sandwich composite

کانون ملی معماری ایران

همایش ملی معماری، عمران و توسعه ی نوین شهری

3131اردیبهشت -تبریز

1

بررسی ساندویچ کامپوزیت ها به عنوان جایگزینی برای مصالح سنتی و

تأثیرشان بر محیط زیست

2، حمیدرضا قائم مقامی*3شهریار ناطق

[email protected]دانشجوی کارشناسی عمران، دانشگاه هرمزگان، دانشکده مهندسی عمران، -1

[email protected]دانشجوی کارشناسی عمران، دانشگاه هرمزگان، دانشکده مهندسی عمران، -2

چكیدهساندویچ کامپوزیت ها مصالحی هستند متشکل از دو بخش اصلی پوسته و هسته، که هسته توسط پوسته ها از طرفین

احاطه شده است. هر دوی آنها دارای انواعی بوده که ضمن برشماری جنسشان به بررسی خواص هر یک پرداخته شده

فناوری نوین سازه ای معرفی نموده، رفتار آنها را مورد است. در این مقاله سعی شده ساندویچ کامپوزیت ها را به عنوان

همچنین تأثیر استفاده از این مصالح نوین ی و حمل و نقل برشمرده، یی، فراجوکاربردشان را در صنایع بادی، دریابررسی و

ح الدیگری از مصبر محیط زیست بیان شده است. با انجام آزمایش هایی قابلیت باربری ساندویچ کامپوزیت ها را با نوع

وزیع و رفتارشان و نحوه ت ساندویچ کامپوزیت ها را تحت نیروهای کششی و فشاری بررسیسنتی مانند فوالد مقایسه نموده،

تنش های ایجاد شده در آنها را نمایان ساختیم.

هسته ساندویچ کامپوزیت هاخواص فناوری های نوین سازه ای، مصالح و محیط زیست، ، ساندویچ کامپوزیت ها کلیدی: هایواژه

مقدمه -3 قابل توجه شان در کاهش ییبه خاطر توانا که اساساً رو به افزایش استسازه ها یها در طراح تیکامپوز چیاستفاده از ساندو

استفاده، یمحدوده شیبه همراه خواهد داشت که شامل افزا ییاست. کاهش وزن سودها یکیوزن همراه با حفظ کارکرد مکان

ها همراه با کاهش نهیدر هز ییموارد باعث صرفه جو نیا نیشود. همچن یتحمل بار و کاهش مصرف سوخت م تیقابل شیافزا

،یحرارت قیهمچون عا یهسته خواص یماده کیذکر شده به همراه انتخاب استراتژ دی. فوا خواهد شد ستیز طیضربه به مح

یوفراج ،ییایدر ،یباد عیدر صنا تیکامپوز یپانل ها عیآورد که باعث کاربرد وس یو کاهش جذب آب را بوجود م یبرق ،یصوت

.شود یو حمل و نقل م

توصیف یک ساندویچ کامپوزیت معمولی -3-3

ر بین که دیک ساندویچ معمولی متشکل از پوسته ها یا الیه هاست به همراه یک هسته ی ضخیم تر )نسبت به پوسته ها(

.دارد که در زیر شرح داده شده است. هر قسمت در ساندویچ نقش و وظیفه بخصوصی آنها قرار می گیرد

: اجزای ساندویچ کامپوزیت3شكل




2

های داخلی و بیرونی(سطوح )پوسته -3-3-3

تحمل می کنند. مواد مرسوم مانند فوالد، فوالد ضد زنگ و کامپوزیت تنش های کششی و فشاری را در ساندویچ ،سطوح

مرسوم و مناسب است FRP (fiber reinforced plastic)آلومینیوم اغلب در سطوح استفاده می شوند. همچنین استفاده از

می تواند برای تامین خواسته های زیادی مناسب باشند مانند خاصیت مکانیکی ناهمسانگرد، FRPمی شوند. زیرا به راحتی متصل

ر طراحی، اتمام عالی سطح و غیره.آزادی د

سطوح همچنین فشارهای موضعی را تحمل می کنند. هنگامی که فشار موضعی زیاد شود، سطوح باید برای نیروهای برشی

.ی شوندمتصل به آن اندازه گیر

هسته -3-3-2

ر د وظیفه هسته پشتیبانی از پوسته های نازک در برابر کمانش )تغییر شکل( به صورت داخلی یا خارجی و نگهداری آنها

.موقعیت مناسب نسبت به هم است

زه کافی طوح به اندابرای انجام این مورد، هسته باید چندین خصوصیت مهم داشته باشد. باید برای نگهداری فاصله ثابت بین س

سفت باشد. همچنین باید در برش بسیار صلب باشد تا سطوح روی هم نلغزند. منظور از صلبیت برشی نیرویی است که سطوح

برای پشتیبانی همدیگر وارد می کنند. اگر هسته در برش ضعیف باشد، سطوح همدیگر را پشتیبانی نمی کنند و ساندویچ سفتی

خود را از دست می دهد.

مین کند. مقاومتسته باید نیازهای پیچیده ای را تأسازه ی ساندویچی به طور کامل دارای تاثیرات مثبت است. با این حال، ه

در جهات مختلف و چگالی پایین تنها خواصی نیستند که هسته باید داشته باشد. اغلب نیازهای ویژه ای در مورد کمانش، عایق

د چوب، ابر کهنگی و غیره وجود دارد. هسته می تواند از مواد متفاوتی ساخته شود ماننکاری، جذب رطوبت، مقاومت در بر

.آلومینیوم و انواع فوم ها

چسب )الیه اتصال( -3-3-1

برای نگهداری سطوح و هسته در کنار یکدیگر، چسب بین سطوح و هسته باید قابلیت انتقال نیروهای برشی را داشته باشد.

ت یک قانون ساده این اس ،مین این نیازها در اتصاالت دشوار استهای کششی و برشی را تحمل کند. تأ بتواند تنشچسب باید

که چسب باید بتواند همان مقدار تنش برشی وارد به هسته را جذب کند.

ار ازه ای مورد انتظتار سچیزی که بیشترین اهمیت را دارد این است که پوسته ها به طور صحیح به هسته متصل شوند تا رف

ایی ادی در کارثیر بسیار زیم، فوالد، کربن، فیبر شیشه، که تأمین شود. پوسته می تواند از مواد زیادی ساخته شود مانند آلومینیوتأ

.نهایی ساندویچ کامپوزیت دارد

کاهش وزن -2 پارچهپایین تر نسبت به مواد یک مکانیکی با وزن بسیاریکی از انگیزه های استفاده از ساندویچ کامپوزیت ها ارائه ی خواص

مواد ساندویچ کامپوزیت برای طراحان بلکه ست که این موضوع را ممکن می سازد،. تنها اصل ساندویچی نیاست سنتی )فوالد(

ت که دویچ کامپوزیت اسامکان محاسبه بهینه مقدار تحمل بار را با دقت بسیار باال فراهم می کند. هسته یکی از متغیرها در سان

این امکان را به واسطه ی ارائه بازه ی وسیع خواص مکانیکی فراهم می کند. به عبارت دیگر، راه حل ساندویچی کردن در مقایسه

با طراحی های زیادی که از مواد مرسوم مانند چوب و فوالد شده، از محاسبه ی زیاد جلوگیری کرده و با حفظ وزن کارایی را

ی دهد. افزایش م

ترکیب اصل ساندویچی کردن و مواد هسته در بسیاری از موارد باعث حفظ انرژی شده و راه حل های سریع و مؤثرتر را ممکن

می سازد. به عنوان مثال، طراحی بر اساس ساندویچ کامپوزیت یک نیاز مطلق برای دستیابی به قیمت رقابتی هر مگاوات از انرژی




3

باد است. در حمل و نقل، وزن کمتر کانتینرها یا کشتی باعث افزایش ظرفیت باربری و در نتیجه کاهش تولید گازهای گلخانه ای

می شود.

ساندویچ کامپوزیت ها ارائه دهنده ی مقاومت و سرعت حیاتی برای بخشی از تجهیزات ورزشی هستند. در صنعت، راه حل کاهش

. ساخت یک پل یا نما توسط ساندویچ کامپوزیت ها باعث افزایش روبات های سریع تر و کوچکتر شود وزن می تواند باعث تولید

، مزیت های استفاده از روش هایی برای کاهش وزن در حال افزایش می شود. به طور کلیمؤثر در سرعت نصب و راه اندازی

است.

کاهش ضربه به محیط زیست -1انرژی مصرف می کند و اگر سنگین تر باشد، انرژی بیشتری صرف می شود. با استفاده یقیناً هر چیزی که حرکت می کند

از ساندویچ کامپوزیت ها سازه ها سبک تر طراحی می شوند و راه حل ساندویچی کردن بسیار با محیط زیست سازگار است و

ساز همراه با کاهش وزن باعث مصرف مواد کمتری در ساخت و ساز مصرف می شود . صرفه جویی در منابع مورد نیاز ساخت و

.ژی کمتر سازه درطول حیاتش می شودانر

برای تشریح ضربات ناشی از وزن سازه به محیط زیست می توان به هر کدام از وسایل نقلیه )چه هواپیما، اتوبوس، قطار و یا

سال( اشاره نمود. هر کیلو که در فرآیند ساخت حفظ شود، انرژی مورد نیاز کمتری را برای حرکت 22ماشین( در طول عمرشان )

سال می 22مردم یا مواد در سراسر جهان نتیجه می دهد. صرف انرژی کمتر منجر به حفظ مقدار زیادی آلودگی در هر روز از

گردد.

سوخت نمی توان جلوی ضربه ناشی از آلودگی را به محیط زیست بسیاری از صنایع متوجه شدند که به واسطه ی افزایش قیمت

بگیرند لذا با استفاده از مصالح سبک ضمن کاهش در مصرف سوخت ضربه کمتری به محیط زیست وارد می گردد . ضربه ای که

ه ایسه با صرففت( در مقانتخاب مواد وسایل نقلیه در طول عمرشان به محیط زیست می زنند در ابتدا )انرژی( و در انتها )بازیا

ناچیز است. جویی در سوخت وسایل

طراحی آزاد -4

درست بر خالف محدودیتی ،ساندویچ کامپوزیت ها به خاطر آزادی بخشیدن به طراحی ها مورد تحسین طراحان هستند

هنگام ساخت سازه هایی با ساندویچ که مواد سنتی ساخت و ساز مانند چوب و فلز در شکل شان در ابتدا یا انتهای ساخت دارند.

به هر فرمی شکل پذیر بوده و آخرین مرحله تولید شکل نهایی سازه را مشخص می کند. این موضوع کامپوزیت، مواد تقریباً

ز قابل ینامیکی نییرودآامکان طراحی غیر خطی و صافی را می دهد که نه تنها برای دالیل زیبا شناختی مناسب است بلکه اهداف

.حقق خواهد بودت

: طراحی آزاد با استفاده از ساندویچ کامپوزیت2شكل




4

یرودینامیكی توسط ساندویچ کامپوزیتآ: طراحی 1شكل

توزیع تنش در ساندویچ کامپوزیت ها -5 قرار می گیرد، تنش درون ماده افزایش می یابد. یا کششی وقتی که ماده تحت نیروهای فشاری

[5]: توزیع تنش های کششی5شكل [5]: توزیع تنش های فشاری4شكل

[5]: توزیع تنش های کششی و فشاری7شكل [5]: توزیع تنش های برشی6شكل

[5]رفتار تیر تحت نیرو: 8شكل




2

فواید اضافه -6

توضیحاتی که در باال داده شد مهم ترین برتری و دلیل استفاده ی بسیاری صنایع از ساندویچ کامپوزیت ها است. با این حال

مواد هسته به فواید بیشتری دست یافت )به این معنی که هر کدام از مواد هسته ویژگی و تحمل متفاوتی می توان با تغییر

.از این فواید مهم اشاره می کنیم دارند(. در اینجا ما به تعدادی

(𝐅𝐒𝐓 𝟏)آتش، دود و سم -6-3

FST مقررات سختی در مورد استفاده از وسایل حمل و نقل عمومی مانند اتوبوس، قطار و هواپیما دارد. بعضی از هسته مواد

ساندویچ کامپوزیت ها دارای مواد مخصوص نمناک هستند که باعث خاصیت اطفا حریق و سم زدایی به هنگام آتش سوزی می

عمومی را دارند.شود و از این نظر امکان استفاده در حمل و نقل

عایق حرارتی -6-2

هسته پلیمری مواد مملو از سلول هاییست که بین شان با هوا پر شده است. به همین علت، بعضی از مواد هسته گرما یا

سرما را به خوبی منتفل نمی کنند که می تواند برتری بزرگی باشد. به عنوان مثال در ساختمان های صنعتی، کاربردهای زیر

جنس تشکیل می شوند. 4هسته های عایق اغلب از دریایی و به طور کلی در جاهایی که عایق کاری حائز اهمیت خواهد بود.

(𝐏𝐔𝐑 𝟐)پلی اورتان صلب -6-2-3

هایواکنش با عرضی هایپیوند در اثر اعمال حرارت در آنهادارای بافت سلولی و ترموست ) (PUR)مواد پلی اورتان

هنگام آیند. این بسپارهاحالت یکپارچه صلب درمی به و رفته باال آنها متوسط مولکولی وزن نتیجه در و شودمی ایجاد شیمیایی

ا ( هستند که هنگام تماس با گرمشوندحرارت دهی ذوب نشده، بلکه در دماهای بسیار باال به صورت برگشت ناپذیری تجزیه می

ی آیند. زغال تولید شده همچون عایق از ساخته هایی که در زیر آن قرار گرفته حفاظت می و شعله ی آتش به فرم زغال در م

به صورت زغالی شدن و تجزیه شدن خواهد سوخت و در این حین مقدار قابل توجهی دود تولید می PURکند. با این وجود،

با مقیاس باال نشان می دهند که هیچ شعله مخفی کند. با این حال هنگامی که درون پانل ها گنجانیده می شوند، آزمایش هایی

مایش زدر میان هسته های پانل با سیستم پانل خارجی پخش نمی شود. تجزیه صورت گرفته تحت این شرایط تفاوت زیادی با آ

.محصوالت با عایق کاری دارد

تولید شده از پلی اورتان کمتر از پلی در مدتی که سطح دود در آزمایش های با مقیاس باال فرض شده که قابل قبول است، دود

.هم میتواند بسیار قابل توجه باشداستر است اما هنوز

(𝐏𝐈𝐑 𝟑) پلی آیزوساینوریت -6-2-2

به شدت نسبت به پلی اورتان ها ارتقاء پیدا کردند، که بخاطر مواد عایقی هستند که (PIR)صلب پلی آیزوساینوریت

برخورداری از مقاومت گرمایی بسیار زیاد ناشی از ساختار شیمیایی حلقوی است. در این مواد سه مولکول آیزوساینوریت پلیمری

از سه جهت احاطه شده اند.

رت( کاهش یافته و مقاومت زغال تولید شده افزایش می یابد هنگام آزمایش در شرایط عایق، نسبت تجزیه )در اثر حرادر نتیجه

و همچنین حفاظت از الیه های زیرین بیشتر خواهد شد. نتیجه ی کاهش مقدار آسیب دیدگی ایجاد شده توسط یک آتش سوزی

[2]اتفاقی نهایتا با کاهش دود تولید شده همراه است.

1. Fire Smoke Toxic

2. Rigid Polyurethane

3. Rigid Polyisocyanurate




6

فیبر معدنی -6-2-1

فیبر معدنی نوع دیگر از مواد عایق هسته است که با اتصال فیبرهای معدنی به یکدیگر با کمک الیاف آلی ساخته می شود.

الیاف آلی درون مواد هنگام قرار دادن درون پانل های عایق، هسته فیبر معدنی شامل برخی عناصر بالقوه قابل احتراق، خصوصا

هسته ی عایق و چسب های آلی مورد استفاده برای اتصال سطوح فلزی به مواد هسته است. اکثر پانل های فیبر معدنی غیر قابل

حریق یا قابلیت احتراق محدود در کل سیستم را ندارند. با این حال، کارایی احتراق پانل های دارای هسته فیبر معدنی در مجموع

.یی با هسته پلیمری ایجاد می کنندوب است و این پانل ها به طور معمول حرارت و دود کمتری نسبت به پانل هابسیار خ

فوم های فنولیک -6-2-4

فوم های فنولیک شامل یک ساختار پلیمری هستند که مقاومت قابل توجهی در برابر تخریب های حرارتی ارائه می دهند.

خاصیت ترموست دارند و برای جداسازی به فرم زغال در می آیند که باعث حفاظت از الیه های PIRدات بنابراین، همچون تولی

زیرین در درجه حرارت باال می شود. این خاصیت ها هنگامی که تولیدات در پانل های عایق گنجانده می شود هم وجود دارد.

.سه با اکثر مواد پلیمری کمتر استدود ایجاد شده در مقای

با وجود خواص احتراق خوبشان، بسیاری از مواد فنولیکی هسته دشواری هایی در دستیابی به دیگر مقاومت های مکانیکی،

.نیاز برای پانل های پوششی دارند )مقاومت در برابر ضربه( مورد

عایق صوتی -6-1

عایق/جذب صدا هستند. این موضوع در بسیاری بعضی مواد هسته )خصوصا آنهایی که سلول های بسته دارند( دارای خاصیت

از موارد مفید است )مانند بلندگوها(، اما مهم تر از آن در قسمت های داخلی هواپیما است جایی که عایق صوتی خوب می تواند

باعث بهبود فضای داخلی خطوط هوایی تجاری و هواپیماهای شخصی شود.

مقاومت در برابر خوردگی -6-4

دگی تاثیر مهمی بر کارکرد طوالنی مدت دارد. ساندویچ کامپوزیت ها به خاطر خاصیت های ضد خوردگی رفع خطر خور

شان و استفاده از هسته و پوسته های پلیمری خطر آسیب به سازه را حذف کرده و آن ها را برای کاربردهای دریایی همچون

.های زیردریایی ایده آل می سازند سازه

ایینجذب آب بسیار پ -6-5

در محیط های دریایی و مرطوب یا در جاهایی که امکان میعان وجود دارد، هسته های پلیمری بهترین گزینه خواهند بود.

زیرا همانطور که قبال اشاره شد دارای سلول های سازه ای بسته هستند که از ورود آب یا رطوبت به هسته و افزایش وزن و یا

ری می کنند. همچنین در قسمت های داخلی هواپیما جایی که استفاده از مواد سنتی مشبکاخالل در کارایی مکانیکی جلوگی

آب را درون سلول ها گیر انداخته و باعث افزایش وزن سازه در طول عمرش می شود، انتخاب ساندویچ کامپوزیت گزینه ی

مناسبی خواهد بود.

تعمیر آسان -6-6

تعمیر ساندویچ کامپوزیت ها ساده است، ترک ها و کوفتگی ها معموال می توانند به سادگی تعمیر شوند بدون اینکه کارایی

مکانیکی سازه را کاهش دهند. در مقایسه با فوالد، که باید قسمت بزرگی از سازه جدا و جایگزین شود، متخصصان می توانند

.ها در محل آسیب دیده( تعمیر کنندتصر )تنساندویچ کامپوزیت ها را به صورت مخ




7

خواص دی الكتریک -6-7

بعضی انواع مواد هسته دارای خاصیت دی الکتریک قابل توجهی هستند. به این معنی که در امواج رادیویی اخاللی بوجود

جهیزات پرتو ایکس راداری یا تنمی آورند که این مورد هنگام طراحی و ساخت اتاق رادار، محفظه های کروی برای تجهیزات

[1] .مفید خواهد بود

اصل ساندویچی کردن -7شکل تشبیه کرد از این جهت که به هنگام خمش، بال ها بارهای Iساندویچ کامپوزیت ها را می توان به یک تیر نامحدود

کششی و فشاری را تحمل می کنند )وظیفه پوسته ها یا الیه ها در ساندویچ( و جان بارهای برشی را تحمل می کند )وظیفه

به همان نسبت سفت شکل، هنگامی که بال ها )پوسته ها( از هم دورتر شوند، سازه Iهسته ساندویچ(. همچون یک تیر معمولی

افزایش تر خواهد شد. ضخیم تر شدن هسته هم همان نتیجه را می دهد، اما در کل چگالی کاهش می یابد و در نتیجه باعث

.نسبت سفتی به وزن می شود

[1]شكل I: تشبیه مقطع ساندویچ کامپوزیت به مقطع تیر 3شكل

مقایسه بین یک پانل فوالدی و یک پانل ساندویچ کامپوزیت که در زیر آمده است نشان دهنده ی پتانسیل -7-3

:حفظ وزن استفاده از ساندویچ است

[1]تیر ساخته شده با ساندویچ کامپوزیت و تیر فوالدی دو : مقایسه33و 31شكل

است. )این %90با در نظر گرفتن معیاری یکسان برای تغییر شکل، وزن صرفه جویی شده در طراحی با ساندویچ در حدود

.(است مثال با مواد استاندارد مقایسه شده




8

بیان می کند که چگونه افزایش ضخامت هسته باعث افزایش اندک وزن و افزایش چشمگیر سفتی خواهد گرافاین : 3 گراف

[1].شد

گیرینتیجه -8همچنین با انتخاب با استفاده از ساندویچ کامپوزیت ها در صنایع مختلف برای ساخت، شکل دهی و نما بهره می جوییم.

همانطور که بررسی ها نشان وصوتی و رطوبتی استفاده ی،مهندسی ماده هسته از این کامپوزیت ها به منظور عایق های حرارت

چرا که ضمن قابلیت باربری باال از ،چوب و یا غیره باشدسبی برای مصالح سنتی همچون فوالد،می تواند جایگزین منا می دهد

به مجرد برخورداری از این وزن کم برای تولید در صنایع باعث تحولی در وزن محصوالت شده . است وزن بسیار کمتری برخوردار

شدن آسیب کمتر به محیط زیست می شود. که موجب کاهش مصرف سوخت و در نتیجه وارد

مراجع

[1] DIAB guide to Sandwich Composites and Core Materials.

[2] Fire rated insulated (sandwich) panels By John Rakic on behalf of the Passive Fire & Smoke Containment

Alliance.

[3] Dr. Ir. Albert ten Busschen. "Design and Manufacture Of Composite Sandwich Panels For The Uyllander

Bridge In Amesterdam"

[4] David C. Salmon, Amin Einea, Maher K. Tadros, and Todd D. Culp. "Full Scale Testing Of Precast Concerete

Sandwich Panels" ACI Structural Journal

[5] Victor Birman and Charles W. Bert. "Wrinkling Of Composite-Facing Sandwich Panels Under Biaxial

Loading"

[6] Kumr P. Dharmasena, Haydn N.G. Wadley, Zhenyu Xue and John W. Hutchinson. "Mechanical Response Of

Metallic Honeycomb Sandwich Panel Structures To High-Intensity Dynamic Loading"

sandwich composite

Documents