خلاصه پایان نامه بررسی سازه‌های پارچه‌ای و خصوصیات مکانیکی پارچه‌های آن
پایان نامه مقطع کارشناسی
رشته نساجی
سال 1387
چکیده
از دیر هنگام استفاده از سازه های پارچه ای در زندگی بشر نقش اساسی داشته است. انسانها از سازه های پارچه ای (چادر) به عنوان سرپناه برای محافظ از سرما و برف و باران استفاده می کردند. اما سازه های پارچه های امروزی تغییرات فراوانی کرده است. سازه های پارچه در این مقاله در مورد آن بررسی انجام گرفته است از پارچه های کامپوزیتی ساخته شده و بیشتر در سقف های استودیوم، نمایشگاه و سایه بانها استفاده می گردد. در صنعت نساجی پارچه های کامپوزیتی از ترکیب پلی استر و رزین وینیل و همچنین الیاف شیشه و رزین تفلن تولید می شوند.
امروزه الیاف، انواع پارچه‌ها و دیگر مواد نساجی در ساختمان‌سازی جایگاه مناسبی پیدا کرده‌اند. زیرا نسبت به آجر و ملات، سبکتر و قابل انعطاف بوده و در زمان بسیار کمی بنا می‌شوند. همچنین توانایی پوشاندن سطح وسیعی را با بکار بردن کمترین مواد را دارند. در این پروژه علاوه بر معرفی و ضرورت سازه‌های پارچه‌ای، خواص مکانیکی پارچه کامپوزیتی مورد استفاده در آنها بررسی می‌شود که نمونه پارچه کامپوزیتی مورد استفاده در سازه های پارچه ای که در این پروژه مورد بررسی شده از شرکت اطلس تهیه شده و تنها یک نمونه انتخاب و خواص آن اندازه گیری شده است. برای درک بهتر این خواص، مقایسه‌ای بین این پارچه و پارچه مورد استفاده در پوشاک انجام گرفته که نمونه (پارچه پیراهنی) از کارخانه یزدباف تهیه گردیده و تنها یک نمونه مورد آزمایش قرار گرفته است که شامل مقایسه استحکام، سختی خمشی، سختی برشی و خواص ظاهری (جنس، وزن، تراکم و...) می‌باشد. نتایج بررسی‌ها نشان می‌دهد که پارچه کامپوزیتی 4 برابر پارچه پیراهنی استحکام داشته و سختی خمشی آن در جهت تار 60 برابر و در جهت مورب 32 برابر پارچه پیراهنی می‌باشد و علاوه بر این 5 برابر پارچه پیراهنی وزن دارد.
بخش اول: مواد کامپوزیتی و خصوصیات آن
1-1- تاریخچه
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 کاربردی ترکیب مواد از گذشته دور است. ]2[
مبدا و زمان مشخصی درباره استفاده از مواد مرکب در دست نیست، اما به گواهی تاریخ در مصر باستان از «کاهگل» برای ساخت بناها استفاده می‌شده است. همچنین در 8000 سال قبل از میلاد نیز فلسطینی‌ها از نی و حصیر در ساخت آجر و از حرارت خورشید برای عمل آوردن آن استفاده می‌کردند. در 5000 سال قبل از میلاد در خاورمیانه از اولین ماده مرکب که در آن پلیمر به کار رفته بود، برای قیراندود کردن قایقها استفاده می‌شد. در 1500 سال قبل از میلاد نیز از چوبهای لایه لایه، با چسب طبیعی گیاهان و درختان و یا سریش و تخم‌مرغ استفاده می‌گردید. با بسط و توسعه شیمی آلی در سال 1847 «برزیلوس» شیمیدان سوئدی اولین رزینها را تهیه کرد و در سال 1909 رزین با کالیت (رزین فنل فرمالدئید) بدست آمد. در سال 1930 دانشمندان به فکر استفاده از مواد تقویت‌کننده افتاده و مفهوم جدید مواد مرکب را پایه‌گذاری کردند. در سال 1942 پلی استر تقویت شده با شیشه، 1946 مواد مرکب با رزین اپاکسی، 1964 کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف هیبریدکربن و شیشه، در سال 1975 مواد مرکب هیبریدی از الیاف آرامیدی- گرافیت ساخته شده است. اخیراً نیز از علم ژنتیک برای رسیدن به تارهای مقاومت بالا در مواد مرکب استفاده می‌شود. ]4[
در این رابطه می‌توان به الیاف ابریشمی اشاره نمود که از این طریق تهیه شده‌اند که حدود پنج برابر لیفی فولادی با همان قطر مقاومت دارند. ضمن آنکه دانسیته کمتری نیز 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[1] هستند، تایر اتومبیل نیز یک کامپوزیت امروزی است .امروزه ،الیاف در داخل مواد برای ایجاد مقاومت[2] وسفتی[3] 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 مهندسین، کاربرد مواد کامپوزیت را جهت تولید محصولاتی با کیفیت بالا، بادوام و ارزان مفید تشخیص داده‌اند. مواد کامپوزیت در محصولات زیادی در زندگی روزمره ما یافت می‌شوند، از اتومبیلهایی که بر آن سوار می‌شویم تا قایقها، چوبهای اسکی و گلف که در تعطیلات آخر هفته استفاده می‌کنیم. علاوه بر این، کامپوزیتها در بسیاری از کاربردهای صنعتی حساس، هوافضا و نظامی استفاده می‌شوند. ]4[
در بازاری که تقاضا برای محصول همواره در حال افزایش است، مواد کامپوزیت ثابت کرده‌اند که در کاهش هزینه‌ها و افزایش کارآیی، می‌توانند موثر باشند. کامپوزیتها، مشکلات را حل می‌کنند، سطح کارآیی را بالا می‌برند و توسعه محصولات جدید را قادر می‌سازند. در ایالات متحده، ساخت کامپوزیتها، یک صنعت 25 میلیون دلاری در سال است و یکی از معدود صنایعی است که در آن نسبت به دیگر رقبای خارجی کمی پیشرفته‌تر است. بیش از 3000 مرکز در ارتباط با ساخت قطعات و توزیع مواد کامپوزیت در آمریکا وجود دارند. این امکانات، بیش از 236000 نفر را به کار گمارده است. علاوه بر آن حدود 250.000 نفر در ارتباط با تجارت این صنعت شامل، تهیه‌کنندگان مواد، فروشندگان تجهیزات و دیگر پرسنل پشتیبانی کننده، مشغول به کار می‌باشند. ]4[
در حدود 90% کامپوزیتهای تولید شده، از الیاف شیشه و رزین پلی استر و وینیل استر استفاده می‌شود. 65% کامپوزیتها با استفاده از روش قالبگیری باز ساخته می‌شوند و 35% باقیمانده با استفاده از روشهای قالبگیری بسته یا پیوسته تولید می شوند. ]2[
کامپوزیتها به طور گسترده‌ای به عنوان پلاستیکهای تقویت شده غالباً، الیاف تقویت‌کننده، فایبرگلاس (Fiber Glass) می باشند گرچه الیافی با استحکام بالا نظیر آرامید (Aramid) و کربن (Carbon) در کاربردهای پیشرفته به کار برده می‌شوند. ]2[
ماتریس پلیمری (Polymer Matrix) معمولاً شامل رزین ترموستی (Thermoset Resin) نظیر پلی استر، وینیل استر و رزینهای اپاکسی می‌باشد. رزینهای خاصی نظیر فنولیک،پلی اوره‌تان و سیلیکون برای کاربردهای ویژه استفاده می شوند. رزینهای مصرفی معمولاً در ضمن فرآیند قالب گیری، شبکه‌ای شده و منسجم و جامد می‌گردند. این فرآیند به نام فرآیند شبکه‌ای شدن معروف است. به علت انجام این فرآیند مقاومت شیمیایی، حرارتی و خواص فیزیکی و دوام سازه‌ای کامپوزیت افزایش می‌یابد. به دلیل مزایای بی شمار کامپوزیتها کاربرد این مواد در بازارهایی نظیر حمل و نقل، ساختمان، سازه‌های دریایی، سازه‌های خیلی قوی، محصولات مصرفی، وسایل برقی، هواپیما و هوافضا، وسایل وتجهیزات تجاری روبه افزایش است. برخی از این مزایا به شرح زیر است:
1- استحکام بالا: مواد کامپوزیت برای نیازهای استحکامی خاص در یک کاربرد می‌توانند طراحی شوند. مزیت بارز کامپوزیتها نسبت به سایر مواد، توانایی استفاده کردن از تعداد زیادی از ترکیبهای رزینها و تقویت‌کننده‌ها و بنابراین رسیدن به خواست مشتری از نظر خواص مکانیکی و فیزیکی سازه می‌باشد.
2- سبکی: کامپوزیتها، موادی را ارائه می‌دهند که می‌توانند هم برای استحکام بالا و هم وزن کم طراحی شوند. در حقیقت کامپوزیتها جهت تولید سازه‌هایی با بالاترین نسبت استحکام به وزن شناخته شده برای بشر به کار برده می شوند.
3- مقاومت در برابر خوردگی: کامپوزیتها، مقاومت طولانی مدتی را در کار در محیطهای شیمیایی و دمایی ارائه می‌دهند. کامپوزیتها، موادی منتخب برای قطعاتی محسوب می‌شوند که در محیطهای بازی، کاربردهای شیمایی و دیگر شرایط محیطی قرار دارند.
4- انعطاف‌پذیری طراحی: کامپوزیتها نسبت به دیگر مواد این مزیت را دارند که می‌توانند با شکلهای پیچیده نسبت به هزینه کم، قالبگیری شوند. انعطاف‌پذیری در ایجاد شکلهای پیچیده، به طراحان آزادی عمل می دهد که این موضوع نشان‌دهنده موفقیت کامپوزیتها است.
5- بادوام بودن: سازه‌های کامپوزیتی عمری با دوام و طولانی را دارا هستند. این خصوصیت با حداقل نیازمندی‌های تعمیر و نگهداری توام گشته است. طول عمر کامپوزیتها در کاربردهای حساس مزیت به شمار می‌رود. در نیم قرن توسعه کامپوزیتها، سازه های کامپوزیتی به گونه‌ای خوب طراحی شده‌اند که هنوز کاملاً فرسوده نشده‌اند. ]4[
امروزه، صنعت کامپوزیتها به عنوان یک ارائه دهنده اصلی مواد به رشد خود ادامه می‌دهد به صورتی که بیشتر طراحان، مهندسین و سازندگان از مزایای این مواد همه کاره مطلع شده‌اند. ]4[
مواد مرکب (composite materials) به دلیل دارا بودن مقاومت بالا و وزن کم، یکی از مواد بسیار مناسب برای مهندسین سازه می‌باشد. کاربرد این مواد در سازه‌های هواپیما، کشتی، قایق، ماشین و نظیر آن روند صعودی داشته و رفته رفته جای خود را در دیگر زمینه‌های صنعتی به طور کامل باز کرده است. ]4[
3-1- کامپوزیتها چه هستند؟
کلمه کامپوزیت می‌تواند در چند جای مختلف به کار برده شود و تعریف آن می‌تواند در محدوده‌ای از یک حالت عمومی تا حالتی خیلی خاص به کار رود. ترکیب چند تصویر به داخل یک تصویر به عنوان یک تصویر کامپوزیتی شناخته می‌شود که ترکیبی از اجزای مختلف است. مواد کامپوزیت هم، ترکیبی از اجزای مختلف هستند.
تعریف جامع یک کامپوزیت عبارت است از: دو ماده غیریکسان که در صورت ترکیب، ماده حاصله از تک تک مواد قوی‌تر می شود. کامپوزیتها می‌توانند هم به صورت طبیعی و هم به صورت مصنوعی (ساخت بشر) باشند.
[1] . Multi directional fibrous laminate
[2] . Strength
[3] . Stiffness
چوب مثال خوبی از یک کامپوزیت طبیعی است که در شکل 1-1 نشان داده شده است. چوب ترکیبی از الیاف سلولزی (Cellulose) و لیگنین می‌باشد. الیاف سلولزی استحکام را ایجاد می‌کنند و لیگنین چسبی است که الیاف را به هم می‌چسباند و پایدار می‌کند. بامبو (Bamboo) (نی یا خیزران)، یک سازه کامپوزیتی چوبی بسیار کارآمد می‌باشد. اجزای آن عبارتند از: سلولز و لیگنین، همانگونه که در دیگر چوبها نیز هست. ضمناً بامبو توخالی است و این امر باعث می شود که سازه‌ای سفت و خیلی سبک باشد. چوبهای بلند ماهی‌گیری کامپوزیتی و بدنه چوبهای گلف، کپی این طرح طبیعی می‌باشند. ]2[
تخته چند لایی، یک کامپوزیت ساخت بشر است که ترکیبی از مواد طبیعی و مصنوعی می‌باشد. این لایه‌های نازک چوب یا چسب به هم چسبانده می‌شوند و تشکیل صفحاتی تخت از چوب لایه‌گذاری شده، که از چوب طبیعی قوی‌تر هستند را می‌دهند. ترکیبات دیگری از مواد طبیعی ساخت بشر وجود دارند که کامپوزیتهای مفیدی را تشکیل می‌دهند. مصریان باستان کامپوزیتها را ساختند. آجرهای خشتی مثال خوبی هستند. ترکیبی از کاه و گل، کامپوزیتی را تشکیل می‌دهد که هم از گل و هم از کاه به تنهایی قوی‌تر است. ]2[
فهرست پایان نامه بررسی سازه‌های پارچه‌ای و خصوصیات مکانیکی پارچه‌های آن
فهرست مطالب
چکيده
فصل اول: آشنايي کلي با سازه‌هاي پارچه‌اي
بخش اول: مواد کامپوزيتي و خصوصيات آنها................................................................................ 1
1-1- تاريخچه.......................................................................................................................................... 1
2-1- مقدمه............................................................................................................................................... 2
3-1- کامپوزيتها چه هستند؟.............................................................................................................. 5
4-1- صنعت کامپوزيتها........................................................................................................................ 8
1-4-1- کامپوزيتهاي مصرفي............................................................................................................. 8
2-4-1- کامپوزيتهاي صنعتي.............................................................................................................. 9
3-4-1- کامپوزيتهاي پيشرفته........................................................................................................... 9
5-1- ساختارهاي تشکيل دهنده مواد مرکب................................................................................ 10
6-1- چرا کامپوزيتها متفاوتند؟.......................................................................................................... 11
7-1- کامپوزيتها از نقطه نظر ديگر.................................................................................................... 13
8-1- طبقه بندي کامپوزيتها................................................................................................................ 14
1-8-1- کامپوزيتهاي اليافي (رشته‌اي)............................................................................................ 15
2-8-1- کامپوزيتهاي لايه‌اي.............................................................................................................. 16
3-8-1- کامپوزيتهاي ذره‌اي............................................................................................................... 17
4-8-1- کامپوزيتهاي پولکي................................................................................................................ 17
5-8-1- کامپوزيتهاي پرشده............................................................................................................... 17
9-1- مزاياي هشتگانه کامپوزيتها (پلاستيکهاي 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 شکل يکپارچه...................................................................................... 19
4-9-1- مقاومت بالا.............................................................................................................................. 20
5-9-1- سبکي وزن................................................................................................................................ 20
6-9-1- هزينه تجهيزات متوسط....................................................................................................... 20
7-9-1- هزينه پرداختکاري 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 کامپوزيت بافته شده براي صفحه مدارهاي چند لايه‌اي 21
11-1- شبيه‌سازي تصادفي شکل گيري کامپوزيتهاي بافته شده............................................ 21
12-1- روش ميکرو سطح/ ماکرو سطح و مولتي سطح براي آناليز ورقه‌هاي کامپوزيت پارچه‌هاي بافته شده 22
1-12-1- روش ميکروسطح / ماکروسطح و مولتي سطح......................................................... 24
13-1- روندهاي نمونه برداري براي کامپوزيتهاي بافته شده هشت وجهي سه‌بعدي. 26
1-13-1- فرايند توليد براي کامپوزيتهاي بافته شده سه بعدي............................................ 28
14-1- تست فريم تصويري تقويت‌هاي کامپوزيت بافته شده با يک ثبت واتنش ميدان کامل........ 29
15-1- مدل‌هاي ميکرو مکانيکي براي رفتار خمش کامپوزيت 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- کاربردهاي امروزه.................................................................................................................... 38
فصل دوم: مقايسه خصوصيات مکانيکي پارچه کامپوزيتي با پارچه پيراهني
بخش اول: روش انجام آزمايشات .................................................................................................... 42
1-2- مقدمه............................................................................................................................................... 42
2-2- معرفي مواد مورد آزمايش....................................................................................................... 42
1-2-2- پارچه کامپوزيتي (سازه پارچه‌اي).................................................................................... 42
1-1-2-2- خصوصيات پارچه کامپوزيتي....................................................................................... 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 کامپوزيتي........................................................................... 44
2-3-2- اندازه‌گيري ضخامت پارچه پيراهني................................................................................ 45
4-2- تعريف خواص مکانيکي ........................................................................................................... 46
1-4-2-
فهرست شکل‌ها
1-1- شکل: کامپوزيت طبيعي.......................................................................................................... 5
2-1- شکل: کاهگل (خشت)............................................................................................................. 7
3-1- شکل: واسطه ارتباط بين الياف و ماتريس...................................................................... 11
4-1- شکل: تفاوت ساختاري بين کامپوزيتها و فلزات........................................................... 12
5-1- شکل: شکل کلي انواع کامپوزيتها..................................................................................... 15
6-1- شکل: طبقه بندي کامپوزيتها از ديدگاه ديگر................................................................. 18
7-1- شکل: روش چند سطحی برای ساختمان های کامپوزیت پارچه بافته شده. 25
8-1- شکل: ترمينال حج در عربستان سعودي.......................................................................... 32
9-1- شکل: گنبد پارچه‌اي در لندن.............................................................................................. 33
10-1- شکل: استاديوم ورزشي در کاليفرنيا................................................................................ 33
11-1- شکل: ساختار سازه پارچه‌اي.............................................................................................. 34
12-1- شکل: چگونگي تشکيل سازه پارچه‌اي.............................................................................. 35
13-1- شکل: سازه‌هاي هوايي.......................................................................................................... 36
14-1- شکل: سازه‌هاي کششي........................................................................................................ 36
15-1- شکل: سقف خانه................................................................................................................... 38
16-1- شکل: گنبد............................................................................................................................... 39
17-1- شکل: سالن‌هاي نمايش....................................................................................................... 39
18-1- شکل: استاديوم‌هاي ورزشي............................................................................................... 40
19-1- شکل: پارکهاي تفريحي........................................................................................................ 40
20-1- شکل: سالن نمايشگاه............................................................................................................ 41
1-2- شکل: منحني تنش- کرنش يک ماده در منطقه‌اي که رفتار کشسان از خود نشان مي‌دهد 46
2-2- شکل: اصول اندازه گیری خمش پارچه