کامپوزیت FRP چیست؟

کامپوزیت FRP چیست

کامپوزیت FRP

ترکیبی از فیبر های پلیمری به همراه مواد زمینه می باشد. فیبر های FRP جزء اصلی باربر در کامپوزیت می باشند که بسیار مقاوم و مشخصات الاستیک بالایی دارند. ماتریس نیز مواد چسباننده مانند رزین اپوکسی و یا رزین پلی استر هستند که فیبر ها را در کنار هم نگه می دارد. رزین ها نیز بار را به فیبر ها منتقل می کنند.

عبارت کامپوزیت به معنای فرآیند ترکیب دو ماده برای رسیدن به یک قطعه ی نهایی با مقاومت و ویژگی های بالاتر است که کامپوزیت FRP در حال حاضر حرف اول را در صنعت مقاوم سازی و تقویت سازه ها می زند. کامپوزیت FRP متشکل از دو جزء الیاف(فایبری) تقویتی و ماتریس ها می باشد. الیاف موجود در کامپوزیت استحکام و سفتی ترکیب را فراهم می کند و رزین ها نقش انتقال بار وارده به الیاف و همچنین  چسباننده‌ی الیاف به یکدیگر هستند. کامپوزیت FRP امروزه برای مقاوم سازی سازه در برابر زلزله و جایگزین مناسبی برای تقویت سازه ها با روش های قدیمی مانند ژاکت فولادی و بتنی می باشد. سیستم کامپوزیت FRP با وزن کم و ضخامت ناچیز به صورت خارجی بر اجزای سازه مانند تیر، ستون، دیوار و … می چسبد.  هم چنین از دیگر موارد مصرف این سیستم میتوان صنعت هوا فضا، ارتش، خودروسازی، سازه های دریایی و … اشاره کرد. از مزایای استفاده از سیستم کامپوزیت FRP حمل و نقل و اجرای آسان، عدم توقف کاربری می باشد هم چنین سیستم کامپوزیت FRP نسبت به سایر روش های مقاوم سازی قدیمی به دیگر بخش های سازه آسیبی نمی‌رساند. الیاف مورد استفاده در کامپوزیت FRP میتواند بنا به مصرف کربن، شیشه، بازالت و آرامید باشد. ماتریس نیز میتواند رزین اپوکسی، رزین فنولیک، رزین پلی استر باشد. نوع و مقدار الیاف، اتصال مناسب الیاف و رزین، جهت گیری مناسب الیاف،توزیع یکنواخت الیاف در میان ماتریس، پخت مناسب رزین و ضریب انتقال حرارت عواملی هستند که بر کیفیت سیستم FRP مانند مقاومت کششی، برشی، خمشی و دیگر خصوصیات مکانیکی کامپوزیت تاثیر می گذارند. پایداری و دوام کامپوزیت FRP به عواملی چون از دست رفتن چسبندگی بین الیاف و ماتریس، تغییرات شیمیایی و فیزیکی ماتریس و کاهش مقاومت و سختی الیاف بستگی دارد. محصولات پلیمری کامپوزیت FRP  که برای ساخت و مقاوم سازی سازه ها بکار می روند به شکل  الیاف و ورق های FRP، میلگردهای FRP به روش پالتروژن،  مش های FRP و پروفیل های FRP وجود دارد. از این محصولات برای ساخت‌ساز، ترمیم و مقاوم‌سازی استفاده می شود.

خواص مکانیکی کامپوزیت ها به عواملی نظیر نوع الیاف، نوع رزین، مقدار و جهت الیاف وابسته است ولی به هر حال خواص مکانیکی FRP همواره بین خواص مکانیکی مواد تشکیل دهنده ی آن است.در سال های اخیر ایده ی استفاده از کامپوزیت های FRP برای تعمیر و مقاوم سازی سازه ها توجه بسیاری از محققین را به خود معطوف داشته است. این امر عمدتا به دلیل برتری های متعدد کامپوزیت های FRP در مقایسه با مصالح سنتی مانند فولاد می باشد.از مهم ترین مزایای FRP می توان به دوام بسیار زیاد در مقابل عوامل مخرب محیطی، مقاومت کششی بسیار زیاد، وزن کم، اجرای ساده و تجهیزات ارزان اشاره کرد.

هم چنین کامپوزیت FRP، ضخامت بسیار کمی دارد و استفاده از آن به منظور تقویت سازه ها هیچ تغییری در ابعاد و شکل ظاهری سازه ایجاد نمی کند. علاوه بر این، با توجه به ابعاد عضو مورد تقویت، FRP در هر اندازه، شکل و ابعاد قابل اجرا می باشد. این مزایا سبب شده است FRP در تقویت انواع المان های سازه ای به کار رود.

  • ورق های FRP :
    ورقه های کامپوزیت FRP ورقه هایی با ضخامت چند میلیمتر که بر حسب نیاز و نوع استفاده از جنس کربن، شیشه، بازالت و آرامید می باشد. از ورقه و الیاف FRP برای مقاوم سازی و تقویت سازه آسیب دیده در برابر خوردگی مواد شیمیایی و آب های یون دار استفاده می گردد.این ورقها با چسپهای مستحکم به سطح بتن چسبیده میشوند، از این ورقها جهت تعمیر و تقویت سازههای آسیب دیده ناشی از زلزله که خردهگی صورت گرفته استفاده می شود. کابل،نوار و تاندونها پیش تنیدگی محصولات شبیه FRP ولی انعطاف پذیر تر که در محیطی دریاییو خزنده استفاده می شوند.
  • میلگرد های FRP :
    میله های کامپوزیتی میله های ساخته شده از کامپوزیتهای FRP هستند کاربرد این میله ها بهدلیل عدم خوردگی، مساله کربناسیون و کلراسیون را که از جمله مهمترین عوامل مخرب در سازههای بتن که جانشین میلگردهای فولادی در بتن آرمه خواهند شد.
  • الیاف کامپوزیت FRP :
    الیاف کامپوزیت FRP پارچه هایی در یک یا دو جهت هستند که به صورت رول هایی به عرض ۵/۰ و طول یک متر عرضه می شوند. این الیاف به رزین آغشته و در محل به FRP تبدیل می شوند. و به صورت خارجی به عضو آسیب دیده چسبانده می شوند. از این سیستم جهت مقاوم سازی و ترمیم سازه استفاده می شود.

دلایل استفاده روز افزون از FRP چیست؟

۱- روشهای تولید حجیم و وسیع FRP

۲- کاربرد در صنایع مختلف

چون خودرو سازی، هوایی، دفاعی و …

۳- روشهای تولید اصلاح شده که منجر به تولید FRP با خواص مقاومتی بالاتر و کاهش هزینه تولید می گردد

۴- بهینه کردن ترکیب فیبر با ماتریس

چسب برای سازگاری مناسب تر با یکدیگر و بتن

انواع الیاف کامپوزیت FRP :

  • الیاف کربن: CFRP
    کامپوزیت FRP که در آن پلیمر تقویت کننده الیاف کربن باشد کامپوزیت CFRP نام دارد. الیاف کربنی موجود  با وجود این که %۷۰ سبک تر از فولاد می باشد از مقاومت بالاتری برخوردار است. الیاف کربن باعث افزایش شکل پذیری عضو می گردد. از کامپوزیت CFRP به دلیل قابلیت انعطاف پذیری بالا می توان در مقاوم سازی ستون های منحنی شکل و دایروی استفاده کرد. الیاف کربنی به صورت رول هایی با عرض ۵/۰ و طول یک متر عرضه می شوند.
    الیاف کربن دارای ضریب ارتجاعی بالایی هستند از این رو استفاده از آنها جهت مقاصد دیگر FRP بهسازی و مقاوم سازی سازه ها پیشنهاد میگردد. ضریب ارتجاعی الیاف کربن از تمامی انواع الیاف بالاتر میباشد. الیاف کربن دارای مقاومت بالا در برابر خستگی میباشند، علاوه بر آن ضریب انبساط گرمایی خطی این نوع الیاف در دماهای بالا و پایین بسیار کم میباشند که این مسأله باعث پایداری ابعادی الیاف کربن در دماهای متفاوت میگردد. از دیگر مزیتهایی که الیاف کربن دارند، نسبت بالای مقاومت کششی به وزن آنها میباشد.
  • الیاف شیشه GFRP :
    کامپوزیت  FRP که پلیمر تقویت کننده در آن الیاف شیشه باشد موسوم به GFRP می باشد. الیاف شیشه به دلیل خاصیت انعطاف پذیر بالایی که دارند در صنعت مقاوم سازی و تقویت سازه مورد استقبال قرار گرفته است. کامپوزیت GFRP استحکام خود را در دماهای بالا حفظ می کنند. این سیستم انعطاف پذیری ستون و دیوار را افزایش می دهد. دانسیته ی کامپوزیت های شیشه ای در محدوده ی ۱٫۶ تا ۲ گرم بر سانتی متر مکعب است.این نوع از الیاف معایبی نیزدارند که برخی از آنها عبارتند از پایین بودن ضریب ارتجاعی، حساسیت شدید به خراش درهنگام نصب، مقاومت کم در برابر پدیده خستگی در بارگذاریهای متناوب، افزایش احتمال پدیده ترد شکنی و …
  • الیاف آرامید:
    کامپوزیت FRP که در آن پلیمر تقویت کننده الیاف کربن باشد کامپوزیت AFRP نام دارد.اصلی ترین مشخصه ی این کامپوزیت مقاومت بالا در برابر گرما می باشد. مصرف این کامپوزیت به عنوان عایق حرارتی، عایق الکتریکی و پنبه نسوز می باشد همچنین الیاف آرامید با نام تجاری کولار در صنعت نیز مورد استفاده قرار گرفته است.
    الیاف آرامید و یا کولار نسبت به الیاف شیشه و کربن مورد استفاده در کامپوزیت FRP سبک تر است و دارای بیشترین مقاومت کششی نسبت به وزن خود را داراست. نور ماورای بنفش UV سبب تخریب الیاف آرامید می‌گردد. البته میزان خرابی بستگی به ضخامت الیاف دارد. دیگر ویژگی الیاف آرامید نقطه ذوب بالا و پایدار در برابر شعله و غیر قابل حل در بسیاری از حلال های آلی می باشد.

میله های کامپوزیتی FRP :

میله‌های ساخته شده از کامپوزیت‌های FRPهستند که بهترین جایگزین میلگرد های فولادی در بتن آرمه برای محافظ بودن سازه در برابر محیط های خورنده می باشند. الیاف موجود در میله های کامپوزیت FRP اکثرا از جنس شیشه می باشد. بیشترین کاربرد میله های کامپوزیت FRP در دال های بتنی می باشد هم چنین.  همچنین آرماتور های کامپوزیت FRPعایق الکتریکی می باشد. این میلگرد ها در روش سطح نزدیک NSM  به عنوان اجزای مقاوم کاربرد دارند. ملیه های کامپوزیتی در صنعت معروف به میلگرد های پلیمری، میلگرد های فایبرگلاس و یا آرماتور کامپوزیتی هستند. میله های کامپوزیت FRP انرژی مغناطیسی بالایی دارند بخاطر همین ویژگی در ساخت بیمارستان، ایستگاه های رادیویی، ایستگاه برق و … کاربرد دارد. در برابر حرارت و گرما مقاومت به سزایی دارند. ترکیب الیاف شیشه به همراه رزین وانیل استر منجر به ساخت این ترکیب قوی می شود البته میلگرد های FRP سازگار با انواع رزین ها مانند رزین اپوکسی، رزین فنولیک و… می باشد. میله های کامپوزیت FRP دارای تغییر شکل کم در لحظه ی گسیختگی می باشند.

  • شبکه های کامپوزیتی FRP :

از اتصال میله های کامپوزیت FRP در دو یا سه جهت شبکه ی کامپوزیت بدست می اید. از این شبکه برای مسلح کردن بتن استفاده می شود.

  • پروفیل های ساختمانی FRP :

پروفیل های ساختمانی به صورت I شکل، T شکل، نبشی و ناودانی تولید می‌شوند که به عنوان جایگزینی به جای میلگرد های پروفیل های فولادی در مجاورت محیط های خورنده و آب یون دار استفاده می شود.

  • کابل کامپوزیت FRP :

تاندون یا طناب پیش تنیدگی محصولاتی هستند از جنس شیشه و شبیه به میله های کامپوزیت FRP که در بتن پیش تنیده در محیط های خورنده و مجاور آب های یون دار مورد استفاده قرار می گیرد.

روش تولید کامپوزیت FRP :

از روش های تولید کامپوزیت می توان روش بافتن رشته ها به یکدیگر، فرآیند فشار در خلاء و روش پالتروژن را نام برد که معروف ترین و پرکاربرد ترین روش تولید کامپوزیت روش پالتروژن است.

روش پالتروژن Pultrusion :

در این روش قرره ی الیاف در مکان مناسب نصب می شود و الیاف توسط هدایتگر ها در قالب مقطع  چیده می شوند و سپس الیاف با رزین آغشته می شوند و توسط فرآیند گرمادهی کیورینگ می شوند. محصول این روش ورقه یا لمینیت با عرض و طول مشخص می باشد.

تاثیر رطوبت بر اجزای تشکیل دهنده ی کامپوزیت:

  • تاثیر رطوبت بر ماتریس:

محیط مرطوب و جذب آب توسط رزین عموما در دمای بالای ۱۲۰ درجه موجب تغییر در برخی از خصوصیات رزین می شود.
جذب رطوبت باعث تورم رزین می شود که این امر سبب کاهش تنش های پس ماند بین رزین و الیاف می شود که در اثر انقباض در عمل آوری کامپوزیت به وجود می آید. در نتیجه ی ازاد سازی تنش های بین الیاف و رزین افزایش ظرفیت باربری می باشد.

  • رطوبت بر الیاف پلیمری:

الیاف کربن تنها الیافی است که در برابر رطوبت تاثیرناپذیر است. الیاف شیشه بخاطر وجود سیلیکا در اجزای سازننده ی خود اگر به صورت طولانی مدت در مجاورت رطوبت و آب قرار گیرند آسیب پذیر هستند. اسید فلز قلیایی موجود در سیلیکا هم جاذب آب بوده و قابل هیدرولیز است. بنابراین در مصارف مهندسی از E-glass و S-glass که اکسید فلز قلیایی کمتری برخوردارند استفاده می گردد. در هر صورت باید از نفوذ آب به داخل الیاف شیشه ای جلوگیری کرد زیرا حضور آب روی سطح الیاف باعث کاهش انرژی سطحی آن می شود که این امر رشد ترک خوردگی را افزایش می دهد. الیاف آرامید  نیز می‌توانند مقادیر قابل توجهی از آب را جذب کنند که منجر به باد کردن و تورم آنها می‌شود. بنابراین اکثر الیاف با پوششی محافظت می‌شوند، که پیوستگی خوب با ماتریس داشته و نیز حفاظت از جذب آب را به همراه دارد.

تاثیر محیط قلیایی بر الیاف پلیمری:

الیاف کربن و آرامید در مجاورت با محیط قلیایی ضعفی از خود نشان نمی دهند در عوض الیاف شیشه در   مجاورت با محیط قلیایی واکنش میدهد و ژل انبساطی سیلیکا را تولید می کند. بنابراین باید در کامپوزیت های الیاف شیشه از الیاف شیشه با مقاومت بالا در برابر محیط قلیایی استفاده نمود.

کامپوزیت FRP چیست؟
4.3 (85.71%) 28 vote[s]

8 thoughts on “کامپوزیت FRP چیست؟

  1. طاهری says:

    با عرض سلام و تشکر از سایت مفیدتان
    از میان الیاف های FRP کدامیک در مقابل حرارت و آتش مقاوم بوده ؟ و استفاده از این الیاف به صورت تنهایی برای این منظور کافی می باشد ؟

    • امیر محمد بنایی says:

      الیاف شیشه مقاومت بیشتری در مقابل حرارت دارند اما برای مقاومت در برابر حرارت و آتش سوزی میتوان از پوشش ضد حریق سازه های فولادی استفاده کرد. در این روش بیشتر ستون‌ها و تیرهای اصلی سازه جهت محافظت قاب های سازه ‌ای در مقابل حریق توسط پوشش ضد حریق سازه فولادی پوشش داده می شوند

    • امیر محمد بنایی says:

      با سلام
      دلیل عمده استفاده از میلگردهای FRP در داخل بتن، جلوگیری از پدیده خوردگی و افزایش میرایی ارتعاشات ایجاد شده در سازه در برابر ارتعاش میباشد. هر چند که استفاده از میلگردهای FRP به جای نمونه های فلزی سبب کاهش وزن بنا نیز خواهد شد، اما در استفاده از این میلگردها، مساله کاهش وزن اهمیت ناچیزی نسبت به دو مورد بیان شده دارد. دلیل بالا بودن ضریب میرایی کامپوزیتها، خواص غیرکشسان آنهاست که انرژی جذب شده را میرا میکنند. در حالی که مواد فلزی حالت کشسان داشته و انرژی جذب شده را میرا نمی کند.بنابراین مواد کامپوزیتی در برابر ارتعاشات زلزله عملکرد بهتری خواهند داشت و بهترین گزینه جهت مقاومت سازه در برابر لرزه ها خواهند بود.

    • امیر محمد بنایی says:

      با سلام و احترام
      تسمه های FRP ، ورقه‌های با ضخامت چند میلیمتر از جنس FRP هستند.از تسمه های FRP جهت تعمیر و تقویت سازه‌های آسیب دیده یا غیرمقاوم (عوامل مختلف از جمله خطر زلزله و یا خوردگی در آب های یون‌دار) استفاده می‌شود.

    • امیر محمد بنایی says:

      با سلام و احترام
      FRP از دو جزء ماتریس و فیبر تشکیل می‌شود و کاربردهای متفاوتی در صنایع مختلف و ساختمان دارد. ببیشترین کاربرد این الیاف FRP در مقاوم سازی سازه ها، جهت ترمیم، تقویت و مقاوم سازی ساختمان‌های بتنی بوده و در صنعت کامپوزیت جهت ساخت قطعات صنایع مختلف است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

با ما آنلاین گفتگو کنید

+۹۸-۹۱۰۴۹۷۷۸۷۱