ساختار ساندویچ پانل کامپوزیت

ساختار ساندویچ پانل کامپوزیت با الیاف شیشه و الیاف کربن

 

در بسیاری از فناوری ها با به موادی نیاز داریم که ترکیب غیر معمولی از آلیاژ های فلزی ، سرامیکی و پلیمر های معمولی باشد . به عنوان مثال در سفینه های فضایی ، زیر دریایی ها و کاربرد های حمل و نقل . باید در عین اینکه چگالی کم وجود دارد ، سفتی و مقاومت در برابر سایش و ضربه نیز وجود داشته باشد . برخی انواع کامپوزیت ها مانند آلیاژ های فلزی ، سرامیکی و پلیمری می باشد . فایبر گلاس اولین کامپوزیت مدرن است و هم اکنون نیز متداول ترین کامپوزیت مصرفی در جهان می باشد . امروزه فایبر گلاس تقریبا 65 % از کامپوزیت های مصرفی در جهان است . این کامپوزیت ها در صنایع مختلف به کار می رود مثل ساختمان سازی ، هواپیما ، بدنه خودرو ها و …

کامپوزیت ها از دو ماده ساخته می شوند ، یک ماده اتصال دهنده و یک ماده تقویت کننده . در فایبر گلاس تقویت کننده الیاف نازکی از شیشه است که عموما مانند پارچه بافته می شود . این الیاف در برابر کشش مقاومت بالایی دارند اما این الیاف بسیار هم شکننده هستند چون اگر به سرعت خم شوند از هم گسیخته می شوند . در ساندویچ پانل های کامپوزیت از الیاف شیشه ای استفاده می کنند ، اما اخیرا از الیاف طبیعی نیز استفاده می کنند .

پانل ساندویچی از دو بخش تشکیل شده است :

یک هسته میانی که ضعیف و حجیم است و یک پوسته قوی و نازک در دو طرف هسته . هسته ضعیف میانی از جنس فوم یا لانه زنبوری است و پوسته های واقع در دو طرف هسته از کامپوزیت های الیاف شیشه یا الیاف طبیعی است .

این ساندویچ پانل ها مقاومت بسیار بالاتری نسبت به تک تک اجزای خود دارند و از سبکی فوق العاده ای برخوردار اند و در عین حال کم هزینه هستند و به سرعت ساخت و ساز کمک می کنند .

مزایای ساندویچ پانل های کامپوزیت : به علت استفاده از مواد سبک در هسته وزن پانل به شدت کاهش یافته است . علی رغم کم وزنی و سبکی آن مقاومت فوق العاده ای در برابر انواع بار های فشاری و ضربه ای دارد . این پانل ها نیروی وارده به خود را جذب می کنند و در نتیجه مقاوم تر می شوند . این پانل ها در برابر رطوبت هوا و شرایط محیطی دچار خورندگی نمی شوند و در نتیجه هزینه تعمیر و نگهداری آن پایین می آید و عمر آن طولانی تر می شود . همچنین این ساندویچ پانل ها استحکام بالایی دارند .

در بسیاری از کامپوزیت های لانه زنبوری مثل آنهایی که در بال و بدنه هواپیما به کار می رود ، ممکن است یک پلاستیک به حالت زنبوری در میان دو پوسته کامپوزیتی تقویت شده یا الیاف کربن پیچیده شود . قطعات بال ، دم ، ملخ ها و پره های چرخان در هواپیما عمدتا از کامپوزیت های پیشرفته است . در هواپیماها احتمال شکست کامل کامپوزیت ها نسبت به فلزاتی مانند آلومینیوم در شرایط تنش کمتر است . یک ترک ریز در داخل یک قطعه فلزی می تواند به سرعت گسترش یابد و نتایج مخربی داشته باشد ولی در کامپوزیت های الیاف مانند یک سد در مقابل ترک مقاومت می کنند و تنش را به روی محیط اطراف پخش می کنند . کامپوزیت های تقویت شده در برابر گرما و خوردگی مقاوم هستند .

اگر چه الیاف شیشه از متداول ترین تقویت کننده ها هستند ولی بسیاری از کامپوزیت ها از الیاف نازک کربن خالص تولید می شوند . الیاف کربن از الیاف شیشه محکم ترند ، در نتیجه گران تر هستند . الیاف کربن سبک و در عین حال محکم هستند و این الیاف در سفینه های فضایی استفاده می شوند . الیاف شیشه به دلیل خواص مکانیکی و مقاومت شیمیایی عالی و همچنین قیمت پایین تر نسبت به الیاف کربن و کولار کاربرد بیشتری دارد . الیاف شیشه ممکن است به صورت الیاف کوتاه ، نبافته ، نخ و یا پارچه باشد . پارچه ها نیز ممکن است از نوع تاری ، پودی و حلقوی باشد که به عنوان تقویت کننده در کامپوزیت استفاده می شود .

از این ساندویچ پانل ها در سقف و دیوار هم استفاده می شود ، زیرا علاوه بر تحمل بار های خمشی ضربه پذیری ، عملکرد بسیار عالی در برابر عایق صوتی ، حرارتی و رطوبتی دارند .

از این صفحات تقویت شده می توان در قالب های ساختمانی مانند قالب بتنی استفاده کرد . سبکی فوق العاده ، استحکام و قیمت مناسب این صفحات را تبدیل به بهترین گزینه برای قالب های ساختمانی کرده است . هدف دیگر این اختراع استفاده در جهت تقویت و ایزولاسیون لوله های انتقال و کانال ها می باشد . همچنین می تواند در ساخت خانه های سبک ، کانکس و تانکر های بزرگ ذخیره سیال و تیر های کامپوزیتی استفاده کرد .

هدف دیگر این اختراع استفاده در مورد مواد غذایی است . این محصول در بدنه کانتینر های حمل ضمن استحکام بخشی ، نقش عایق حرارتی را بازی می کند و همچنین در ساخت بدنه خودرو ها نیز کاربرد دارد . در صنایع هوا فضا ، دریایی  و زیر سطحی نیز از این الیاف در جهت ساخت بدنه هواپیما های سبک رادار گریز و همچنین بدنه قایق های سبک با سرعت بالا استفاده می شود و همچنین برای پوشش زیر سطحی ها و ماهواره ها نیز استفاده می شود . در این مصارف نسبت بالای استحکام به وزن سازه مهم ترین مزیت مشترک آنها است .

اما در صنایع نظامی و در سایر صنایع عمر این مواد و تحمل بار خمشی بسیار بالا و مقاومت در برابر مواد شیمیایی و خوردگی و پوسیدگی از مزایای دیگر آن است . این مواد عایق الکتریکی قدرتمندی دارند و الکتریسیته ساکن را در یک جا جمع نمی کنند . در مواجهه با حریق و تماس مستقیم با شعله مقاومت بالا دارند و به ندرت دچار حریق می شوند ، چون در آنها از مواد خود اطفاء در ترکیب رزین استفاده شده است .

در صورتی که بخواهیم صفحات کامپوزیتی را در برابر آتش مستقیم مقاوم کنیم ، می توان از دو روش استفاده کرد :

1.استفاده از مواد خود اطفاء در داخل رزین که از جمله این مواد هیدروکسید منیزیم است ، که می تواند ضمن افزایش دمای شعله با آزاد کردن بخار آب باعث خود اطفائی صفحات به هنگام شعله  وری شود .

2.استفاده از رنگ های ضد آتش بر سطح صفحات امکان شعله وری را به هنگام تماس مستقیم با آتش منتفی می کند . اگر نیاز باشد این صفحات به مدت طولانی در معرض شعله از فاصله نزدیک قرار بگیرد ، می توان ضمن پوشش آن با بتون حتی با ضخامت یک سانتی متر و پر کردن صفحات بین دو لایه کامپوزیتی با گچ  سیمان ساعت ها آن را در مقابل شعله و نر م شدن مقاوم کرد .

رزین های پلی استر و اپوکسی نیز در مقابل اسید مقاوم هستند . در آزمایشی که انجام شد تاثیری از اسید سولفوریک بر روی صفحات کامپوزیت مشاهده نشد . استفاده از رزین اپوکسی به جای پلی استر می تواند مقاومت شیمیایی صفحات کامپوزیتی را در مقابل اسید ها و باز ها ارتقا دهد .

کلیه یراق آلات را می توان با استفاده از پیچ یا میخ به خوبی به این صفحات متصل کرد . میخ ها کاملا در داخل این صفحات کامپوزیتی قرار گرفته و می توانند به خوبی مورد استفاده قرار گیرند .

انواع پیچ ها کاملا می توانند بر روی این صفحات قرار گیرند . در مواردی که پیچ ها برای مستحکم کردن اتصال این صفحات به قطعات سازه مورد استفاده است ، مثل استفاده به عنوان سقف و اتصال آنها به تیر های سقف ، می توان از واشر های فلزی پهن برای توزیع فشار پیچ ها بر روی صفحات کامپوزیت استفاده کرد .

چگونگی کارکرد ساندویچ پانل

کارکرد ساندویچ پانل

توضیح چگونگی کارکرد ساندویچ پانل در زیر برای کسانی که دانش مهندسی کمی نوشته شده است.بسیاری از نظران و توضیحات برای قابل فهم شدن ساده تر توضیح داده شده اند.
اول از همه یک تیر آهن ساده را در نظر بگیرید که در آن ورقه ها به شبکه وصل شده اند و یک عضو ساختاری را پدید آورده اند.برای محکم تر شدن ورقه ها که به مانند لبه های بیرون آمده ای دیده می شوند با فشار به هم متصل می شوند و این ویژگی نهایت و حداکثر مقاومت را بوجود می آورد.

ساندویچ پانل،ساندویچ پانل سقفی
ساندویچ پانل،ساندویچ پانل سقفی

یک ساندویچ پانل بسیار شبیه تیر آهن اما با لبه های بیرون آمده و شبکه گستره در همه جهات است.پوسته ساندویچ پانل با لبه های بیرن آمده تیر آهن تشکیل می شود و هسته پانل همان شبکه بزرگ متصل شده تیراهن است.در نهایت چون این یک ساندویچ پانل است مقاومت در برابر خمیدگی در همه هواپیماها وجود دارد.
هنگامیکه یک ساندویچ پانل خم می شود یک پوسته انبساط و کشش و پوسته دیگر فشار و درهم فشرگی را تحربه می کند.این حداکثر مقاومت پانل ساندویچی است.هسته به مانند نگه داشتن پوسته در کنار یکدیگر عمل می کند پس پانل خم نمی شود ، از هم نمی گسد ، کج معوج نمیشود و نمی شکند.هسته پوسته را در کنار هم محکم ومتصل به یکدیگر نگه میدارد.فشار اصلی وارد بر هسته فشار برشی نامیده میشود وهنگامی اتفاق می افتد که دو پوسته سعی میکنند کنار هم با گذشت زمان بلغزند.محکم بودن هسته بوسیله ماده هسته یعنی ویژگی های برشی مشخص می شود.محکم بودن پانل اساسا بوسیله ویژگی ماهد هسته و ضخامت هسته مشخص میشود.

ساندویچ پانل،ساندویچ پانل سقفی
ساندویچ پانل،ساندویچ پانل سقفی

هسته
آسانترین راه برای نشان دادن هسته در نظر گرفتن کتاب جلد کاغذی است.وقتیکه کتاب را خم میکنید در نظر بگیرید چگونه صفحات به اسانی در کنار یکدیگر خم میشونو.اما اگر صفحات کاغذ با چسب به هم چسبیده شوند کتاب سفت تر نسبت به حالت قبلی می شود.چون زمانیکه خم می شوند صفحات نمیتواند کنار هم بلغزند.و صفحات زیرین به هم فشرده مشوند و کنار هم چپانده می شوند.اما در صورتیکه صفحات بالایی کشش پیدا میکنند و ممکن است پاره شوند.
هسته قابل انعطاف که میتواند به راحتی خم شود دارای ضریب برش کم است در حالیکه هسته ی بسیار محکم ضریب برش بالایی دارد.اگر کتاب جلد کاغذی چسب شده به راحتی خم شود طرفیکه در حال کشش و انبساط است شکسته و از هم جدا خواهد شد.لایه بالایی کاغذ پاره خواهد شد هنگامیکه مقاومت کششی کاغذ بوسیله نیروی خمیدگی بیش از حد شود
یک راهکار برای کنار هم نگه داشتن ماده متصل به سطح ایجاد یک پوسته با مقاومت کششی و فشاری بالا است.این پوسته پیدسته به هسته است.
با انجام دادن مراحل بالا ساندویچ پانل کمپوزیت ساخته خواهد شد.
پوسته
اگر ساندویچ پانل به طرف پایین خمیده شود قسمتی از ساندویچ پانل روی محور خنثی کننده بسط داده خواهد شد و به قسمت پایین محور خنثی کننده فشار وارد خواهد شد.همچنین پوسته و هسته به یک محل مشخص در شبکه فشار و کشش وارد خواهند کرد.هسته و پوسته از ماده مختلفی ساخته شده است پس با این وجود نسبت به خم شدگی متفاوت عمل خواهند کرد

ساندویچ پانل،ساندویچ پانل سقفی
ساندویچ پانل،ساندویچ پانل سقفی

چرا ساندویچ پانل؟

ساندویچ پانل محصولات قابل توجهی چون آن ها به عنوان ماده محکم و جامدی عمل می کندند اما وزن کمی دارند.عنوان اسمی محکم تر ولی سبک تر در صنایع هوافضا و وسایل حمل و نقل هوایی به عنوان مهمی تبدیل شده است و ساندویچ پانل این نیاز را تامین می کنند.
متداول ترین ساختار کمپوزیت ساندویچی از دو عنصر بسیار مهم پوسته و هسته تشکیل شده است.

پوسته ساندویچ پانل بیرونی ترین لایه و از انواع ماده ساخته شده است.از چوب ، آلومینیوم ، پلاستیک بیشترین استفاده می شود.فیبر های کمپوزیت فشرده و سخت و رزین برای ساخت ماده اصلی پوسته استفاده می شود.
ماده هسته از چوب و فوم و انواع ساختار های لانه زنبوری ( شش ضلعی ) درست میشود که باعث بوجود آمدن ویژگی های مورد نظر و قابل توجهی در پانل می شود.هر هسته ای فواید گوناگونی دارد برای مثال چوب بالسا هسته سبک وزن با مقاومت بالا دارد اما می تواند با رطوبت بیش از حد پوسیده شود و یا کپک ( قارچ ) بزند.فوم ( اسفنج لاستیکی ) به سختی چوب بالسا نیست اما نسبت به رطوبت غیر قابل نفوذ است و خاصیت عایق کنندگی دارد.ماده شش ضلعی محکم و سفت است اما گران و میتوان به عنوان میانبری برای ساخت زنجیر کیفی بین هسته و پوسته به کار برد.
رویهم رفته هسته به ساندویچ ساختار می دهد و پوسته از هسته محافظت می کند.ساندویچ پانل به عنوان یک ساختار محکم با وزن کم نقش ایفا می کند.با افزایش درصد قیمت نفت هزینه حمل و نقل هوایی به طور قابل توجهی افزایش می یابد.رابطه مستقیمی بین سیستم وزن در حمل و نقل و درصد مصرف سوخت وجود دارد.اگر این نتیجه گیری را در نظر داشتن پانل های ساندویچی به کار ببریم متوجه خواهیم شد که آن ها سبک وزن و در مصرف سوخت به صرفه و هزینه کمتری را می طلبند. پانل های ساندویچ در آینده حمل و نقل و ذخیره انرژی برای سالهای بسیاری نقش مهمی خواند داشت.