cfrp چیست؟

الیاف کربن (CFRP) دارای ضریب ارتجاعی بالایی هستند از این رو استفاده از آنها جهت مقاصد بهسازی و مقاوم سازی سازه ها پیشنهاد میگردد. ضریب ارتجاعی الیاف کربن از تمامی انواع الیاف FRP دیگر بالا تر میباشد الیاف کربن دارای مقاومت بالا در برابر خستگی میباشند،علاوه بر آن ضریب انبساط گرمایی خطی این نوع الیاف در دماهای بالا و پایین بسیار کم میباشند که این مسأله باعث پایداری ابعادی الیاف کربن در دماهای متفاوت میگردد. از دیگر مزیتهایی که الیاف کربن دارند، نسبت بالای مقاومت کششی به وزن آنها میباشد.

اگر سازه ای تحت شرایط خاص(زلزله یا گود برداری یا …)آسیب دیده باشد یا اگر قصد تغییر کاربری ساختمان(مسکونی به آموزشی)، تغییر یا افزایش در میزان طبقات سازه را داشته باشیم دیگر سازه موجود ایمنی و شرایط مطلوب برای تحمل بار های وارده را نخواهد داشت و نیازمند مقاوم سازی یا ترمیم و تقویت سازه هستیم. سیستم های CFRP یکی از انواع کامپوزیت های FRP برای مقاوم سازی و تعمیر ساختمان ها و سازه های بتنی از اواسط سال ۱۹۸۰ توجه مهندسین را به خود جلب کرده است. در سیستم CFRP الیاف تقویت کننده کامپوزیت الیاف کربن هستند که این الیاف سازگار با انواع ماتریس ها از جمله رزین اپوکسی، رزین ونیل استر، رزین فنولیک و … جهت تشکیل کامپوزیت را دارد. سیستمCFRP  نیز در سازه های چوبی، فولادی و بنایی کاربرد دارد. CFRP به صورت خارجی براعضای سازه ای مانند تیر، ستون، دال، دیوارها و اعضای سازه ای مانند خرپا ها و دودکش ها و تونل می چسبد. سیستم کامپوزیتی کربنی یک جایگزین مناسب برای روش های تقویت سازه ها در قدیم مانند ژاکت فولادی و پوشش های بتنی است به صورتی که علاوه بر مقاوم سازی سازه باعث مقاومت سازه در برابر خورندگی، کاهش وزن سازه می گردد.

کامپوزیت های پلیمری CFRP  

CFRPکامپوزیت پلیمری FRP هستند که این کامپوزیت از دو جزء ماتریس و تقویت کننده تشکیل می شوند. در این نوع از مواد کامپوزیتی تقویت کننده فیبرهای کربنی هستند که به همراه یک رزین پلیمری که اغلب اپوکسی است ترکیب می شوند. این کامپوزیت CFRP از خاصیت های زیادی برخوردار است که به طرح بندی فیبر کربنی و نسبت فیبر کربن به مواد پلیمری بستگی دارد. عنصر اولیه این کامپوزیت CFRP  یک رشته الیاف کربنی است که خود از یک پلیمر به نام پلی اکریلونیترول از صنعت نفت تولید می شود. دیگر روش تولید این الیاف روش ایزوترپیک است. برجسته ترین استفاده از این کامپوزیت در صنعت مقاوم سازی و ترمیم و تقویت سازه ها می باشد. اگر سازه ای تحت شرایط خاص(زلزله یا گود برداری یا …) آسیب دیده باشد یا اگرقصد تغییر کاربری ساختمان(مسکونی به آموزشی) ، تغییر یا افزایش در میزان طبقات سازه را داشته باشیم دیگر سازه موجود ایمنی و شرایط مطلوب برای تحمل بار های وارده را نخواهد داشت و نیازمند مقاوم سازی یا ترمیم و تقویت سازه هستیم. از دیگر موارد نیاز به مقاوم سازی سازه می توان اعمال بارهای سنگین تر نسبت به زمان طراحی، کاهش ظرفیت باربری در اثر خوردگی فولاد،طراحی نامناسب سازه، تغییر در سیستم سازه، اصلاح استانداردها و آیین نامههای ساختمانی و خرابی ناشی از آتش سوزی و … را نام برد. استفاده از سیستم کامپوزیت پلیمری کربنی و یا CFRP نسبت به سایر روش های سنتی مقاوم سازی و بهسازی یک سازه بتن آرمه از جمله ژاکت بتنی، تقویت خارجی عضو سازه ها با فولاد معمولی، افزایش سطح مقطع عضو بتنی، چسباندن ورقهای فولادی و … بسیار مناسب تر و دارای مزایای به سزایی است.
از جمله معایب روش مقاومسازی سنتی،صعوبت اجرا،خطر ایجاد پوسیدگی در ورقهای فولادی،غیر انعطاف پذیری ورق های فولادی،تغییر در وزن اجراء سازه و در نتیجه تغییر فرکانس طبیعی عضو سازهای و … میباشد.از مزایای سیستم کامپوزیت های پلیمر کربنی CFRP حمل و نقل آسان و عدم توقف کاربری و عدم آسیب دیدگی بخش های دیگر سازه می باشد. سیستم CFRP در مرور زمان و در مجاورت گچ و خاک دچار خوردگی نمی شود.هم چنین برای کنترل کیفیت این سیستم بعد اجرای آن برای اطمینان خاطر از عملکرد صحییح می توان از تست POLL OFF نیز استفاده کرد.

سیستم کامپوزیت کربنی از دو جزء تشکیل میشود

۱) پلیمر های کربنی
۲) ماتریس
پلیمر های کربنی:
الیاف کربن موجود در کامپوزیت کربنی CFRP قوی تر از سایر مصالح سنتی مانند فولاد و ۷۰% سبکتر از فولاد است.پلیمرهای الیافی موجود در CFRP مصالحی هستند که در صنعت مقاوم سازی مورد استفاده قرار می گیرند. این پلیمر های الیافی که اغلب از جنس کربن هستند به صورت پارچه هایی بر روی سازه چسبانیده می شوند و باعث افزایش شکل پذیری عضو و مقاومت آن می گردد.

الیافی که در کامپوزیت کربنی استفاده می شود را می توان به دو دسته تقسیم می شوند

۱٫ الیاف تولید شده با قیر
۲٫ الیاف مصنوعی تولید شده از روش پلی اکریلونیترول
که الیاف مصنوعی ساخته شده از پلی اکریل نیتریل (PAN)مقاومت بسیار بالایی دارد ولی از لحاظ هزینه گران تر از الیاف ساخته شده با قیر است. الیاف ساخته شده از قیر که از تقطیر زغال سنگ بدست می آید نسبت به الیاف مصنوعی ارزان تر است اما از مقاومت و مدول پایین تری برخوردار است. هم چنین الیاف مصنوعی از مدول بالاتری برخوردار است که همین امر سبب می شود تا نسبت به الیاف کربنی ساخته شده از قیر تغییر طولی کمتری داشته باشد.

نقش الیاف کربنی در CFRP

الیاف کربن در کامپوزیت CFRP اصلی نقش را دارند و سهم اصلی در باربری در کامپوزیت را دارند. این الیاف انعطاف پذیری بالایی دارند از این رو در شکل گیری کامپوزیت نقش به سزایی دارند و می توان از کامپوزیت CFRP   در مقاوم سازی انواع ستون های دایره ای و منحنی شکل استفاده کرد. الیاف کربن تراکم بالایی برخوردار است در نتیجه رزین اپوکسی به راحتی می تواند از بین الیاف جریان داشته باشد.

نقش ماتریس در CFRP

دومین جزء کامپوزیت های پلیمری CFRP  ماتریس است که نقش به سزایی در این ترکیب دارد. این ماتریس پلیمری به عنوان چسب الیاف تقویتی را نگه می دارند و هنگام اعمال بار تغییر شکل می دهند و تنش را به الیاف مستحکم و سفت منتقل میکنند. هم چنین ماتریس های پلیمری خاصیت جذب انرژی را داراست که همین امر سبب کاهش تمرکز تنش می شود. از ویژگی های این ماده ی پلیمری می توان به داشتن ویسکوزیته ی پایین، توانایی پر کردن قالب ها، خیس کردن سریع الیاف تقویت کننده و دیگر تقویت کننده ها و داشتن زمان ژل شدن اشاره کرد. از انواع ماریس پلیمری می توان رزین اپوکسی، رزین فنولیک و… را نام برد.

کامپوزیت کربنی CFRP

کامپوزیت هایی که ماده ی تقویت کننده ی آن کربن است، به کامپوزیت های کربن-کربن موسوم هستند. دانسیته ی کامپوزیت های کربنی در محدوده ی ۱٫۶ تا ۲ گرم بر سانتی متر مکعب است که نسبت به فلزات و سرامیک  بسیار پایین تر است. سیستم های CFRP بخاطر انعطاف پذیری بالایی که دارد قابل استفاده در سطوح منحنی و دایره ای است مانند ستون با مقطع دایروی. این سیستم انعطاف بذیری ستون و دیوار را افزایش می دهد. این سیستم بخاطر وجود الیاف کربنی موجود  انعطاف پذیر و سبک هستند و دارای استحکام فولادی هستند.همچنین به دلیل مقاومت بالای حرارتی الیاف کربن در برابر حرارت منبسط و سوخته  نمی شوند. در برابر ضربه ی ناگهانی شکسته می شوند. مهم ترین مزایای سیستم CFRP نسبت بالای مقاومت بر وزن آن هاست.سیستم CFRP دارای وزن کم و چگالی کمتر از فولاد و دیگر مصالح است. کامپوزیت CFRP رسانای الکتریکی و حرارتی هستند و در دما ها ی بالا استحکام خود را حفظ می کنند.

ویژگی های کامپوزیت های کربنی CFRP:

• وزن کم آن ها و هم چنین دارای چگالی کم
• رسانای الکتریکی و حرارتی
• ضریب انبساط حرارتی پایی
• حفظ استحکام در دما های بالا

کاربرد کامپوزیت کربن در صنعت عمران

 اشتباهات در طراحی، ضعف در اتصالات، ظرفیت خمشی و کششی ناکافی، ترک در ستون پل و ساختمان ها،سازه ترک خورده و کرمو شده ناشی از خوردگی، افزایش ظرفیت باربری، میلگرد گذاری نا مناسب در خاموت و خوردگی میلگرد بتن، تغییر کاربری سازه(مسکونی به مدرسه ) و هم چنین افزایش بارگذاری ثقلی و جانبی، از جمله موارد کاربرد این سیستم در صنعت عمران است.

آماده‌سازی سطح بتن

آماده سازی بتن تاثیر به سزایی بر کیفیت عملکرد سیستم های CFRP  دارد.  در نتیجه  تمام سطوح باید از خاک، گرد و غبار، ترکیبات ترمیم کننده و دیگر مصالح آلوده کننده که ممکن است حفره هایی در پشت کامپوزیت های کربنی ایجاد کنند، توسط  پاک کننده صنعتی، پاک شود.
ملات تعمیری باید برای تعمیر تمام سطوح بتنی فرسوده و آسیب دیده مورد استفاده قرار گیرد. تمام سطوح نیاز به ساب زدن با سنگ فرز، شن‌شویی، شستشوی تحت فشار و یا سایر روش های مکانیکی معمول برای رسیدن به یک سطح بتنی مسطح دارند.هم چنین لبه های تیز باید صاف و گرد شده تا حداقل شعاع ۳۰ میلی متر باشد.

کاربرد کامپوزیت های کربن CFRP در دیگر صنایع

•  سیستم کامپوزیت CFRP کاربرد گسترده ای در صنعت هوافضا دارد.
•  استفاده ی پرکاربرد در صنعت هوافضا به دلیل وزن کم و دوام بالاتر از آلومینیم
•  استفاده از کامپوزیت های کربنی در ارتش به دلیل وزن پایین آن در ساخت هواپیما و هلیکوپتر به طوریکه یک قطعه از فیبر کربن یک سوم یک قطعه ی فولادی وزن دارد.
•  استفاده از کامپوزیت های کربنی در ساخت تجهیزات ورزشی مانند راکت تنیس و کمان ها و …
•  استفاده از استفاده از این محصول در صنایع پزشکی و ساختن اندام مصنوعی بدلیل داشتن خاصیت رادیوسنتری بالا
•  استفاده از الیاف های کربنی در توربین های بادی به دلیل استحکام و دوام بالاتر نسبت به الیاف کربن
•  استفاده از الیاف کربنی برای کاهش الکتریسیته ی ساکن تولید شده در رایانه های لپ تاب و چاپگر ها به دلیل رسانا بودن الیاف کربنی
•  در صنعت خودروسازی برای ساخت اتاقک و قالب های صندلی
•  استفاده ی وافر در صنعت ارتش برای ساخت جلیقه ضد گلوله

سوالات متداول