الیاف بازالت  BFRP

از بازالت الیاف تقویت شده FRP نیز تهیه می شود. که به آن الیاف بازالتی یا BFRP نیز می گویند. از جمله برتری های الیاف بازالتی مقاومت حرارتی بالا، اشتعال پذیری کم، افت کم عملکرد و استحکام در دماهای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتی گراد و همچنین در رطوبت زیاد، چسبندگی خوب به رزین های بسپاری و لاستیک ها، مقاومت سایشی و کششی، ویژگی های دی الکتریکی بالا است

فهرست

1. بازالت
   • جذب دی اکسید کربن
   • الیاف بازالت BFRP
2. مواد، تجهیزات و روشهای آزمایش
   • مواد اولیه
   • ساخت صفحات کامپوزیتی
   • برش صفحات کامپوزیت
   • آزمون مکانیکی
     • آزمایش ضربه چارپی
     • آزمایش کشش

3. نتایج و بحث
   • آزمایش ضربه چارپی
   • آزمایش کشش
4. تحلیل اجزای محدود
   • نتایج تحلیل اجزای محدود
5. بکارگیری نتایج عددی در طراحی شناور
6. نتیجه گیری

• بازالت

بازالت (به انگلیسی Basalt): یک سنگ سخت و سیاه و دانه ریز آتشفشانی با کمتر از ۵۲درصد سیلیس میباشد که به علت کمبود سیلیس سنگی قلیایی است.

سنگ بازالت، از گروه سنگ های آذرین است که بازمانده فعالیت های آتش فشانی است و در ایران به وفور وجود دارد. بازالت سنگی متراکم و سخت است که به رنگ های گوناگون در طبیعت یافت می شود. این سنگ فراوان ترین سنگ آذرین است.

سنگ بازالت به صورت کوپ و سنگ فرآوری شده در کف سازی پیاده روها، جدول خیابان ها و به صورت چرمی یا ساییده برای نمای ساختمان ها کاربرد دارد. کاربردهای دیگر آن به عنوان پشم سنگ و در فیزیوتراپی به جای تشک برقی است.

سنگ بازالت تمام بلورین، نیمه بلورین و گاهی شیشه ای است که دارای بافت آفانیتی می باشد.

کم بودن میزان سیلیس باعث می شود تا بازالت گرانروی کمی داشته باشد و به همین دلیل گدازه های بازالتی بر روی زمین می توانند سطحی تا حدود بیست کیلومتر را بپوشاند. فراوانترین کانی های سازنده این سنگ عبارتند از الیوین، پیروکسن و پلاژیوکلاز.

سنگ بازالت همچنین در کره ماه به فراوانی یافت می شود. در زیر بیشتر سطح ماه، گدازه های بازالتی در جریان اند. پس از برخورد شهاب های کهن به سطح ماه به خاطر نازک شدن سطح، گدازه های بازالت به سطح راه یافت و بخش های عظمیمی از رویه کره را پوشاند. این مناطق بازالتی و تیره رنگ کره ماه به نام دریاوارهای ماه شناخته می شوند.

۱ – ۱ – جذب دی اکسید کربن

تحقیقات آزمایشگاهی و میدانی در ساختار بازالتی رود کلمبیا در آمریکا نشان داده است که دی اکسید کربن تزریق شده در سنگ بازالت با مواد معدنی توده سنگ ترکیب شده و ترکیبات کربناتی مانند آنکریت ایجاد می کند و از انتشار دی اکسید کربن (که یکی از گازهای گلخانه ای است) در اتمسفر جلوگیری می کند.

۲ – ۱ – الیاف بازالت BFRP

بازالت ماده ای خنثی، طبیعی و تشکیل شده از سنگهای آتشفشانی است که عمده ترین حالت صخره ای در پوسته زمین را به خـود اختصـاص داده است. از مشخصه های مواد دارای ترکیبات بازالت، سازگاری با محیط زیست و غیر سمی بودن آنهاست. فناوری تولید کنـونی الیـاف بازالـت بسـیار شبیه به تولید الیاف شیشه نوع E میباشد. تفاوت اصلی تولید این دو نوع الیاف این است که الیاف شیشه نوع E از دسته ای از مواد با ساختارهای پیچیده تولید مـیگـردد در حـالیکـه الیـاف بازالت از رشته های ساخته شده از ذوب سنگ بازالت بدون مواد افزودنی دیگر تولید میشود که از نظر هزینه مقرون به صرفه تر است. همچنـین بـه علت سادگی روند تولید به انرژی کمتری نیازمند است. الیاف بازالت دارای ثبات شیمیایی بالا به نسبت الیاف شیشه علی الخصوص در محیطهای بازی قوی غیر سمی، غیر قابـل احتـراق و مقـاوم در برابر دماهای بالا هستند. این الیاف دارای پایداری حرارتی بالایی نیز می باشد. توانایی ایزولاسیون حرارتی بازالت سه برابـر پنبـه نسـوز مـی باشد و به علت خواص ایزولاسیون عالی در بحث حفاظت از حریق شناورها، میتواند گزینه مناسبی قلمداد شود. بررسی مطالعات انجام شده در حوزه الیاف مورد استفاده در صنایع دریایی گویای این مطلب است کـه الیـاف بازالـت دارای خـواص مکـانیکی قابـل مقایسه و یا بهتر ازالیاف شیشه نوع E میباشد (جدول ۱) مدول یانگ الیاف بازالت ما بین ۷۸ – ۹۰ گیگاپاسکال متغیر است که بـا توجـه بـه گزارشـات صنایع مرتبط در کشور روسیه، بالاترین حد آن GPa 90 میباشد. در مقایسـه بـا الیـاف شیشـه کـه امـروزه عمـده تـرین سـهم تولیـد شـناورهای کامپوزیتی را به خود اختصاص داده است، اکثر مراجع در بالاتر بودن مدول و استحکام کششی الیاف بازالت، متفق القول می باشند.

تا کنون اخبار عمده ای در رابطه با استفاده الیاف بازالت در زمینه های دریایی گزارش نشده است. با این وجود، صنایع کشتی سازی و قایق سازی در پی استفاده از الیاف بازالت به عنوان یک جایگزین مناسب بجای الیاف شیشه در ساخت شناورهای ارزان قیمت و عمـدتاً بـی خطـر بـرای سـلامتی کارگران هستند. با نگرشی دقیق بر مجموعه عوامل دخیل در انتخاب مواد مهندسی مناسب در صنایع ساخت شناور جایگاه ارزشمند الیـاف بازالـت به عنوان ماده ای منحصر به فرد با استحکام ضربه ای عالی ( بسیار بالاتر از الیاف کربن) و سختی سطحی بالا ( در مقایسه با الیاف شیشه و کـربن) و جذب آب بسیار پایین بیش از پیش نمایان میگردد. هدف از این پژوهش، امکان سنجی استفاده از الیاف بازالت به عنوان تقویتی مواد کامپوزیتی در کاربردهای دریایی و بهرهگیری از شاخصه هـای ویـژه این الیاف میباشد. برای این منظور و در مرحله اول، صفحات کامپوزیتی توسط الیاف کربن و ترکیبی از این الیاف کربن و بازالت توسط روش لایـه – گذاری دستی ساخته شد. به منظور بررسی تاثیر الیاف بازالت در سازه کامپوزیتی با الیاف کربن، آزمونهـای کشـش و ضـربه طبـق اسـتانداردهای ASTM  بر روی نمونه ها انجام گردید. در نهایت، یک مدل عددی ساده شده جهت بررسی خواص مکانیکی ساختار الیاف هیبریدی، با استفاده از یک نـرم افـزار اجـزای محـدود (ABAQUS) مورد استفاده قرار گرفت. داده های تجربی با مقادیر المان محدود مقایسه گشته، که نتیجه آن پیشبینی مناسب روش عددی را نشان داد. به عنـوان یک نتیجه، با استفاده از روشهای المان محدود و همچنین استفاده از خواص فیزیکی و مکانیکی ترکیبات کامپوزیـت بـه عنـوان داده هـای ورودی میتوان پیش بینی های مناسبی از رفتار این نوع چندلایه هیبریدی و بهینه سازی این ماده در مباحث طراحی و هزینه انجام داد. مدل عـددی فـوق همچنین جهت شبیه سازی رفتار اجزاء یک شناور (مانند پاشنه) مورد استفاده قرار گرفته است.

خواص و نتایج استفاده از الیاف بازالت

• در محیط قلیایی،الیاف بازالت دچار تغییرات فیزیکی،شیمیایی نمی شوند،لیکن مصالح سنگی و خمیر سیمان باعث بروز تغییرات بر اینالیاف و بروز نقطه ضعف در اتصال مصالح و سیمان میشود.
• اضافه شدن الیاف بازالت باعث افزایش مقاومت فشاری سیمان خالص میگردد.میزان افزایش مقاومت فشاری با افزایش طول الیاف شدت
  بیشتری پیدا میکند. در این حالت الیاف بازالت باعث ایجاد محیط همگنی در ملات سیمان و در نتیجه افزایش مقاومت فشاری میشوند.
• استفاده از الیاف با طول ۱۲ میلیمتر که کمتر از بزرگترین سنگدانه بتن بوده باعث افزایش مقاومت خمشی میگردد. در این دانه بندی خاص
  الیاف بازالت با آسیب دیدگی کمتر و بعنوان پل رابط بین سنگدانه ها عمل میکند. یشترین افزایش در مقاومت خمشی در استفاده ۸ کیلوگرم الیاف در مترمکعب بتن رخ میدهد.در این حالت مقاومت خمشی حدود بیست درصد نسبت به نمونه بدون الیاف افزایش یافته است.
• اضافه کردن الیاف بازالت باعث کاهش مقاومتهای فشاری و کششی بتن شده که این امر میتواند ناشی از تغییرات فیزیکی وکاهش ابعاد الیاف
  بازالت در بتن سخت شده باشد. در این حالت در حجم ثابت بتن ، الیاف در ماتریس بتن جانشین سیمان وسنگدانه ها شده و در نتیجه مقاومت های فشاری وکششی نمونه بتنی کاهش یافته است.

• مواد، تجهیزات و روشهای آزمایش

۱ – ۲ – مواد اولیه

مواد مورد استفاده در این تحقیق شامل رزین اپوکسی ۵۲۸۴، پارچه الیاف بازالت BAS630 از شرکت Basaltex کشـور بلژیـک و پارچـه الیـاف کربن AC220 از شرکت Colan استرالیا است. مشخصات و خواص فیزیکی و مکانیکی مواد مورد استفاده بـرای سـاخت کامپوزیـت در جـدول ۱ آمده است. همچنین در شکل ۱ نوع بافت پارچه های الیاف بازالت و کربن مورد استفاده نشان داده شده است

جدول (۱): مشخصات و خواص رزین اپوکسی، الیاف کربن و الیاف بازالت

خصوصیات	الیاف کربن	الیاف بازالت	رزین اپوکسی
ضخامت (mm)	۲۵∙۰	۵۶∙۰	–
چگالی سطحی (g⁄m^2)	۱۹۸	۶۳۰	–
چگالی (g⁄m^2)	۷۵∙۱	۷۰∙۲	۲∙۱
استحکام کششی (MPa)	۴۲۱۰	۳۰۰۰	۶۲
مدول کششی (GPa)	۲۳۰	۸۹	۳
کرتش تا شکست (%)	۵∙۱	۱۵∙۳	۲ – ۱
زمان ژل شدن (min)	–	–	۲۵

 

۲ – ۲ – ساخت صفحات کامپوزیتی

از روش “لایه گذاری دستی” برای ایجاد صفحات کامپوزیتی استفاده شده است. قالب مورد استفاده در این روش (که برای ایجاد صافی سطح با ورق ۴ میلی متری آلومینیوم پوشانده شده است)، به شکل مربع و دارای ابعاد ۵۰۰×۵۰۰ میلی متر است (شکل ۲). در روش لایه گذاری دستی، رزین اپوکسی و هاردنر به نسبت ۸۰ – ۲۰ مخلوط شده و سطح بافت ها را آغشته می سازد. عملیات غلتک زنی برای خروج رزین اضافی از نمونه ها، پس از اضافه کردن هر لایه انجام می پذیرد.

جهت بررسی تاثیر الیاف بازالت در چند لایه کامپوزیتی و همچنین به علت دو برابر بودن ضخامت الیاف بازالت در مقایسه با الیاف کربن چهار نوع کامپوزیت تولید شد.

• کامپوزیت های با الیاف کربن (C) شامل هشت لایه بافت کربن
• کامپوزیت هیبریدی (BC1) شامل سه لایه بافت بازالت و دو لایه بافت کربن به صورت یکی در میان
• کامپوزیت هیبریدی (BC2) شامل سه لایه بافت کربن و دو لایه بافت بازالت
• کامپوزیت هیبریدی (BC3) شامل دو لایه بافت بازالت و پهار لایه بافت کربن.

توالی لایه گذاری و ضخامت چند لایه در جدول (۲) قابل مشاهده است

 

جدول (۲): توالی لایه گذاری

کد نمونه	لایه گذاری	ضخامت (mm)
C	[C8]	۲۴∙۲
BC1	[B/C/B/C/B]	۴۲∙۲
BC2	[C/B/C/B/C]	۰۸∙۲
BC3	[B/C/C/C/C/B]	۳۶∙۲

 

۳ – ۲ – برش صفحات کامپوزیتی

نمونه های کامپوزیتی پس از خروج از قالب توسط دستگاه برش واترجت و براساس استاندارد آزمایش کشش ASTM D3039 و آزمایش ضربه ASTM D256 به ترتیب و مطابق شکل (۳) با ابعاد ۲۵۰×۲۵ (±۳%) mm و ۷۵×۱۲ (±۳%) mm برش داده شدند. سپس از هر نوع کامپوزیت، تعداد ۳ عدد نمونه تهیه شد.

۴ – ۲ – آزمون مکانیکی

۱ – ۴ – ۲ – آزمایش ضربه چارپی

جهت ارزیابی استحکام ضربه ای چندلایه هیبریدی، تست ضربه چارپی طبق استاندارد ASTM D256 در دمای ۲۵˚C و رطوبـت ۴۰% بـر روی نمونه ها اعمال گردید. ابزار تست ضربه در شکل (۴ – الف) نشان داده شده است.

۲ – ۴ – ۲ – آزمایش کشش

پیش از اعمال آزمایش کشش، تعداد ۴۸ عدد تب توسط الیاف شیشه نوع E با چگالی سطحی ۶۰۰ g⁄m^2 و رزین پلی استر ساخته شد. تب های مذکور (که برای اطمینان از عدم لغزش نمونه ها در فک های نگهدارنده دستگاه کشش ساخته شـدند)، بـر روی ۱۲ نمونـه آزمـایش کشـش (از هـر  کامپوزیت ۳ نمونه) طبق استاندارد ASTM D3039 نصب و نمونه های نهایی آماده کشش شدند (شکل ۵). تب ها نیز مانند نمونـه هـای کامپوزیتی توسط دستگاه واترجت برش داده شده و توسط سمباده آماده سازی شدند. کلیه نمونه های کامپوزیتی توسط دستگاه کشش سنتام مدل STM-150 ساخت ایران مطابق شکل (۴ – ب) در دما ی ۲۵℃ مورد آزمایش قرار گرفتند. آزمایشات کشش استاتیکی تحـت الزامـات اسـتاندارد ASTM D3039 با سرعت بارگذاری ۲ mm⁄min انجام شدند.

• نتایج و بحث

۱ – ۳ – آزمایش ضربه چارپی

در جدول ۳ استحکام ضربه ای چهار نوع کامپوزیت نشان داده شده است. با توجه به نتایج آزمایش چارپی میتوان گفت انواع کامپوزیت های پایه پلیمـری تقویت شده با الیاف کربن به رغم بالا بودن خواص کششی، استحکام ضربه ای بسیار پایینی داشته و از این رو استفاده صرف از ایـن کامپوزیـتهـا در صنایع دریایی که مسایل مربوط به برخورد در آنها اجتناب ناپذیر و محتمل است، انتخاب مطمئنی نمی باشد. با بررسی نتایج مـیتـوان دریافـت بـا اضافه نمودن الیاف بازالت به چندلایه خواص ضربه ای به طور ناگهانی افزایش چشمگیری پیدا خواهد کرد. اضافه نمـودن الیـاف بازالـت بـه چند لایـه دارای چنان آثار مثبتی در خواص ضربه ای کامپوزیت بود که موجبات ساخت نمونه ای کامپوزیتی با الیاف بازالت خالص را فراهم ساخت. نکته جالب اینست که استحکام ضربه ای این نمونه معادل ۲۶۰  KJ⁄m^2  ارزیابی گردید که بسیار فراتر از مقدار پیش بینی شده بود. بررسی نتایج بدست آمده از سایر نمونه های کامپوزیتی (BC1، BC2 و BC3) حاکی از این است افزایش استحکام ضربه ای ارتباط مستقیم و تنگاتنگی با افزودن لایه های بازالتی دارد.

ضربات با سرعت پایین بسته به مقدار انرژی برخوردی، موجب بسیاری از تخریب ها در کامپوزیتهای دریایی می گردند. شکسـت مـاتریس، تـورق، جدایش الیاف/ماتریس، بیرون آمدن الیاف و پارگی الیاف برخی از انواع تخریب های ناشی از ضربات با سرعت پایین می باشند. در ابتدا هنگامی که یک کامپوزیت با انرژی کافی تحت بارگذاری ضربه ای قرار میگیرد، ترکهایی در ماتریس پدید میاید. از آنجاییکه در کامپوزیتهای پایـه پلیمـری ماتریس از الیاف نرمتر است، هنگام ضربه اتصال بین الیاف سخت و ماتریس نرم از تغییر شکل کامل ماتریس جلوگیری به عمل مـی آورد. شـکل بعدی تخریب، تورق بین لایه های یک کامپوزیت است که در سطوح بالاتر انرژی اتفاق میافتد. در این نوع تخریب بیشتر انرژی جذب شـده توسـط کامپوزیت صرف ایجاد تورق میگردد. شکل دیگر تخریب پارگی الیاف است که پس از ایجاد ریزترک هـا در مـاتریس و تـورق اتفـاق مـیافتـد. پارگی الیاف در پشت نمونه، دقیقاً در روبروی محل ضربه به وقوع می پیوندد. هنگام ضربه با انرژی بالا، تورق به سبب بزرگـی تـنش هـای برشـی در مسیر پیشانی ترک رشد کرده که این موجب تورق بیشتر خواهد بود.

در شکل ۶ مکانیزم شکست در نمونه های کامپوزیتی C و BC1 نشان داده شده است. مکانیزم شکست در کامپوزیت C بصورت ترک خوردگی ماتریس و بیرون آمدن الیاف است و در نمونه BC1 بصورت تورق می باشد که از مشخصه های شکست با انرژی بالاست.

 

جدول (۳) خواص ضربه ای چند لایه های کامپوزیتی

کد نمونه	انرژی برخورد KJ⁄m^2
C	۷۰
BC1	۲۱۴
BC2	۱۸۱
BC3	۱۶۸

 

۲ – ۳ – آزمایش کشش

به منظور بررسی تاثیر الیاف بازالت در کامپوزیتهای پلیمری پایه اپوکسی، استحکام کششی، مدول الاستیسیته کششی و درصد کرنش تـا شکسـت کششی چهار نوع کامپوزیت یاد شده مطابق شکل ۷ مورد ارزیابی قرار گرفت. لازم به ذکر است نمودارهای نشان داده شده در شکل ۷ تنها نمونـه ای از دوازده نمونه آزمایش شده کشش بوده که صرفاً جهت مقایسه بصری و نوع رفتار چهار نوع کامپوزیت به نمایش در آمده است.

مقادیر خواص کششی با میانگین گیری از سه نمونه برای هر کامپوزیت انجام شده و در جدول ۴ قابل مشاهده است. با توجه به مقادیر نشان داده شده در جدول (۴)، مقادیر استحکام کششی و مدول الاستیک کششی کامپوزیت تقویت شده با الیاف کربن (C) مطابق با پیشبینی فراتر از دیگر کامپوزیتها میباشد.. این در حالیست که کامپوزیتهای BC2 و BC3 نیز خواص کششی بسیار مناسبی داشته و مدول الاستیسیته کششی و استحکام نهایی کششی آنها بسیار بالاتر از مقادیر مرسوم کامپوزیتهای فایبرگلاس متداول در صنایع دریایی میباشد. پایین بودن خواص کششی الیاف بازالت به نسبت الیاف کربن (مانند بسیاری دیگر از الیاف مانند انواع الیاف شیشه، کولار و …) به نوعی جزئی از خواص ذاتی این ماده بوده و گویای این مطلب است که تنها با تلفیق خواص کششی الیاف کربن و بهره گیری از خواص ضربه ای الیاف بازالت میتوان به ماده ای مهندسی دست یافت که جایگاه برتر خود را در حوزه طراحی و ساخت صنایع دریایی به اثبات برساند.

در شکل (۸) مکانیزم شکست کششی در نمونه های کامپوزیتی C و BC1 نشان داده شده است.

جدول (۴): خواص کششی چند لایه های کامپوزیتی

کد نمونه	مدول الاستیسیته (GPa)	استحکام نهایی کششی (MPa)	کرنش حداکثر (%)
C	۹∙۲۷	۴۴۲	۹۸∙۰
BC1	۰۴∙۱۵	۲۵۸	۶۲∙۱
BC2	۰۰∙۱۸	۲۹۹	۵۶∙۱
BC3	۲۰∙۱۹	۳۱۸	۵۰∙۱

 

 

• تحلیل اجزای محدود

برای تحلیل اجزای محدود لازم است مدل اجزای محدود با شرایط مرزی و شبکه بندی مناسب ایجاد گردد تا بتواند رفتار ماده را بـه نحـو مناسـبی شبیه سازی نماید. مدل های مربوط به این بخش دارای ابعاد مشخص طبق استاندارد کشش ASTM D3039 بوده و توسط نرم افزار اجزای محدود ABAQUS تحلیل گردیده است. نمونه های مورد استفاده جهت تحلیل اجزای محدود به صورت مستطیل شـکل بـا ابعـاد ۲۵۰×۲۵ mm قید شده در بخش ۳ – ۲ و المان Shell مدل گردیده اند. این المان جایگزین مناسبی بجای المان Solid مرسوم است که جهـت مدلسـازی چند لایـه هـا مورد استفاده قرار میگیرد. با استفاده از این المان علاوه بر سازه های مسطح، انحناهای پیچیده واقع در بدنه شناورها نیز قابل شـبیه سـازی اسـت المان Shell یک المان ۸ گره ای، سه بعدی با ۶ درجه آزادی در هر گره است. خواص فیزیکی و مکانیکی چندلایه از طریق مشخصات فنـی مـواد و مطالعات تئوری به نمونه های تحلیلی آزمون کشش نسبت داده شد شکل ۹ نشان دهنده نمودار تنش – کرنش نمونه هـای کـامپوزیتی C، BC1، BC2 و BC3 بر اساس آزمون کشش و تحلیل اجزای محدود است. در واقع رفتار سازه کامپوزیتی بوسیله یک روند عددی در رژیم الاستیک ساده سازی می شود و از رفتار غیر الاستیک صرف نظر می گردد. هدف از این ساده سازی، شبیه سازی عددی آسان، بکارگیری ملزومات جهت روش طراحی و مخصوصاً بررسی رفتار سازه کامپوزیتی در رژیم الاستیک است که در سازه تحت آن مورد استفاده قرار میگیرد.

۴ – ۱ – نتایج تحلیل اجزای محدود

نتایج تحلیل اجزای محدود چهار نوع کامپوزیت تحت آزمون کشش در ادامه قابل مشاهده است. در شکل ۱۰ کانتور جابجایی نمونه ها پس از آزمون کشش مشخص گردیده است. لازم بذکر است نتایج مربوط به استحکام نهایی کششی کامپوزیتها حاصل از تحلیل اجزای محدود در جدول ۵ قابل مشاهده است. مقایسه مقادیر حاصل از آزمایشات تجربی و تحلیل اجزای محدود در شکل ۱۱ نشان داده شده است که بررسی ایـن نتـایج نمایـانگر اعتبار بالای حل عددی میباشد. با حصول اطمینان از اعتبار کافی از نتایج حاصل از تحلیل اجزای محدود، امکان سنجی شـبیه سـازی قسـمت هـای متفاوت شناور در بخش ۵ صورت گرفته است.

جدول (۵): نتایج تحلیل اجزای محدود نمونه های کامپوزیتی

کد نمونه	استحکام نهایی کششی (MPa)
C	۴۴۵
BC1	۲۳∙۲۶۲
BC2	۵∙۳۱۵
BC3	۲۶∙۳۳۷

 

• بکارگیری نتایج عددی در طراحی شناور

به منظور استفاده از نتایج حاصل از تحلیل اجزای محدود در شناور، ترنزوم یک شناور کامپوزیتی مطابق با شکل ۱۲ تحت حل عددی قـرار گرفـت. عملیات لایه گذاری سازه ساندویچی فوق به روش دستی و طبق جدول ۶ انجام میشود. لازم بذکر است در میان کلیه نمونه های آزمایش شده کد BC3 خواص بسیار خوبی در ضربه و کشش داشته و از این رو در تحلیل ترنزوم به استفاده از این نوع کامپوزیـت بسـنده شـده اسـت. در آخـر بـه منظور بهینه سازی بیشتر لایه گذاری یک عدد لایه الیاف بازالت بصورت متقارن در نمونه BC3 مورد استفاده قرار گرفته است (شکل ۱۳) و مقایسه نتایج حل عددی آن با کد  BC3 مورد ارزیابی واقع شده است. همانطور که در شکل ۱۳ مشخص است اضافه کردن تنها یک لایـه الیـاف بازالـت در محل مناسب ( صفحه تقارن چندلایه) موجب افزایش تقریبی ۸% در استحکام نهایی چندلایه و کاهش قابل توجـه در مقـدار تـنش وارد بـر الیـاف بازالت گردیده است. با استفاده از یک تقریب خطی میتوان دریافت افزودن این لایه بازالت موجب افزایش ۱۱% استحکام ضربه ای نیز میگردد.

 

جدول (۶): توالی لایه گذاری در ترونزوم شناور

کد نمونه	لایه گذاری	ضخامت (mm)
BC3	[B/C/C/C/C/B]	۳۶∙۲
Plywood	–	۱۸
BC3	[B/C/C/C/C/B]	۳۶∙۲

 

• نتیجه گیری

در پژوهش موجود، خواص مکانیکی سازه های کامپوزیتی تقویت شده با الیاف کربن و بازالت با رویکرد استفاده در صنایع دریایی مورد بررسی های تجربی و مطالعات عددی قرار گرفت. از نقاط ضعف کامپوزیتهای تقویت شده با الیاف کربن که به علت خواص کششی و فشاری عالی ماده ای بسیار پرمصرف در صنعت شناورسازی محسوب میگردد، پایین بودن استحکام ضربه ای آن میباشد. به منظور ارزیابی تاثیر الیاف بازالت بر خواص مکانیکی چند لایه های کامپوزیتی چهار نوع نمونه کامپوزیتی توسط روش لایه گذاری دستی تولید شد. نتایج آزمون ضربه نمایانگر ضرورت استفاده از الیاف چقرمه بازالت در کنار الیاف کربن جهت دستیابی به خواص ضربه ای بالا بود. همچنین خواص بسیار مناسب الیاف بازالت در کشش قابلیت استفاده از این الیاف نوین را به عنوان جایگزین الیاف شیشه در صنایع دریایی خصوصاً صنعت شناورسازی آشکار می سازد. در این مقاله روش های عددی بکار گرفته شده در مرحله شبیه سازی رفتار مکانیکی چندلایه ها تا حد بالایی مطابق با نتایج تجربی بوده و بهعنوان ورودی جهت تحلیل سازه قسمتی از شناور مورد استفاده قرار گرفته است.

سوالات متداول

مزایا الیاف بازالت کدام است؟

از جمله برتری های الیاف بازالتی مقاومت حرارتی بالا، اشتعال پذیری کم، افت کم عملکرد و استحکام در دماهای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتی گراد و همچنین در رطوبت زیاد، چسبندگی خوب به رزین های بسپاری و لاستیک ها، مقاومت سایشی و کششی، ویژگی های دی الکتریکی بالا است

خواص و نتایج استفاده از الیاف بازالت در محیط های قلیایی چگونه است؟

در محیط قلیایی،الیاف بازالت دچار تغییرات فیزیکی،شیمیایی نمی شوند،لیکن مصالح سنگی و خمیر سیمان باعث بروز تغییرات بر اینالیاف و بروز نقطه ضعف در اتصال مصالح و سیمان میشود.