مقره های كامپوزیتی

  انجمن کامپوزیت ایران

خطوط انتقال و توزیع نیرو به دو چیز نیاز دارند : كابلهایی كه جریان الكتریكی را هدایت می كنند و عایق های الكتریكی (مقره های الكتریكی) كه كابل ها را از دكل های فولادی نگهدارنده شان جدا می كنند. عایق های الكتریكی متداول ، سرامیكی یا شیشه ای هستند . این مواد در كنار ویژگی های خوبی هم چون نارسانایی و مقاومت آب و هوایی ، دارای معایبی چون سنگینی وزن و شكست آسان نیز هستند و به هنگام آلودگی دچار افت ولتاژ استقامت می شوند .

 بنابراین تلاش براین است تا با كمك موادی كه بتوانند براین معایب غلبه كنند ، عایق هایی با ساختارهای جدید ساخته شوند . دهه های 1930 و 1940 شاهد ظهور نخستین مقره هایی بود كه در آن ها مواد آلی – به عنوان عایق – جایگزین مواد معدنی شده بودند ولی همچنان درگیر مشكلاتی در زمینه مقاومت آب و هوایی بودند و ویژگی هایشان برای كاربرد در هوای آزاد رضایت بخش نبود . در دهه 50 میلادی مقره هایی با رزین اپوكسی ساخته شدند كه سنگین بودند و در معرض پرتوی فرابنفش دچار تجزیه و كربنیزاسیون ( تشكیل مسیرهای هادی كربنی بر سطح در اثر تجزیه ) می شدند . این مقره ها به همین دلیل عملا ً به خدمت گرفته نشدند . در اواسط دهه 70 ، عایق های جدید متعددی پا به عرصه گذاشتند از جمله مقره های كامپوزیتی با چترك های عایقی از جنس لاستیك اتیلن پروپیلن EPR و اتیلن  پروپیلن دین متیلن EPDM برای اتصال ، پلی تترافلورواتیلن PTFE ، لاستیك سیلیكونی SR یا مانند آن ؛ و هسته ای از جنس پلاستیك تقویت شده با الیاف FRP . به علت نو بودن این مواد ، دشواری های فنی بسیاری وجود داشتند كه می بایست رفع می شدند ؛ همانند اتصال مواد ، نفوذ رطوبت و هم چنین مسأله بهبود یراق آلات . از دهه 80 تاكنون لاستیك سیلیكونی بیشترین مصرف را به خود اختصاص داده است . این امر به علت مقاومت آب و هوایی آن كه درواقع دایمی است و خواص آبگریزی آن ، كه امكان بهبود ولتاژ استقامت بیشینه را در شرایط آلودگی فراهم می كند ، بوده است . این عوامل منجر به افزایش روز افزون استفاده از مقره های كامپوزیتی شده اند . در سال 1991 نخستین مقره های كامپوزیتی 66 كیلووات با چترك هایی از جنس لاستیك سیلیكونی به كار برده شدند و در سال 1994 استفاده از آنها در سرویس های 275 كیلوولتی توسعه یافت . علاوه بر این ها ، استفاده از مقره های كامپوزیتی در قالب مقره های آویزی ، به منظور كاهش هزینه های حمل و نقل ، تسهیل فرآیند ساخت و كاهش هزینه مقره های مصرفی – و به موجب آن ، كاهش هزینه های نصب و نگهداری خطوط انتقال و توزیع – توجه بسیاری را به خود جلب كرده است .

به عنوان مثال چندی پیش شركت ژاپنی فوروكاوا الكتریك Furukawa Electric نوعی مقره آویزی كامپوزیتی ارایه كرد و برای نخستین بار آن را در مقره های كششی 154 كیلوولت و زنجیره های مقره های مقره های آویزی V شكل به كار گرفت . تلاش برای توسعه مقره های كامپوزیتی برای سرویس های 1500 ولت DC و 30 كیلووات AC خط آهن هم چنان ادامه دارد .

ادامه نوشته

آشنايي با مواد كامپوزيت ومروري بر كاربردهاي آن در صنعت

شرکت فراسان

تاريخچه

قديمي ترين مثال از كامپوزيت ها مربوط به افزودن كاه به گل جهت تقويت گل و ساخت آجري مقاوم جهت استفاده در بناها بوده است . قدمت اين كار به 4000 سال قبل از ميلاد مسيح باز مي گردد . در اين مورد كاه نقش تقويت كننده و گل نقش زمينه يا ماتريس را دارد . ارگ بم كه شاهكار معماري ايرانيان بوده است . نمونه بارزي از استفاده از تكنولوژي كامپوزيت ها در قرون گذشته بوده است . مثال ديگر تقويت بتن توسط ميله هاي فولادي مي باشد . كه قدمت آن به سال 0081 ميلادي باز مي گردد . در بتن مسلح يا تقويت شده ميله هاي فلزي استحكام كششي لازم را در بتن ايجاد مي نمايند چرا كه بتن يك ماده ترد مي باشد و مقاومت اندكي در برابر بارهاي كششي دارد . بدين ترتيب بتون وظيفه تحمل بارهاي فشاري و ميله هاي فولادي وظيفه تحمل بارهاي كششي را بر عهده دارند .

تاريخچه مواد پليمري تقويت شده با الياف به سالهاي 1940 در صنايع دفاعي و به خصوص كاربردهاي هوا - فضا بر مي گردند براي مثال در سال 1945 بيش از 7 ميليون پوند الياف شيشه به طور خاص براي صنايع نظامي ، مورد استفاده قرار گرفته است . در ادامه با توجه به مزاياي آنها ، به صنايع عمومي نيز راه يافتند .

تعريف كامپوزيت

تركيب دو يا چند ماده با يكديگر به طوري كه به صورت شيميائي مجزا و غير محلول در يكديگر باشند و بازده و خواص سازه اي اين تركيب نسبت به هريك از اجزاء تشكيل دهنده آن به تنهايي ، در موقعيت برتري قرار بگيرد را كامپوزيت مي نماند . به عبارت ديگر كامپوزيت به دسته اي از مواد اطلاق مي شود كه آميزه اي از مواد مختلف و متفاوت در فرم و تركيب باشند و اجزاء تشكيل دهنده آنها هويت خود را حفظ كرده ، در يكديگر حل نشده ، با هم ممزوج نمي شوند . با توجه به اين امر كامپوزيت از آلياژ فلزي متفاوت مي باشد . بنابراين كامپوزيت تركيبي است از حداقل دو ماده مجزاي شيميايي با فصل مشترك مشخص بين هر جزء تشكيل دهنده .

تقسيم بندي كامپوزيت ها

مواد كامپوزيتي از يك ماده زمينه ( ماتريس ) تقويت شده با انواع مختلفي از الياف ها ساخته شده است . اليافهاي تقويت كننده تحمل كننده اصلي بارها مي باشند وزمينه ويفه فراهم سازي بستر مناسب جهت انتقال باز از اليافي به الياف ديگر را بر عهده دارد .

كامپوزيت ها بر اساس نوع زمينه اي كه تقويت كننده را احاطه نموده است و آنها را به هم اتصال مي دهد به سه گروه عمده بر اساس يك طبقه بندي بين المللي واحد تقسيم مي شوند كه عبارتند از :

1- كامپوزيت هاي پايه فلزيMattel Matrix Composites يا MMC

2- كامپوزيت هاي پايه سراميكي  Ceramic Matrix Composites يا CMC

3- كامپوزيت هاي پايه پليمري Polymer Matrix Composites يا PMC

كامپوزيتهاي پايه پليمري مهم ترين دسته از كامپوزيت ها مي باشند طيف وسيعي از صنايع ، از صنايع رده بالا مثل توليد قطعات هواپيما گرفته تا صنايع رده پايين مثل توليد سينك ظرفشويي و .... از كامپوزيتهاي پايه پليمري توليد مي شوند و درحال حاضر 59 درصد بازار كامپوزيت ها را به خود اختصاص داده اند و به همين دليل بزرگترين زير مجموعه مواد مركب محسوب مي گردند .

امروزه اغلب صنايع از مزاياي منحصر به فرد اين مواد بهره مي جويند و ردپاي كامپوزيت ها را در حوزه هاي زير مي توان جستجو نمود :

1- صنايع حمل و نقل شامل حمل و نقل هوايي ، جاده اي و دريايي

2- صنايع نظامي و هوا – فضا

3- صنايع انرژي در هر حوزه هاي توليد و انتقال برق و صنعت نفت ، گاز و پتروشيمي

4- صنعت ساخت و ساز شامل صنايع زير بنايي و صنعت ساختمان

5- صنايع مبلمان شهري

6- وسايل خانگي

7- لوازم ورزشي

كامپوزيت هاي پايه پليمري در حال حاضر تنها به ميزان 1 درصد در مهد تولد خود يعني صنايع هوا – فضا كاربرد دارند و قسمت عمده الباقي در صنايع ساخت و ساز و حمل و نقل به كار گمارده مي شوند . درحقيقت توسعه فناوري توليد كامپوزيتهاي پايه پليمري اين امكان را فراهم كرده است تا اغلب صنايع از مزاياي منحصر به فرد اين مواد بهره جويند .

در نمودار مقابل توزيع به كار گماري كامپوزيتها در صنايع مختلف در سطح جهاني نمايش داده شده است . مطابق آمار ارائه شده در اين شكل ، بيشترين ميزان مصرف كامپوزيت ها معطوف به صنعت ساخت و ساز مشتمل بر ساختمان ابر سازه ها ، صنايع نفت و گاز و لوله مي باشد .

مزاياي كامپوزيت هاي پايه پليمري

مزاياي سازه هاي مبتني بر كامپوزيت هاي پلميري نسبت به نمونه هاي سنتي بتني ، چوبي و فلزي را كه باعث نفوذ آنها درگستره وسيعي از صنايع مختلف شده است ، در موارد زير مي تواند خلاصه نمود :

1- كاهش وزن سازه ساخته شده با توجه به معماري قابل تغيير بر اساس خواست طرح

2- ايمن بودن در برابر پديده خوردگي

3- قابليت تحمل بارهاي سيكلي و مقاومت بسيار مناسب در برابر پديده خستگي

4- سادگي روشهاي توليد و امكان توليد اشكال بسيار پيچيده باروشهاي بسيار آسان ، كارآمد و مقرون به صرفه

5- سهولت فرايندهاي تعمير و عيب يابي چ

6- ضريب انبساط حرارتي پايين و عايق مناسب حرارتي

7- عايق الكتريكي

8- بهبود اتصالات و امكان توليد يكپارچه

9- خصوصيات ارتعاشي بسيار مناسب و مقاوم بودن نسبت به پديده تشديد در ارتعاشات نسبت به فلزات

10- قابليت مونتاژ آسان

 ساختار كامپوزيت هاي پايه پليمري

در كامپوزيت هاي پايه پليمري ، ماتريس يا همان زمينه يك ماده پليمري است كه به آن لفظ رزين اطلاق مي گردد و شامل دو دسته كلي ترموپلاستيك ها هستند . الياف تقويت كننده نيز شامل انواع شيشه ، آراميد ، كربن و بورن مي باشد . دراين تركيب نقش باربري به صورت عمده بر عهده الياف است . رزين وظيفه توزيع بار اعمال شده در شبكه الياف و نگهداشتن موقعيت الياف در جاي خود را بر عهده دارد . امروزه استفاده از الياف طبيعي در كامپوزيت هاي موسوم به كامپوزيت سبز نيز رونق خاصي پيدا كرده است .

 صنعت لوله هاي كامپوزيتي

يكي از زمينه هاي عمده استفاده از كامپوزيت ها ، توليد لوله هاي با اقطار مختلف با استفاده از مواد كامپوزيتي است . لوله هاي كامپوزيت كه متشكل از الياف شيشه و رزين هاي ترموست مي باشند ساختار محكم ، مقاوم به خوردگي و سبكي را فراهم مي كنند كه به عنوان جايگزين بسيار مناسبي براي لوله هاي فلزي و بتوني مطرح مي شوند .

عبارات GRP¹ ، 2GRV ، GRE³ كه در صنعت لوله هاي كامپوزيتي رواج دارد ، همگي معرف پيكربندي هاي مختلف لوله هاي كامپوزيتي هستند كه با توجه به ماموريت مختلف مورد انتظار ، از ساختار مبتني بر الياف شيشه به همراه رزين پلي استر ، وينيل استر و يا اپوكسي در آنها استفاده مي شود . پلي استرها اغلب براي توليد لوله ها جهت مصارف مختلف از جمله آب شرب ، جمع آوري فاضلاب و پسابهاي صنعتي و آبياري و ..... استفاده مي شوند و وينيل استرها مقاومت بيشتري در برابر خوردگي در برابر مايعات خورندگي قوي مانند اسيدها و سفيد كننده ها دارند . رزين اپوكسي معمولاً براي لوله هايي با قطر كمتر از750 ميلميتر و عمدتاً براي خطوط نفت ، گاز و فشارهاي بسيار بالا استفاده مي شوند.

لوله هاي كامپوزيتي از ديدگاه نحوه انتقال سيار حاوي به دو گروه عمده گرانشي و فشاري تقسيم مي شوند .

در لوله هاي گرانشي سيال به وسيله نيروي گرانشي ويا با فشار خيلي كم براي تداوم حركت ، جابجا مي شود و به همين دليل ويژگي سفتي عامل مهم در طراحي اين لوله ها مي باشد . جهت قرارگيري الياف در اين لوله ها به شيوه اي است كه سفتي لوله در جهت هاي محيطي و محوري باعث كاهش تغيير شكل هاي خمشي در مسير مي شود و لوله در برابر نيروهاي ناشي از دفن ورفت و آمد روي آن ، مقاومت مي نمايد . قطر اين لوله ها از 100 ميليمتر تا 4000 ميلميتر متغيير است و الياف بيشتر در جهت محيطي قرارداده مي شود كه براي تحمل فشارهاي زير 16 بار (6/1 مگا پاسكال ) مناسب است . اين لوله ها در عمق زياد نسبت به سطح زمين قرار مي گيرند و فشار خاك و فشار ترافيكي روي آنها زياد است . لوله هاي فاضلاب نمونه اي از لوله هاي گرانشي مي باشند .

ادامه نوشته