجهیزات لازم جهت تجهیز کارگاه تولید قطعات کامپوزیتی • اخبار • جمع بندي و نتيجه گيري • مراجع

4. تعریف كامپوزيت به رده ای از مواد پیشرفته مي گويند كه: • از امتزاج فیزیکی دو يا چند ماده با يكديگر در مقیاس ماکروسکوپیکبه منظور ایجاد موادی جدید با خواص مکانیکی و فیزیکی برترتشكيل شده؛ • اجزای تشکیل دهنده ویژگی خود را حفظ کرده؛ • در یکدیگر حل نشده؛ • با هم ممزوج نمی شوند .

5. اولین کامپوزیتها • کاه گل و آجرهای گلی که در ساخت آنها از تقویت کننده کاه استفاده می شد. هنگامی که این دو باهم مخلوط بشوند در نهایت آجرپخته بدست می آید که بسیار ماندگار تر و مقاوم تر از هر دو ماده اولیه یعنی گل و کاه است. • قایقهایی که سرخ پوست ها با قیر و بامبو می ساختند. • تنورهایی که از گل ، پودر شیشه و پشم بز ساخته می شدند و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است. • شايد هم اولين کامپوزيت را مصري‌ها ساخته باشند که در قايق‌هايشان به چوب بدنه مقداري پارچه می بستند تا در اثر خيس شدن چوب باد نکند. • اما سابقه استفاده از کامپوزیتهای پیشرفته به دهه1940باز می گردد. در آن زمان ارتشهای آمریکا و شوروی سابق در رقابتی تنگاتنگ با یکدیگر ، موفق به ساخت کامپوزیت پایه پلیمری الیاف بور - رزین اپوکسی برای استفاده در صنعت هوا فضا شدند.

6. اجزا کامپوزیت • کامپوزیتها عموما از دو جزء تشکیل شده اند: 1. فاز بستر (فاز پيوسته یا نگهدارنده یا ماتريس) matrix بستر، ماده‌اي است پيوسته که مادة دوم را در می گیرد. بنابراین مقدار ماده‌اي که به عنوان بستر استفاده مي‌شود بيشتر از تقويت‌کننده است. يك پليمر گرماسخت يا گرمانرم مي‌باشد كه گاهي قبل از سخت شدن آنرا رزين مي‌نامند. 2. فاز تقويت كننده (فاز نا پيوسته) Reinforcement تقويت‌کننده‌ها موادي هستند خنثی که به صورت تکه‌تکه، در يک زمينة پيوسته وارد مي‌شوند تا خواص مادة زمينه را بهتر کنند. این مواد که معمولا بصورت الیاف می باشند ،عضو بار پذیر اصلی سازه بوده و به زمینه استحکام و سفتی می بخشد. تقويت‌کننده‌ها مي‌توانند به صورت يک صفحه، يک رشته ( نخ)، يا يک ذره (پودر) وارد حجم زمينه شوند و خواص آن را بهبود بخشند. اولين وظيفة بستر احاطة مادة‌ تقويت‌کننده است به طوري که آنها رادر محل وآرایش مطلوب نگاهداشته و نمی گذارد مادة تقويت‌کننده پراکنده شود؛ وظيفة دوم، محافظت از مادة تقويت‌کننده در برابر عوامل شيميايي(دما، رطوبت، ضربه و...) است؛ وظيفة سوم اين است که چون مواد بستر را نرم انتخاب مي‌کنند، وقتي نيرو به مادة مرکب (کامپوزيت) وارد مي‌شود، توسط بستر به مادة تقويت‌کننده انتقال داده شود تا مادة تقويت‌کننده نيرو را تحمل کند.

7. انواع كامپوزيت ها كامپوزيت ها به سه دسته زیر طبقه بندي مي گردند: • کامپوزیتهای بستر پلیمری((PMCPolymer Matrix Composites • کامپوزیتهای بستر فلزی(MMC) Metal Matrix Composites • کامپوزیتهای بستر سرامیکیCeramic Matrix Composites (CMC) CMC ها را فایبرگلاس یا پلاستیکهای تقویت شده با الیاف (FRP) نیز می گویند. امروزه كامپوزيت هاي پليمري روز به روز گسترش و پيشرفت داشته و نوع فلزي و سراميكي بخش بسيار محدودي را در دنياي كامپوزيت ها شامل مي شود و در حقيقت هنگامي كه صحبت از كامپوزيت ها است، منظور نوع پليمري آن مي باشد.

8. مزايا و خواص • استحكام و مقاومت ضربه اي بالا • انعطاف پذيري • مقاومت در برابرعوامل خورنده محيطي و شيميايي • سبكي در عین بالا بودن نسبت مقاومت به وزن (حتی تا 15 برابر برخی از فولادها) • وجود روش های مختلف ساخت و امکان تولید اشکال پیچیده و متنوع • سهولت و سرعت بالا در ساخت • صرفه اقتصادی • و ...

9. فرایندهای تولید بطور کلی مواد اولیه تولید کامپوزیتها شامل رزینها، الیاف و مغزیها می باشد که هر کدام دارای خواص ویژه ای از قبیل استحکام، سفتی، چغرمگی، مقاومت حرارتی، قیمت، سرعت تولید و ... هستند. خواص ویژه یک قطعه کامپوزیتی نه تنها تابعی از خواص ویژه مواد اولیه است، بلکه به شیوه طراحی، نحوه به کار گیری، قرار گرفتن در درون سازه و فرآیند تولید نیز وابسته است. تعدادی از روشهای متداول تولید قطعات کامپوزیتی عبارتند از: • لایه گذاری خیس یا دستی Hand Lay-up • لایه گذاری پاششی Spray-up • قالب گیری حرارتی (SMC)Sheet Molding Compound • قالب گیری با کیسه خلا (مکش)Vacuum Bag Molding • رشته پیچی Filament Winding • کشش رانیPultrusion • قالب گیری با انتقال رزین Resin Transfer Molding (RTM) • پخش یا نفوذ ورقه رزین (RFI)Resin Film Infusion

10. طرح شماتیک لايه گذاري دستي مزایا: • استفاده در سالیان متمادی • سادگی روش • ابزار آلات ارزان قیمت • پخت در دما و فشار محیط • کاربرد وسیع معایب: • نیاز به تبهر کارگر • تماس مستقیم با رزین کاربردها: • ساخت کشتی،گنبد ها، کانالهای آب، استخر، تانکر، میز و صندلی، قطعات خودرو، اطاقک و خانه های پیش ساخته، کیوسکها، قطعات معمتری ساختمان...

11. طرح شماتیک لایه گذاری پاششی مزایا: • اختلاط کامل و با اندازه مناسب ذرات • صرفه جویی در هزینه ها و مواد • پاشش اجزا بصورت یکنواخت و با ضخامت ثابت • کیفیت بالای قطعات کاربردها: • صفحاتی که نیروی کمی تحمل می کنند مثل: بدنه کاروانها، بادگیرهای کامیونها، وانهای حمام، سینی های زیر دوشی، قایقهای کوچک

12. طرح شماتیک قالب گیری حرارتی مزایا: • نسبت الیاف بیشتر در چند لایی • میزان حباب کمتر در سازه • عدم انتشار گازهای سمی و مواد فرار در محیط کاربردها: • حمل و نقل (قطعات خودرو مانند کاسه چراغ) • الکتریک (کلید فیوز) • ساختمان (کاشیها) • سایر (قایقهای بزرک تفریحی و مسافرتی، قطعات ماشینهای مسابقه ای)

13. رشته پیچی Filament Winding مزایا: • سرعت اجرای بالا • صرفه اقتصادی • تنظیم دقیق نسبت رزین به الیاف • استفاده از الیاف در ساده ترین شکل آن • استحکام بالای کامپوزیت تولیدی در برابرنیروهای وارده کاربردها: • خطوط لوله آبرسانی • خطوط لوله و مخازن نگهداری مواد شیمیایی • کپسولهای گاز CNG • کپسولهای تنفسی آتش نشانی • کپسولهای اطفاء حریق

14. کشش رانیPultrusion مزایا: • سرعت بالا • صرفه اقتصادی • تنظیم دقیق نسبت رزین به الیاف • استفاده از الیاف درشکل رشته ای آن • خواص ساختی بسیار خوب سازه • عدم انتشار گازهای سمی و مواد فرار در محیط کاربردها: • تیرکها و تیرهای حمال سقف ساختمان • پلها • نردبانها و چارچوب • عایقها در صنایع الکترونیک مانند مقره های الکتریکی

15. کاربردهای کامپوزیتها • صنایع دریایی • صنعت هوا فضا • صنعت نفت ، گاز و پتروشیمی • صنعت راه و ساختمان • صنایع دفاعی • صنایع خودرو سازی • صنایع انرژی • صنایع ورزشی و تفریحی • صنایع پزشکی • و ...

16. کاربرد: صنایع دریایی • با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیتهای بستر پلیمری و مقاومت بسیار خوب آنها در محیطهای خورنده، این کامپوزیتها، کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده اند که از آن جمله می توان به ساخت بدنه قایقها و کشتیها و تاسیسات فراساحلی اشاره داشت. استفاده از کامپوزیتها در این صنعت، حدود 60% صرفه جویی اقتصادی داشته است .

17. کاربرد: صنعت هوا فضا • ساخت بدنه هواپیما، پره های هلیکوپتر و پوشش رادار هواپیما و حتی در تهیه لباس فضا نوردان از کاربردهای کامپوزیت در صنعت هوا فضا است.

18. کاربرد: صنعت نفت ، گاز و پتروشیمی • این مواد در صنعت نفت وگاز نیز به منظور ترمیم و تقویت سازه های فرسوده و ترمیم لوله های فرسوده نفت و گاز به کار میروند (لوله هاي انتقال گاز غالباً دچار مشكل خوردگي مي گردند). • امروزه يكي از روشهاي مناسب تعمير در دنيا، استفاده از كامپوزيت ها مي باشد.

19. کاربرد: صنایع انرژی • کامپوزیت ها با توجه به ساختار شبکه ای و طولی ای که دارند گرما را فقط در جهت طولی منتقل می کنند و نه عرضی بنابراین به عنوان عایق گرما برای دیواره توربین ها مناسب می باشند. • همچنین در تهیه انواع قابهای لامپ روشنایی استفاده می شوند.

20. کاربرد: صنعت راه و ساختمان • سطح کامپوزيتي، 6 تا 7 برابر سطح بتون آرمه ظرفيت تحمل بار را دارد و اين در حالي است که تنها 20 درصد وزن آنرا داراست. • طول عمر آنها نسبت به مشابه فولادي و بتني چندين برابر است. • کامپوزيت ها در طول دوره سرما منقبض نمي شوند و مانند آهن در محيط مرطوب زنگ نمي زنند و در محيط دريا دچار خوردگي نمي شوند • توانايي استفاده از کامپوزيت ها در ساخت سازه هاي پيش ساخته و سبک وزن باعث مي شود که هزينه بناي سازه بشدت کاهش يابد. • کامپوزيت ها مي توانند با مقاومت بالايي كه در برابر خوردگي و خستگي از خود نشان مي دهند، هزينه هاي مربوط به تعمير و نگه داري خود را به حداقل برسانند .

21. کاربرد کامپوزیتها در راه سازی ساخت تراورس (چوبهاي عرضي كه در زير ريل راه آهن قرار مي گيرند) • قيمتي معادل قيمت بهترين نوع چوبي آن • سهولت كاربرد • عمر طولاني تر • مواد اوليه ارزان قیمت (از ضايعات كارخانجات ديگر مثل ضايعات رزيني آسياب شده، لاستيك خرد شده از تايرهاي بازيافتي و ضايعات فيلم هاي پلي اتيلني با دانسيته بالا(HDPE)) • برخلاف چوب اين تراورس ها نمي شكنند ترك بر نمي دارند مستعد پوسيدگي نيستند حشرات نمي توانند به آنها آسيبي بزنند به علت عدم پوسيدگي، استفاده از اين تراورس ها در مناطق مرطوب به صرفه تر از نوع چوبي آن است. در كشور ما ساليانه مقادير بسيار زيادي تراورس راه آهن تعويض يا بهسازي مي گردد و اين جداي از هزينة هنگفت بستن خط و تغيير ريل ها و زيرسازي هاي لازم است. اما اگر همين تراورس ها با كامپوزيت تقويت شوند عمر 7 ساله تراورس ها را تا 30 سال مي توان افزايش داد و در ازاي پرداخت هزينة اوليه دو يا سه برابر، هزينة تعمير و تعويض تا 4 برابر كاهش مي يابد و در نهايت صرفة اقتصادي دارد.

22. کاربرد کامپوزیتها در پل سازی پل هاي كامپوزيتي حاصل، در مقايسه با پل هاي مشابه از جنس بتن و فولاد، • سبكي، • طول عمر مفید بیشتر، • سرعت نصب بيشتر، • هزينة نصب و نگهداري كمتري دارند. سطوح پل هاي کامپوزيتي نيز از پانل هاي كامپوزيتي ساخته مي شوند. اين پانل ها از روش هايي همچون لايه چيني دستي و پالتروژن ساخته مي شوند و با طول عمر بالا و استحکام بيشتر، جايگزين ايده آلي براي مشابه فولادي خود هستند. اين قطعات متناسب با احتياج مصرف کننده مي تواند در سايزهاي مختلفي بريده شود تا با ابعاد پل موردنظر سازگار باشند.

23. کاربرد کامپوزیتها در صنایع ساختمان • تعمير و تقويت خارجي سازه ها • ساخت سازه هاي تمام كامپوزيت در كشورهايي همچون مالزي، ساخت سازه هاي تمام كامپوزيت از قبيل گنبدها آغاز شده است. در ايران نيز سازه هاي گنبدي شكل وجود دارند كه وزن بتن مورد نياز براي ساخت آنها بالغ بر 70 هزار تن خواهد گرديد و اگر آنها را از كامپوزيت بسازيم وزن آنها تا يك سوم تقليل مي يابد. 3. تعمير و تقويت داخلي سازه ها در مناطق جنوب و شمال كشور، به دليل زياد بودن رطوبت و ساير مواد خورنده، آرماتورهاي فلزي بتن، دچار پوسيدگي زودهنگام مي شوند كه اين خود باعث كاهش مقاومت آرماتور و ترك برداشتن و گسيختن بتن دراثر ازدياد حجم آرماتورهاي پوسيده ميگردد. در چنين شرايطي آرماتور هاي كامپوزيتي توليد شده توسط فرايند پالتروژن مي توانند پاسخگوي مناسبي به اين مسئله باشد.

24. وضعیت صنعت کامپوزیت در ایران • مصرف سرانه مواد کامپوزیتی در کشور مصرف سرانه مواد کامپوزیتی در کشور یک دهم سرانه مصرف در کشورهای پیشرفته است و سالانه 7 میلیون تن مواد کامپوزیتی به ارزش 145 میلیارد دلار در صنایع مختلف جهان مصرف می شود که صنعت ساخت و ساز با 42 درصد بالاترين كاربرد اين مواد را به خود اختصاص ميدهد. سرانه مصرف کامپوزیت در کشورهای پیشرفته جهان 3 کیلوگرم است در حالی که این سرانه در کشور ما تنها 1 کیلوگرم است گر چه ایران از نظر سرانه مصرف مواد کامپوزیتی، هم رده کشورهای آسیایی قرار دارد. در عین حالایالات متحده امریکا با سرانه مصرف 8 کیلوگرم درسال دارای پیشرفته ترین صنعت کامپوزیت در دنیا وکشور ژاپن با سرانه 7 کیلوگرم درسال به عنوان نمونه ای از یک کشورآسیایی پیشرفته با مصرف سرانه مواد کامپوزیتی است.

25. وضعیت صنعت کامپوزیت در ایران • نقش پتروشيمي با توجه به اينكه ماده اوليه بستر و همچنين بخشي از تقويت كننده از مواد پتروشيميايي تهيه مي‌گردد، صنايع كامپوزيت جزو صنايع پايين دستي صنايع پتروشيمي بوده و يك بازار مصرف عمده محصولات پتروشيمي مي‌باشد.به دليل روند رو به رشد صنعت و نياز كشور و فوايد اقتصادي بالاي آن و فوايد غيرمستقيم اين صنايع همچون اشتغال زايي بالا، اين صنايع از ثبات و پايداري و بازدهي لازم برخوردار مي‌باشند.

26. برخی تجهیزات لازم جهت تجهیز کارگاه تولید قطعات کامپوزیتی امكانات ساخت • كوره پخت صنعتی كامپوزيت های پليمری (3*2*2) • كوره‌های پخت دمای بالا • کوره عمليات حرارتی اتوماتيک آتبين Atbin • کوره های گرمکن با حجم محفظه داخلی به ابعاد 93*93*38.5 cm • انواع رزين های پليمری • پمپ خلا • كمپرسور هوا • انواع مختلف ابزار برای روش ساخت دستی • پرس هيدروليك • انواع الياف (شيشه، كربن و آراميد) امكانات براي تحقيق و طراحي • آزمايشگاه مکانيک مواد کامپوزيت (مشخصه‌سازی خواص مكانيكی كامپوزيت ها) • آزمايشگاه مشخصه‌سازی مواد كامپوزيت ( بررسی خواص و شناخت مواد كامپوزيتی) • گارگاه ساخت مواد کامپوزيتيی • كامپيوتر و چاپگرهای الكترونيك و سخت افزارهای جانبی • انواع مختلف نرم افزارهای مهندسی برای طراحی

27. اخبار • نمایشگاه کامپوزیت و صنایع وابسته در یزد نخستین نمایشگاه تخصصیکامپوزیت و صنایع وابسته همراه با همایش تخصصی صنعت کامپوزیت استان یزد 22 تا 25 آبان ماه سال جاری برگزار خواهد شد. • گروه پژوهشي رزين و مواد افزودني پژوهشكده صنايع رنگ كارگاه آموزشي با عنوان "رزين هاي صنعتي" را در تاريخ 4 ، 5 و 6 شهريورماه سال 1387 برگزار مي‌نمايد. • مرکز آموزش و تحقيقات صنعتي ايران در نظر دارد جهت ارتقاي دانش شغلي و علمي دست اندرکاران صنعت کامپوزيت، با همکاري شرکت ولف-انگل آلمان، سميناري آموزشي تحت عنوان شناخت تکنولوژي فايبرگلاس (کامپوزيت) برگزار نمايد. • پژوهشكده نانو فناوري دانشگاه صنعتي اميركبير، ارائه يك مجموعه كارگاه هاي آموزشي تخصصي را به منظور آشنايي با دستاوردهاي اين فناوري و معرفي كاربردهاي آن جهت ارتقاء و افزايش اطلاعا ت فني كارشناسان و مديران صنايع كشور برنامه ريزي نموده است. اين کارگاه با عنوان نانو تکنولوژي در صنايع نفت، گاز، پتروشيمي و صنايع خودرو در تاريخ 4 تا 6 خرداد برگزار خواهد گرديد.

28. جمع بندي و نتيجه گيري سرمايه‌گذاري در صنعت كامپوزيت به دو دليل عمده: • گسترش استفاده روزافزون از آن در جهان و ايران • بودن درمراحل ابتدايي صنعتي خود در ايران داراي ارزش افزوده فراوان پايدار و بلند مدت مي‌باشد و درصورتي كه هر سازمان ، بنگاه و نهادي به صورت اصولي در اين صنعت سرمايه‌گذاري كند برنده اين ميدان خواهد بود. از طرفي محصولات اينصنعت به ساده‌ترين روش‌ها قابل توليد بوده و ديگر روش هاي توليد آنها از لحاظ صنعتي در حد متوسط مي‌باشند. اشتغال زايي در این صنعت به دليل روشهاي اجرا، بالا مي‌باشد، لیکن نبود نیروی کار ماهر در این صنعت مانع از رشد آن در مقیاس مطلوب و تامین کننده نیاز کشور می باشد. لذا نياز به پشتيباني، حمايت و اجرا و نظارت بر آموزش عملی و کاربردی حرف مرتبط با این صنعت واضح به نظر می رسد.

29. منابع • راهنمای صنعت کامپوزیت - تالیف گروه مولفان و مترجمان انجمن کامپوزیت ایران • http://en.wikipedia.org • http://irancomposite.net • www.magiran.com • www.ccponline.com (Cook Composites and Polymers) • www.itan.ir شبکه کانونهای تفکر تکنولوژی و اقتصاد کشور • http://www.nanoclub.ir (باشگاه نانو) • www.naftkarafarin.ir پایگاه اطلاعات کارآفرینی صنعت نفت

30. با تشکر از توجه شما