به گزارش خبرگزاری ایمنا، مخازن ذخیرهسازی صنعتی، آن ستونهای سترگِ تکیهگاه صنایع نفت، پتروشیمی و تأمین آب، در نبردی بیامان با فشارهای سرسامآور، خوردگی لبهتیز مواد شیمیایی و خشم محیط اطراف قرار دارند. در این میانه، کامپوزیتهای اپوکسی تقویتشده با الیاف شیشه پا به عرصه میگذارند؛ سبکوزن اما مقتدر، مقاوم در برابر تهاجم خوردگی و تهدید تنشهای مکانیکی، و مژدهبخش عمر طولانی و هزینههای نگهداری بهشدت کاهشداده است.
در دل این مواد ترکیبی، اپوکسیِ چسبناک و انعطافپذیر، دست در دست الیاف شیشه میسپارد و با بافتی ارگانیک و تو در تو، بارهای فشاری را میبلعد و در برابر خستگی مداوم مقاومت میکند، اما حتی چنین پهلوانانی، ممکن است زیر چرخهای زمان و آزمون نیرو، دچار ترکهای ریز در ماتریس شوند، یا رشتههای شیشهایشان در برابر تنشهای ناگهانی تسلیم و گسیخته شود؛ یا آن پیوندهای میکروسکوپی میان رزین و الیاف کمکم تضعیف شود.
وقتی دما تا مرزهای سر به فلک کشیده بالا میرود، یا سیالهای خورنده با نفوذ خود تار و پود کامپوزیت را نشانه میگیرند، مولکولهای اپوکسی دست به مهاجرت میزنند و ترکهای نادیدنی شکافته میشوند. فشارهای ضربهای و چرخههای مکرر بارگذاری، انرژی را در بطن ساختار تلنبار کرده و ناگهان رها میکنند؛ گسیختن ناگهانی، چون شکست تنگهای که سالها تحمل بار کرده باشد.
بهراستی راز مقاومت این قهرمانان نوین در چیست؟ در نسبت طلایی رزین به الیافِ شیشه، در نظم آگاهانه لایهگذاری و همآوایی فیبرها با ماتریس؛ در دستبهکار شدن فناوریهای پیشرفتهی قالبگیری و پختِ کنترلشده که هر ذره را در جای خود مینشاند. طراحی بهینهی چینش لایهها، همینکه نخبهنخ الیاف در مسیر بارگذاری قرار گیرد، چقرمگی کامپوزیت را بیرحمانه تقویت میکند و از شکست ناگهانی جلوگیری میکند، اما این قصه، پایانی ندارد؛ چالش بزرگِ ماندگاری در گذر زمان همچنان بر پیشانی مهندسان حک شده است. تغییرات دمایی، فشارهای یکنواخت و سیالهای مهاجم، هر کدام چون خورهای آرام در دل مواد رخنه میکند و روزبهروز خواص مکانیکی را تضعیف مینماید. تولید این کامپوزیتها نیز داستان پیچیدهای است؛ قالبگیری و پخت باید با دقت میکرونی انجام شود، وگرنه کوچکترین لغزش، کیفیت را به مخاطره میاندازد و هزینهها را سرسامآور بالا میبرد.
وقتی مخزن دچار آسیب گردد، مرمت آن به مراتب دشوارتر از آلیاژهای فلزی است؛ نیاز به فناوریهای نوین ترمیم و مواد ویژه دارد که سطح چالش را بالا میبرد، با این همه، شناخت ریزترین مکانیزمهای شکست، بهینهسازی فرمولاسیون اپوکسی و مهندسی دقیق ساختار کامپوزیت، میتواند سپری مستحکم در برابر زمان و نیرو فراهم آورد؛ سپری که نهتنها دوام و ایمنی مخازن را تضمین میکند، بلکه هزینههای چرخه عمر را به کمترین سطح میرساند و آیندهای پایدار برای صنایع رقم میزند، در پهنهی عظیم صنعت، جایی که فشار و خوردگی بیرحمانهاند، کامپوزیتهای اپوکسی–الیاف شیشه چون نگینی درخشان میدرخشند؛ اما این درخشش تنها با درک ژرف و پژوهشهای مستمر، با آزمونهای دقیق خستگی و شکست، و با هنر مهندسیِ ترکیب و ساخت، همیشگی خواهد ماند، آینده اما روشن است: قلمرو مخازن صنعتی، در زیر سایه این قهرمانان مرکب، ایمنتر، پایدارتر و کمهزینهتر از همیشه خواهد بود.
بررسی رفتار شکست کامپوزیتهای اپوکسی الیاف شیشه و چالشهای صنعت مخازن ذخیر
اعظم علیرضازاده، دانشجوی دکتری مهندسی نساجی دانشگاه صنعتی اصفهان، با اشاره به نتایج تازه بهدستآمده از پایاننامه پژوهشی خود، از یک یافته خلاف انتظار در رفتار کششی کامپوزیتهای پلیمری مسلحشده با الیاف شیشه خبر داد و اظهار کرد: بررسی اثر نوع ساختار لایههای الیافی بر رفتار کششی و چقرمگی شکست در کامپوزیتهای اپوکسی نشان داد که برخلاف تصور غالب، ساختارهای بافتهشده، که بهطور معمول بهدلیل یکنواختی در توزیع تنش و انسجام هندسی، عملکرد بالایی به آنها نسبت داده میشود، در مواجهه با پیدایش و رشد ترک، بهویژه تحت بارهای کششی، آسیبپذیری بیشتری دارند.
وی افزود: در مقایسهی دو ساختار اصلی—یکی با پارچههای بافتهشده و دیگری با آرایش زاویهدار الیاف، رفتار شکست کاملاً متفاوتی مشاهده شد. اگرچه ساختار بافتهشده بهظاهر یکپارچه به نظر میرسد، اما بهدلیل کمانشهای موضعی (local buckling) و تمرکز تنش (stress concentration) در نقاط تلاقی تار و پود، دچار شکست زودهنگام میشود، جایگزینی مخازن فلزی سنگین با کامپوزیتهای سبکوزن اپوکسی–شیشه یکی از گرایشهای رو به رشد صنعت جهانی است، با این حال چالش اصلی حلنشده در این روند، کیفیت پایین اتصال میان فاز تقویتکننده (الیاف) و فاز زمینه (ماتریس پلیمری) است که تحت عنوان Interfacial Adhesion شناخته میشود.
دانشجوی دکتری مهندسی نساجیخاطرنشان کرد: ضعف در ناحیه اینترفیس، اغلب بهدلیل ناسازگاری خواص بین سطح الیاف شیشهای و ماتریس اپوکسی رخ میدهد، این ناسازگاری منجر به جدایشهای میکروسکوپی تحت تنشهای سیکلی یا بارهای ناگهانی میشود. برای رفع این چالش، ما بر استفاده از نانوذرات تمرکز کردهایم؛ این نانوذرات با سطح ویژه بالا و توانایی پر کردن فضاهای خالی در ناحیه بینفازی، میتوانند بهعنوان پل فیزیکی و شیمیایی بین الیاف و ماتریس عمل کنند.
علیرضازاده گفت: پروژه ما در تلاش است تا چقرمگی شکست در مقیاس میکرونی را تحلیل کند. در ساختارهایی با چیدمان زاویهدار (مثلاً ±۴۵°)، امکان کنترل ناهمسانگردی بهتر بوده و مسیر انتشار ترک، پیچیدهتر است. این امر منجر به اثر toughening مکانیکی بیشتر شده و در بسیاری موارد، موجب تأخیر در شکست نهایی میشود. در مقابل، در پارچههای بافتهشده، ترکها بهدلیل الگوی منظم تار و پود، مسیر ناگهانی بین لایهها پیدا میکنند و همین موضوع شکست را سریعتر و خشنتر میسازد.
وی با اشاره به دشواری تأمین مواد اولیه و تجهیزات آزمایشگاهی گفت: «تحقیقات پیشرفته، بهخصوص در زمینه مواد کامپوزیتی، نیازمند دسترسی پایدار به مواد اولیه مانند رزینهای مهندسی و تجهیزات تست مکانیکی همچون آزمونگر کشش و ضربه است. بدون حمایت مالی و فنی شرکتهای دانشبنیان، مسیر این پژوهشها کند و طاقتفرسا میشود.
دانشجوی دکتری مهندسی نساجی بیان کرد: همکاریهای سهجانبه میان صنعت، دانشگاه و مراکز رشد فناوری میتواند حلقه گمشده این زنجیره باشد. بسیاری از مسائلی که امروز در طراحی هواپیماهای بدون سرنشین، مخازن ذخیرهسازی یا بدنه خودروهای سبکوزن داریم، با همین پروژههای به ظاهر دانشجویی قابل حل است. اما شرط اول آن، باور و پشتیبانی است.
به گزارش ایمنا، با وجود چالشهای موجود، تحقیقات جدید نشان میدهند که استفاده از فناوریهای نوین همچون نانوذرات برای تقویت ماتریس اپوکسی، میتواند مقاومت شکست این کامپوزیتها را افزایش دهد. این نوآوریها امکان طراحی مخازن با خواص بهینه و طول عمر بیشتر را فراهم میکنند، همچنین توسعه روشهای پیشرفته تستهای مکانیکی و شبیهسازی شکست، به بهبود عملکرد این مواد در شرایط واقعی کمک خواهد کرد، شناخت دقیق رفتار شکست کامپوزیتهای اپوکسی الیاف شیشه و بهینهسازی فرایندهای تولید میتواند منجر به توسعه مخازن ذخیرهسازی مقاومتر و کمهزینهتر شود
نظر شما