مهندسی خوردگی

پلیمرهای تقویت شده با فراوانی بیشتری در کاربردهای مهندسی که به طور سنتی برای فلزات بوده اند،استفاده می شوند . این گرایش به وسیله نیاز صنعت هوافضا به مواد سبک تر که مقاوم به خوردگی بودند و استحکام و صلبیت بالایی داشتند،آغاز شد.در نتیجه fiber reinforcement polymer (FRP)ها گسترش پیدا کردند ، که اگر چه تولیدشان گران بود،اما ترکیب بی همتایی از خواص از خواص را فراهم می آوردند  که بوسیله مواد مرسوم ممکن نبود .تا پیشرفت تکنولوژی کامپوزیت ها و کاهش قیمت تولید، مزایای  خاص FRP ها گسترش بیشتری  یافت و در صنایع اتومبیل،کشتی و لوازم ورزشی به مار گرفته شد.
اخیرا انتقال تکنولوژی به وسایل پزشکی راه یافته ، در جایی که کاربردها به مواد جدید نیاز است که در محیط بدن انسان سازگار بوده وپایدار بماند. مزایای  متنوع مکانیکی وشیمیایی که به وسیله  پلیمرها وسرامیک ها مطرح می شود، با هم ترکیب می شوند تا ایجاد یک وسیله جدید که توانایی ها وسازگاری های که پیش از این وچود نداشته را تسهیل کند. در حقیقت با انتخاب صحیح مواد،پلیمرهای تقویت شده می توانند خواص مدنظر بیومواد پیشرفته را مشخص کنند .

در حال حاضر FRP ها در طراحی کاشتنی های ارتوپدی ، استفاده می شوند . با استفاده از مواد فلزی،ممکن است که stress shielding اتفاق بیافتد که علت آن عدم تطابق بین صلبیت کاشتنی و بافت اطراف استخوان است . وقتی کاشت ، تحت بار قرار می گیرد ، بافت اطراف استخوان از تنش محافظت می شود و پوسته ی کاشت نازک می شود ، تخلخل افزایش می یابد .این پدیده در مفاصل مصنوعی منجر به شل شدن ودر نهایت واماندگی می شود. در بسیار از محصولات جدید از FRP های کربن استفاده می شود که خواص صلبیت آنها به بافت های اطراف استخوان نزدیک است .این صلبیت برنامه ریزی شده ممکن است، چون تمرکز تقویت کننده و جهت گیری آنها در حین تولید امکان پذیر است .بنابراین کاشت ها می توانند طراحی شودند تا نیرو به بافت های اطراف استخوان  توزیع شود و واماندگی کاهش یابد .

مزیت دیگر مواد کامپوزیتی مربوط به زیست سازگاری وسایل فلزی است .وقتی کاشت ها در تماس با اعضا بدن قرار می گیرد ،فلزات می توانند یونهایی به درون بافت های اطراف بدن آزاد کنند . این مسئله مخصوصا برای آلیاژهای حاوی نیکل مثل فولاد ضدزنگ یا نیکل تیتانیوم بحرانی است ، چون بیشتر از %10 افراد وقتی در معرض نیکل قرار می گیرند ، حساسیت نشان می دهند . اگر چه واکنش های شدید تر منجر به واماندگی وسیله یا ایجاد شرایط تهدید آمیز برای سلامتی بیمار می شود. از طرف دیگر FRP بدون استفاده از فلز ساخته می شود و مسئله آزاد کردن یون را حل می کنند . علاوه بر این مسئه خوردگی و عوارض مربوط به محصولات خوردگی بر بدن با استفاده از پلیمرها کاهش می یابد ،چون این مود ذاتا در برابر خوردگی نسبت به فلزات  در محیط بدن پایدارتر هستند.

ادامه مطلب در آینده نزدیک ...

مقدمه:
تکنیک مقاوم سازی ستون های مسلح بتنی با استفاده از کامپوزیت های FRP به طور گسترده ای به جای پوشش نمودن به وسیله فولاد مورد کاربرد قرار گرفته است.در مقایسه با استفاده از تنگ ها و مارپیچ فولادی .تکنیک محصور سازی با استفاده از FRP قابلیت این را دارد که محصور شدگی را به صورت پیوسته برای تمام مقطع عرضی ستون تامین کنند.همچنین این موارد دارای خواص ذاتی مطلوبی (نسبت زیاد مقاومت به وزن و مقاومت بالا در برابر خوردگی و خنثی بودن الکترو مغناطیسی)هستند.به گونه ای که می توان در مقاوم سازی یا بازسازی اعضای بتنی به طور موفقیت امیزی از آنها بهره گرفت.رفتار FRP را نمی توان مانند پوشش فولاد (خاموت)در نظر گرفت.زیرا یک ماده الاستوپلاستیک است در حالی که الیاف FRP کاملا الاستیک می باشد.
بر طبق گزارش اداره فدرال بزرگراه های آمریکا هنگام بررسی پلها از نظر سازه ای به دلیل پوشش کم بتن ، طراحی ضیعف ، عدم مهارت کافی هنگام اجرا و سایر عوامل همانند شرایط آب و هوایی سبب ایجاد ترک در بتن و خوردگی آرماتور های فولادی شده است.
پس از سالها مطالعه بر روی خوردگی ، FRP به عنوان یک جایگزین خوب آرماتور های فولادی در بتن پیشنهاد شده اند.از این مواد به جای آرماتور های فولادی یا کابلهای پیش تنیده در سازه های بتنی پیش تنیده و یا غیر پیش تنیده استفاده می شود. مواد FRP موادی غیر فلزی و مقاوم در برابر خوردگی است که در کنار خواص مهم دیگری همانند مقاومت کششی زیاد آنها را برای استفاده بعنوان آرماتور مناسب می کند.از آنجایی که FRP ها مصالحی ناهمسانگرد هستند نوع و مقدار فیبرورزین مورد استفاده ، سازگاری فیبر و کنترل کیفیت لازم هنگام ساخت آن نقش اصلی را در بهبود خواص مکانیکی آن دارد.
FRP (Fiber Reinforcement polymer ) چیست؟
FRP نوعی ماده کامپوزیت متشکل از دو بخش فیبر یا الیاف تقویتی است که به وسیله یک ماتریس رزین از جنس پلیمر احاطه شده است. که به دو شکل ورق های FRP و میلگردهای FRP وجود دارد.به روش پالتروژن ساخته ميشوند. در اين روش دستهاي از الياف پس از آغشته شدن با رزين پس از عبور از يك قالب در كنار هم قرار گرفته و يك پروفيل داراي مقطع ثابت را به وجود ميآورند.از عمده ترين مزاياي روش پالتروژن چندمنظوره بودن آن و كاربردهاي گوناگون آن در صنايع مختلف است. به عبارتي صرفاً با تغيير قالب دستگاه ميتوان علاوه بر محصولاتي كه در صنعت ساختمان كاربرد دارد، همانند انواع آرماتورها، محصولات گوناگون ديگري در حوزه هاي مختلف از جمله تسمه هاي ماشين نساجي، ريلها، محافظ اتوبانها، چارچوب پنجره ها و درها، تيرهاي با مقطع I شكل، نبشي ها و غيره توليد نمود. عمر محصولات پالتروژني بسيار بالاست و سرعت توليد يك محصول پالتروژني نيز نسبتاً زياد است. از نظر قيمت نيز با وجود اينكه يك تير پالتروژني قيمت ظاهري بيشتري نسبت به نمونة مشابه آهني دارد ليكن مقاومت خوب آن در مصارف خاص ضدخوردگي و زلزله و عمر بالاي آن ميتواند توجيه گر قيمت اولية بالاي آن باشد. در مصارف عمومي مانند ساخت سازه ها اگر نياز به مقاومت در برابر خوردگي و زلزله وجود داشته باشد، استفاده از تيرهاي پالتروژني ميتواند توجيه اقتصادي نيز داشته باشد.
نقش اصلی ماتریس عبارت است از :
1-انتقال برش از فیبر تقویتی به ماده مجاور
2- محافظت از فیبر در شرایط محیطی
3- جلوگیری از خسارات مکانیکی وارد بر الیاف
4- کنترل کمانش موضعی الیاف تحت فشار
به طور کلیFRP ها بر اساس فیبر تشکیل دهنده ی آنها به چند دسته زیر تقسیم می شوند.
1- CFRP با الیافی از جنس کربن
2-GFRP با الیافی از جنس شیشه
3- AFRP با الیافی از جنس آرامید
مزایای استفاده از FRP :
1- وزن کم (چگالی آن در حدود 20% فولاد است .)
2- مقاومت در برابر خورندگی
3- نفوذناپذیری مغناطیسی
4- امکان تقویت به صورت خارجی
5- حمل و نقل آسان وسرعت اجرای بالابه دلیل وزن کم
لذا به دلیل مزایای بالا به عنوان یک جایگزین مناسب برای آرماتورهای فولادی در سازه های دریایی ، سازه پارکیمگ ها ، عرشه های پل ها، ساخت بزرگراه هایی که بطور زیادی تحت تاثیر عوامل محیطی هستند و در نهایت سازه هایی که در برابر خوردگی و میدانهای مغناطیسی حساسیت زیادی دارند پیشنهاد می کند.
روشهای ارایه شده برای بررسی تقویت برشی تیر بتن‌آرمه با ورقهFRP

1.روش مدل‌های چسبندگی

2.روش تشابه خرپایی یا Strut & Tie

3.روش تئوری میدان فشاری و اصطکاک برشی
خب چرا به جای میلگرد های فلزی از FRP استفاده کنیم؟
دليل عمدة استفادة از ميلگردهاي FRPدر داخل بتن، جلوگيري از پديدة خوردگي و افزايش ميرايي ارتعاشات ايجاد شده در سازه در برابر ارتعاش ميباشد. هر چند كه استفاده از ميلگردهاي FRP به جاي نمونه هاي فلزي سبب كاهش وزن بنا نيز خواهد شد، اما در استفاده از اين ميلگردها، مساله كاهش وزن اهميت ناچيزي نسبت به دو مورد بيان شده دارد. دليل بالا بودن ضريب ميرايي كامپوزيتها، خواص غيركشسان آنهاست كه انرژي جذب شده را ميرا ميكنند. در حالي كه مواد فلزي حالت كشسان داشته و انرژي جذب شده را ميرا نمي نمايند. بنابراين مواد كامپوزيتي در برابر ارتعاشات زلزله عملكرد بهتري خواهند داشت و بهترين گزينه جهت مقاومت سازه در برابر لرزهها خواهند بود.بكارگيري ميلگردهاي FRP به جاي فلزي، بهطور قابل ملاحظه اي از زيانهاي ناشي از بروز خوردگي جلوگيري ميكند. ظهور تخريب ناشي از پديدة خوردگي در بتن مسلح شده با ميلگرد فلزي بدين گونه است كه نخست ميله هاي فلزي داخل بتن دچار زنگ زدگي شده و اكسيد ميشوند. سپس اين اكسيدها به سمت سطح بيروني بتن شروع به مهاجرت كرده و با انتشار در داخل بتن باعث از بين رفتن آن ميشوند. بدين ترتيب با خورده شدن دو جزء فلزي و بتني سازه، زمينة تخريب كامل سازة بتني فراهم ميگردد. روشهاي سنتي گذشته مانند چسباندن صفحات فلزي بر روي سازه يا اضافه كردن ضخامت بتن جهت مقابله با پديدة خوردگي ضمن آنكه مشكل خوردگي فلز را مرتفع نخواهد نمود، سبب افزايش وزن سازه و آسيب پذيرترشدن آن در برابر زلزله نيز خواهد شد. جهت جلوگيري از اين امر ميتوان با تقويت سطح خارجي سازة بتني توسط مواد مركب و استفاده از ميلگردهاي FRP در داخل بتن، هم مشكل خوردگي فلز داخل سازه را حل نمود و هم جلوي مختل شدن كارايي سازه در صورت خورده شدن بتن را گرفت كه اين بهترين روش مقابله باپديدة خوردگي در يك سازه بتني ميباشد.
در آمريكا وظهور آن در صنعت ساختمان:
به صورت يك جسم شيشه اي جامد براي ساختن چوب FRP بعد از جنگ جهاني دوم ابتدا از
در ساخت تجهيزات FRP ماهيگيري وگلف ، پايك پرچم و چوب اسكي استفاده مي شد به تدريج از
الكتريكي به دليل مقاومت آششي وفشاري بالا وقابليت نارسايي (هادي نبودن) الكتريكي بالا مورد
استفاده قرار گرفت وامروزه کاربردهاي مختلف آن درتوليدات خانگي چون نردبان ، کانلهاي تهويه وريلها

کاربردهاي وسيعي در زمينه هاي FRP به وضوح قابل ملاحظه است:

خودروسازي ، الكترونيك ، پزشكي ، هوا فضا ، ساختمان سازي و . . . دارد.
از اوايل دهه ١٩٦٠ با گسترش احداث سازه هاي فراساحل وپلهاي بزرگ که در معرض آب دريا
که محيط خورنده اي است قرار دارند , محققان در صدد رفع بزرگترين عيب ورقه هاي تقويتي فلزی که
همان خوردگي وزنگ زدن فولاد است , برآمدند. آنها براي حل اين مشكل استفاده از ورقه هاي گالوانيزه
آلياژ فولاد + روی را توصيه آردند ولي اين آلياژ در يك محيط اسيدي واکنش شيميايي داده وپيوند بين
فولاد وروي گسسته مي شود, شرکتهاي مختلف براي حل اين معضل پيشنهادات گوناگوني دادند.

1.استفاده از اسپري الكترو استاتيک
2.چسبهاي ترکيبي پودر شده
3.آغشته کردن فولاد به روغن چون لوله هاي گاز و . . .
تا اين که اداره فدرال بزرگراه هاي ايالت متحده, استفاده از فولاد اپوآسي را توصيه وتوليد وبه بازار عرضه کرد.

کامپوزيتچيست؟
به مادّه اي اطلاق مي شود که از ٢ يا بيشتر ماده مجزا بانواحي قابل
تشخيص و تفكيك از يكديگر ويك سطح مشترك ودر پاره اي موارد يك ناحيه واسط تشكيل مي شود.
يک کامپوزيت است که براي افزايش چسبندگي الياف يا فيبر تقويتي با ماتريس رزين معمولاً از
اصلاح سطحي استفاده مي شود. چوب را مي توان يك کامپوزيت طبيعي در نظر گرفت ودر يك نگاه
آلي تر بتن آرمه نيز يك نوع کامپوزيت ومتشكل از اجزاي متمايز است.

پليمر چيست ؟
به يك زنجيره طويل از مولكولها آه از يك يا چندين اتم که با يكديگر از طريق پيوندکووالانسي متصل شده اند اطلاق مي شود.پليمرها بر اساس روند تشکيل پيوند يا ترتيب نا منظم وغير بلوري يا ترتيب تقريباً منظم ونيمه بلوري دارند و نسبت مولكولها در پليمرها بستگي به انگيزش تصادفي آنها دارد. هر چه درجه حرارت زمان تشكيل پليمر بالا مي رود برانگيزش تصادفي نيز بيشتر مي گردد
درکشورما:
كشور ما نياز بسيار گسترده­اي به استفاده از كامپوزيت­ها در قالب آرماتورهاي كامپوزيتي دارد. هم­اكنون بسياري از سازه­هاي بنا شده در محيط­هاي خورندة مناطق مختلف كشور همچون پل­هاي درياچة اروميه و يا ساختمان­هاي جنوب كشور دچار معضل خوردگي هستند كه استفاده از كامپوزيت­ها مي­تواند پاسخگوي مشكل اين قبيل سازه­ها باشد.
متأسفانه در كشور ما به دليل عدم شناخت اين تكنولوژي، تقريباً هيچ­گونه حركت قابل توجهي به سمت بهره­گيري و انتقال آن صورت نپذيرفته است. در گوشه­وكنار تلاش­هايي از سوي بعضي از كارخانجات و صنايع علاقه­مند جهت ساخت دستگاه پالتروژن در كشور انجام گرفته است، اما هنوز تا رسيدن به يك محصول قابل قبول از نظر خواص مناسب و ساختار مكانيكي همگن فاصلة زيادي وجود دارد. اين دستگاه ساختار بسيار پيچيده­اي ندارد و مي­توان در صورت نياز از طريق ارتباط با كشورهاي خارجي اقدام به انتقال تكنولوژي آن به كشور نمود. نوع غربي آن حدود 350 تا 400 هزار دلار قيمت دارد و نوع روسي و چيني آن با قيمت ارزان­تر، تقريباً با نصف اين هزينه قابل تهيه مي­باشند. عدم توجه به اين تكنولوژي مي­تواند موجب عقب­افتادگي صنايع كشور در بهره­گيري از عرصة گستردة كامپوزيت­ها گردد

For more than 25 years, the FHWA, AASHTO, and NCHRP has researched and demonstrated the use of fiber reinforced polymer (FRP) composites, space age technology for bridge construction. New breeds of this high performance and innovative material developed in the last 70 years are making headway into the civil and bridge infrastructures. Structural components for hybrid bridge construction such as FRP deck panels and slabs, reinforcing elements, cable and tendon systems, and laminates have been successfully demonstrated in highway bridges. Currently, there are more vehicular bridge projects using FRP composite materials in the United States than in any other country. Many of these projects have been funded through FHWA's Innovative Bridge Research and Construction and Innovative Bridge Research and Deployment programs. The current focus for the FHWA is to advance the FRP composite technology to rebuild the American transportation infrastructure in new bridge construction as well as the rehabilitation and maintenance of the existing bridge inventory. The use of the FRP materials for repair and strengthening of structural concrete members is increasing, and when properly designed and applied, it can be effective and efficient. The rebuilding of the Nation's highway system presents a tremendous market opportunity well into the 21st Century.