فهرست مطالب

چكيده

فصل اول: آشنايي كلي با سازه‌هاي پارچه‌اي

بخش اول: مواد كامپوزيتي و خصوصيات آنها 1

1-1- تاريخچه 1

2-1- مقدمه 2

3-1- كامپوزيتها چه هستند؟ 5

4-1- صنعت كامپوزيتها 8

1-4-1- كامپوزيتهاي مصرفي 8

2-4-1- كامپوزيتهاي صنعتي 9

3-4-1- كامپوزيتهاي پيشرفته 9

5-1- ساختارهاي تشكيل دهنده مواد مركب 10

6-1- چرا كامپوزيتها متفاوتند؟ 11

7-1- كامپوزيتها از نقطه نظر ديگر 13

8-1- طبقه بندي كامپوزيتها 14

1-8-1- كامپوزيتهاي اليافي (رشته‌اي) 15

2-8-1- كامپوزيتهاي لايه‌اي 16

3-8-1- كامپوزيتهاي ذره‌اي 17

4-8-1- كامپوزيتهاي پولكي 17

5-8-1- كامپوزيتهاي پرشده 17

9-1- مزاياي هشتگانه كامپوزيتها (پلاستيكهاي تقويت شده با الياف FRP) 19

1-9-1- انعطاف پذيري در طراحي 19

2-9-1- پايداري ابعاد 19

3-9-1- ساخت قطعات به شكل يكپارچه 19

4-9-1- مقاومت بالا 20

5-9-1- سبكي وزن 20

6-9-1- هزينه تجهيزات متوسط 20

7-9-1- هزينه پرداختكاري پايين 20

8-9-1- مقاومت در برابر خوردگي بالا 20

بخش دوم: مروري بر تحقيقات انجام شده قبلي 21

10-1- شبيه سازي سه بعدي زيرلايه‌هاي كامپوزيت بافته شده براي صفحه مدارهاي چند لايه‌اي 21

11-1- شبيه‌سازي تصادفي شكل گيري كامپوزيتهاي بافته شده 21

12-1- روش ميكرو سطح/ ماكرو سطح و مولتي سطح براي آناليز ورقه‌هاي كامپوزيت پارچه‌هاي بافته شده 22

1-12-1- روش ميكروسطح / ماكروسطح و مولتي سطح 24

13-1- روندهاي نمونه برداري براي كامپوزيت‌هاي بافته شده هشت وجهي سه‌بعدي 26

1-13-1- فرايند توليد براي كامپوزيتهاي بافته شده سه بعدي 28

14-1- تست فريم تصويري تقويت‌هاي كامپوزيت بافته شده با يك ثبت واتنش ميدان كامل 29

15-1- مدل‌هاي ميكرو مكانيكي براي رفتار خمش كامپوزيت بافته شده 30

بخش سوم: سازه‌هاي پارچه‌اي 32

16-1- سازه‌هاي پارچه‌اي 32

17-1- خصوصيات مواد نساجي 34

18-1- پارچه‌هاي مورد استفاده در سازه‌هاي پارچه‌اي 35

19-1- انواع سازه‌هاي پارچه‌اي 35

20-1- مزيت‌هاي سازه‌هاي پارچه‌اي 37

21-1- انتخاب سازه‌هاي پارچه‌اي 37

22-1- كاربردهاي امروزه 38

فصل دوم: مقايسه خصوصيات مكانيكي پارچه كامپوزيتي با پارچه پيراهني

بخش اول: روش انجام آزمايشات 42

1-2- مقدمه 42

2-2- معرفي مواد مورد آزمايش 42

1-2-2- پارچه كامپوزيتي (سازه پارچه‌اي) 42

1-1-2-2- خصوصيات پارچه كامپوزيتي 42

2-2-2- پارچه پيراهني 43

1-2-2-2- خصوصيات پارچه پيراهني 43

3-2- اندازه‌گيري ضخامت با دستگاه 44

1-3-2- اندازه‌گيري ضخامت پارچه كامپوزيتي 44

2-3-2- اندازه‌گيري ضخامت پارچه پيراهني 45

4-2- تعريف خواص مكانيكي 46

1-4-2- خاصيت كشساني و قانون هوك 46

5-2- خواص مكانيكي پارچه 47

1-5-2- استحكام 47

2-5-2- مقاومت خمشي 47

3-5-2- قابليت ازدياد طول 48

6-2- طول خمشي 48

1-6-2- سختي خمشي 51

2-6-2- مدول خمشي 51

7-2- استحكام پارچه 52

1-7-2- مقدمه 52

2-7-2- خصوصيات موثر بر خواص استحكامي كششي پارچه 52

3-7-2- اندازه‌گيري استحكام پارچه 55

4-7-2- اندازه‌گيري استحكام پارچه با باريكه‌اي از پارچه 56

بخش دوم: نتايج بدست آمده از آزمايشات 58

8-2- محاسبه سختي خمشي 58

1-8-2- سختي خمشي پارچه كامپوزيتي در جهت تار 58

2-8-2- سختي خمشي پارچه كامپوزيتي در جهت مورب ס45 58

3-8-2- سختي خمشي پارچه پيراهني در جهت تار 59

4-8-2- سختي خمشي پارچه پيراهني در جهت پود 59

5-8-2- سختي خمشي پارچه پيراهني در جهت مورب ס45 60

9-2- محاسبه استحكام 61

1-9-2- اندازه‌گيري استحكام پارچه كامپوزيتي در جهت تار 61

2-9-2- اندازه‌گيري استحكام پارچه كامپوزيتي در جهت مورب ס45 62

3-9-2- اندازه‌گيري استحكام پارچه پيراهني در جهت تار 63

4-9-2- اندازه‌گيري استحكام پارچه پيراهني در جهت پود 64

5-9-2- اندازه‌گيري استحكام پارچه پيراهني در جهت مورب ס45 65

10-2- محاسبه سختي برشي 66

1-10-2- سختي برشي براي پارچه كامپوزيتي 66

2-10-2- سختي برشي براي پارچه پيراهني 66

فصل سوم: نتيجه‌گيري

1-3- مقدمه 67

2-3- مقايسه خواص مكانيكي پارچه پيراهني و پارچه كامپوزيتي 67

3-3- مقايسه خواص ظاهري پارچه پيراهني و پارچه كامپوزيتي 68

4-3- نتايج 68

ضمائم 69

منابع و مآخذ

فهرست منابع فارسي 95

فهرست منابع غيرفارسي 96

فهرست جداول

1-2-   جدول: اندازه‌گيري ضخامت پارچه كامپوزيتي 44

2-2-   جدول: اندازه‌گيري ضخامت پارچه پيراهني 45

3-2-   جدول: داده‌هاي آزمايش پارچه كامپوزيتي در جهت تار 61

4-2-   جدول: نتايج آماري پارچه كامپوزيتي در جهت تار 61

5-2-   جدول: داده‌هاي آزمايش پارچه كامپوزيتي در جهت مورب (o45) 62

6-2-   جدول: نتايج آماري پارچه كامپوزيتي در جهت مورب (o45) 62

7-2-   جدول: داده‌هاي آزمايش پارچه پيراهني در جهت تار 63

8-2-   جدول: نتايج آماري پارچه پيراهني در جهت تار 63

9-2-   جدول: داده‌هاي آزمايش پارچه پيراهني در جهت پود 64

10-2-  جدول: نتايج آماري پارچه پيراهني در جهت پود 64

11-2-  جدول: داده‌هاي آزمايش پارچه پيراهني در جهت مورب (o45) 65

12-2-  جدول: نتايج آماري پارچه پيراهني در جهت مورب (o45) 65

1-3-   جدول: مقايسه خواص مكانيكي پارچه پيراهني و پارچه كامپوزيتي 67

2-3-  جدول: مقايسه خواص ظاهري پارچه پيراهني و پارچه كامپوزيتي 68

فهرست شكل‌ها

1-1-   شكل: كامپوزيت طبيعي 5

2-1-   شكل: كاهگل (خشت) 7

3-1-    شكل: واسطه ارتباط بين الياف و ماتريس 11

4-1-    شكل: تفاوت ساختاري بين كامپوزيتها و فلزات 12

5-1-   شكل: شكل كلي انواع كامپوزيت‌ها 15

6-1-   شكل: طبقه بندي كامپوزيتها از ديدگاه ديگر 18

7-1-   شكل: روش چند سطحی برای ساختمان های کامپوزیت پارچه بافته شده 25

8-1-   شكل: ترمينال حج در عربستان سعودي 32

9-1-   شكل: گنبد پارچه‌اي در لندن 33

10-1-   شكل: استاديوم ورزشي در كاليفرنيا 33

11-1-   شكل: ساختار سازه پارچه‌اي 34

12-1-  شكل: چگونگي تشكيل سازه پارچه‌اي 35

13-1-   شكل: سازه‌هاي هوايي 36

14-1-   شكل: سازه‌هاي كششي 36

15-1-   شكل: سقف خانه 38

16-1-   شكل: گنبد 39

17-1-   شكل: سالن‌هاي نمايش 39

18-1-   شكل: استاديوم‌هاي ورزشي 40

19-1-   شكل: پاركهاي تفريحي 40

20-1-   شكل: سالن نمايشگاه 41

1-2-   شكل: منحني تنش- كرنش يك ماده در منطقه‌اي كه رفتار كشسان از خود نشان مي‌دهد 46

2-2-   شكل: اصول اندازه گیری خمش پارچه 49

3-2-   شكل: روش آزمایشگاهی بررسی خمش پارچه 50

4-2-    شكل: اثر تاب بر استحکام نخ 53

5-2-   شكل: دستگاه استحکام سنج کششی پارچه 57

بخش اول: مواد كامپوزيتي و خصوصيات آن

1-1- تاريخچه

ترکیب مواد برای ساختن یک ماده جدید با خواص بهتر از گذشته دور مطرح بوده است.استفاده کارگران از ساقه های بریده شده درختها، استفاده سامورائی های ژاپنی از فلزات چندلایه در ساخت شمشیر واستفاده هنرمندان از کاغذهای لایه لایه در اندازه های مختلف برای ساخت ابزار آلات هنری از نمونه های كاربردي ترکیب مواد از  گذشته دور است. ]2[

مبدا و زمان مشخصي درباره استفاده از مواد مركب در دست نيست، اما به گواهي تاريخ در مصر باستان از «كاه‌گل» براي ساخت بناها استفاده مي‌شده است. همچنين در 8000 سال قبل از ميلاد نيز فلسطيني‌ها از ني و حصير در ساخت آجر و از حرارت خورشيد براي عمل آوردن آن استفاده مي‌كردند. در 5000 سال قبل از ميلاد در خاورميانه از اولين ماده مركب كه در آن پليمر به كار رفته بود، براي قيراندود كردن قايقها استفاده مي‌شد. در 1500 سال قبل از ميلاد نيز از چوبهاي لايه لايه، با چسب طبيعي گياهان و درختان و يا سريش و تخم‌مرغ استفاده مي‌گرديد. با بسط و توسعه شيمي آلي در سال 1847 «برزيلوس» شيميدان سوئدي اولين رزينها را تهيه كرد و در سال 1909 رزين با كاليت (رزين فنل فرمالدئيد) بدست آمد. در سال 1930 دانشمندان به فكر استفاده از مواد تقويت‌كننده افتاده و مفهوم جديد مواد مركب را پايه‌گذاري كردند. در سال 1942 پلي استر تقويت شده با شيشه، 1946 مواد مركب با رزين اپاكسي، 1964 كامپوزيت‌هاي تقويت شده با الياف هيبريدكربن و شيشه، در سال 1975 مواد مركب هيبريدي از الياف

 آراميدي- گرافيت ساخته شده است. اخيراً نيز از علم ژنتيك براي رسيدن به تارهاي مقاومت بالا در مواد مركب استفاده مي‌شود. ]4[

در اين رابطه مي‌توان به الياف ابريشمي اشاره نمود كه از اين طريق تهيه شده‌اند كه حدود پنج برابر ليفي فولادي با همان قطر مقاومت دارند. ضمن آنكه دانسيته كمتري نيز دارند. ]4[

قدمت اولین ماده کامپوزیتی با رفتار بالا و پیشرفته به قدمت بشر وحیات وی است: استخوان ها و بافت ماهیچه یک کامپوزیت لایه لایه چند جهتی  هستند، تایر اتومبیل نیز یک کامپوزیت امروزی است .امروزه ،الیاف در داخل مواد برای ایجاد مقاومت  وسفتی  استفاده می‌شوند و گذشته از آن سازندگان از تقویت کنندگان مقاوم در مقابل حرارت برای پخت سریع کامپوزیت‌ها ، بدون ایجاد تنش های داخلی بالادرآنها ، استفاده می کنند. ]2[

2-1- مقدمه

سازندگان، طراحان و مهندسين، كاربرد مواد كامپوزيت را جهت توليد محصولاتي با كيفيت بالا، بادوام و ارزان مفيد تشخيص داده‌اند. مواد كامپوزيت در محصولات زيادي در زندگي روزمره ما يافت مي‌شوند، از اتومبيلهايي كه بر آن سوار مي‌شويم تا قايقها، چوبهاي اسكي و گلف كه در تعطيلات آخر هفته استفاده مي‌كنيم. علاوه بر اين، كامپوزيتها در بسياري از كاربردهاي صنعتي حساس، هوافضا و نظامي استفاده مي‌شوند. ]4[

در بازاري كه تقاضا براي محصول همواره در حال افزايش است، مواد كامپوزيت ثابت كرده‌اند كه در كاهش هزينه‌ها و افزايش كارآيي، مي‌توانند موثر باشند. كامپوزيتها، مشكلات را حل مي‌كنند، سطح كارآيي را بالا مي‌برند و توسعه محصولات جديد را قادر مي‌سازند. در ايالات متحده، ساخت كامپوزيتها، يك صنعت 25 ميليون دلاري در سال است و يكي از معدود صنايعي است كه در آن نسبت به ديگر رقباي خارجي كمي پيشرفته‌تر است. بيش از 3000 مركز در ارتباط با ساخت قطعات و توزيع مواد كامپوزيت در آمريكا وجود دارند. اين امكانات، بيش از 236000 نفر را به كار گمارده است. علاوه بر آن حدود 250.000 نفر در ارتباط با تجارت اين صنعت شامل، تهيه‌كنندگان مواد، فروشندگان تجهيزات و ديگر پرسنل پشتيباني كننده، مشغول به كار مي‌باشند. ]4[

در حدود 90% كامپوزيتهاي توليد شده، از الياف شيشه و رزين پلي استر و وينيل استر استفاده مي‌شود. 65% كامپوزيتها با استفاده از روش قالبگيري باز ساخته مي‌شوند و 35% باقيمانده با استفاده از روشهاي قالبگيري بسته يا پيوسته توليد مي شوند. ]2[

كامپوزيتها به طور گسترده‌اي به عنوان پلاستيكهاي تقويت شده غالباً، الياف تقويت‌كننده، فايبرگلاس (Fiber Glass) مي باشند گرچه اليافي با استحكام بالا نظير آراميد (Aramid) و كربن (Carbon) در كاربردهاي پيشرفته به كار برده مي‌شوند. ]2[

ماتريس پليمري (Polymer Matrix) معمولاً شامل رزين ترموستي (Thermoset Resin) نظير پلي استر، وينيل استر و رزينهاي اپاكسي مي‌باشد. رزينهاي خاصي نظير فنوليك،پلي اوره‌تان و سيليكون براي كاربردهاي ويژه استفاده مي شوند. رزين‌هاي مصرفي معمولاً در ضمن فرآيند قالب گيري، شبكه‌اي شده و منسجم و جامد مي‌گردند. اين فرآيند به نام فرآيند شبكه‌اي شدن معروف است. به علت انجام اين فرآيند مقاومت شيميايي، حرارتي و خواص فيزيكي و دوام سازه‌اي كامپوزيت افزايش مي‌يابد. به دليل مزاياي بي شمار كامپوزيت‌ها كاربرد اين مواد در بازارهايي نظير حمل و نقل، ساختمان، سازه‌هاي دريايي، سازه‌هاي خيلي قوي، محصولات مصرفي، وسايل برقي، هواپيما و هوافضا، وسايل وتجهيزات تجاري روبه افزايش است. برخي از اين مزايا به شرح زير است:

1- استحكام بالا: مواد كامپوزيت براي نيازهاي استحكامي خاص در يك كاربرد مي‌توانند طراحي شوند. مزيت بارز كامپوزيتها نسبت به ساير مواد، توانايي استفاده كردن از تعداد زيادي از تركيبهاي رزينها و تقويت‌كننده‌ها و بنابراين رسيدن به خواست مشتري از نظر خواص مكانيكي و فيزيكي سازه مي‌باشد.

2- سبكي: كامپوزيتها، موادي را ارائه مي‌دهند كه مي‌توانند هم براي استحكام بالا و هم وزن كم طراحي شوند. در حقيقت كامپوزيتها جهت توليد سازه‌هايي با بالاترين نسبت استحكام به وزن شناخته شده براي بشر به كار برده مي شوند.

3- مقاومت در برابر خوردگي: كامپوزيتها، مقاومت طولاني مدتي را در كار در محيطهاي شيميايي و دمايي ارائه مي‌دهند. كامپوزيتها، موادي منتخب براي قطعاتي محسوب مي‌شوند كه در محيطهاي بازي، كاربردهاي شيمايي و ديگر شرايط محيطي قرار دارند.

4- انعطاف‌پذيري طراحي: كامپوزيتها نسبت به ديگر مواد اين مزيت را دارند كه مي‌توانند با شكلهاي پيچيده نسبت به هزينه كم، قالبگيري شوند. انعطاف‌پذيري در ايجاد شكلهاي پيچيده، به طراحان آزادي عمل مي دهد كه اين موضوع نشان‌دهنده موفقيت كامپوزيتها است.

5- بادوام بودن: سازه‌هاي كامپوزيتي عمري با دوام و طولاني را دارا هستند. اين خصوصيت با حداقل نيازمندي‌هاي تعمير و نگهداري توام گشته است. طول عمر كامپوزيتها در كاربردهاي حساس مزيت به شمار مي‌رود. در نيم قرن توسعه كامپوزيتها، سازه هاي كامپوزيتي به گونه‌اي خوب طراحي شده‌اند كه هنوز كاملاً فرسوده نشده‌اند. ]4[

امروزه، صنعت كامپوزيتها به عنوان يك ارائه دهنده اصلي مواد به رشد خود ادامه مي‌دهد به صورتي كه بيشتر طراحان، مهندسين و سازندگان از مزاياي اين مواد همه كاره مطلع شده‌اند. ]4[

مواد مركب (composite materials) به دليل دارا بودن مقاومت بالا و وزن كم، يكي از مواد بسيار مناسب براي مهندسين سازه مي‌باشد. كاربرد اين مواد در سازه‌هاي هواپيما، كشتي، قايق، ماشين و نظير آن روند صعودي داشته و رفته رفته جاي خود را در ديگر زمينه‌هاي صنعتي به طور كامل باز كرده است. ]4[

3-1- كامپوزيتها چه هستند؟

كلمه كامپوزيت مي‌تواند در چند جاي مختلف به كار برده شود و تعريف آن مي‌تواند در محدوده‌اي از يك حالت عمومي تا حالتي خيلي خاص به كار رود. تركيب چند تصوير به داخل يك تصوير به عنوان يك تصوير كامپوزيتي شناخته مي‌شود كه تركيبي از اجزاي مختلف است. مواد كامپوزيت هم، تركيبي از اجزاي مختلف هستند.

تعريف جامع يك كامپوزيت عبارت است از: دو ماده غيريكسان كه در صورت تركيب، ماده حاصله از تك تك مواد قوي‌تر مي شود. كامپوزيتها مي‌توانند هم به صورت طبيعي و هم به صورت مصنوعي (ساخت بشر) باشند.