کامپوزیت پلیمری در صنعت حمل و نقل ریلی

بررسی اجمالی نقش کامپوزیت های پلیمری در صنعت حمل و نقل ریلی

مواد کامپوزیتی که نسبت مقاومت-وزن بالایی دارند، برای طراحی سازه های پیچیده و سبک در صنایع مختلف کاربرد دارند. به ویژه در صنعت حمل و نقل ریلی، کامپوزیت ها به دلیل خواص منحصر به فردی همچون وزن سبک و انعطاف پذیری بالا باعث افزایش بازدهی سوخت شده و از لحاظ اقتصادی نیز مقرون به صرفه هستند که در نهایت، زمینه را برای پیشرفت بیشتر فراهم می کنند. کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف (FRP) این الزامات را برآورد می کنند و در تولید تجهیزات ریلی مانند قاب های بوژی، مواد کف ریل، اسلیپرها، سوئیچ ها، تقاطع ها و سایر قطعات داخلی استفاده می شوند. این کامپوزیت ها به دلیل با دوام بودن، سفتی بالا و مقاومت در برابر خوردگی جایگزین خوبی برای اجزای فلزی موجود محسوب می شوند. این مقاله به بررسی نقش و کاربرد کامپوزیت پلیمری در صنعت حمل و نقل ریلی پرداخته و کارهای تحقیقاتی گذشته در این زمینه را با کامپوزیت های FRP مقایسه می کند. همچنین، علاوه بر اینکه به محققان در غلبه بر چالش های پیش رو در این صنعت کمک خواهد کرد؛ زمینه را برای رسیدن به پیشرفت های جدید هموار می کند.

مواد کامپوزیتی را می توان بعنوان مواد ترکیبی یا کامپوزیت نام برد که ترکیبی از دو یا چند ماده با خواص مشابه یا غیر مشابه در سطح ماکروسکوپی است. کامپوزیت ها در اصل از دو فاز تشکیل شده اند؛ فاز تقویتی و فاز ماتریس. با اینکه فاز تقویتی خواص مکانیکی و عملکرد کلی سیستم های رزین را افزایش می دهد، اما فاز ماتریس ماهیت چسبندگی بین دو یا چند الیاف را نشان داده و همچنین بعنوان یک واسطه برای انتقال بار بین آنها نیز عمل می کند. کامپوزیت ها باتوجه به مواد ماتریس به کامپوزیت های فلزی، پلیمری و سرامیکی طبقه بندی می شوند. کامپوزیت های FRP در دستۀ کامپوزیت های ماتریس پلیمری هستند که از خواص بالقوه ای برخوردار هستند. افزودن دو یا چند تقویت کننده در یک ماتریس واحد (هیبریداسیون) خواص مکانیکی و عملکرد کلی کامپوزیت حاصل شده را بهبود می بخشد. مواد کامپوزیت هیبریدی در بسیاری از کاربردهای مهندسی به دلیل خواصی همچون سبک وزن بودن، هزینه کم، سهولت در توسعه ساختاری، استحکام بالا و نسبت استحکام-وزن استفاده می شود. هدف از بکارگیری کامپوزیت های FRP ارائه راهکارهای هوشمند و مبتکرانه برای صنایع زیرساخت و خودروسازی به منظور غلبه بر مشکلات روزافزون است. ترکیب الیاف ساختاری با سختی و استحکام بالا همراه با پلیمرهای کم هزینه، مقاوم در برابر شرایط محیطی و سبک وزن در مقایسه با اجزای تشکیل دهنده آنها از دوام و خواص مکانیکی بهتری برخوردار است. در این نوع کامپوزیت ها از الیاف پیوسته یا ناپیوسته بعنوان تقویت کننده و همچنین از ماتریس های ترموپلاستیک یا ترموست نیز بعنوان ماده اتصال دهنده استفاده می شود. اولین کامپوزیت ساخته شده از FRP مورد استفاده در صنایع پتروشیمی در طی جنگ جهانی دوم یافت شد. استفاده از مواد دارای استحکام بالا مانند شیشه، بور و الیاف کربن در صنایع مختلف طی سال های 1970-1960 به دلیل چگالی کم، استحکام و سفتی بالا وارد چرخۀ تجاری شد.

در سال های اخیر این مواد مورد توجه صنایع مختلف مانند خودروسازی، هوافضا، حمل و نقل ریلی و ساختمان سازی قرار گرفتند. علاوه براین، کامپوزیت های FRP از مقاومت بالا، شکل پذیری خوب، استحکام بالا و مدول خاص برخوردار هستند که می توان آنها را جایگزین سبک و بالقوه ای برای بتن و دیگر مواد فلزی سنتی دانست. این کامپوزیت ها سرعت تولید قطعات را ارتقاء داده و با کاهش هزینه پردازش باعث بهرۀ اقتصادی می شوند. از طرفی، استفاده از کامپوزیت های FRP به تقاضای صنایع برای مواد مقاوم در برابر خوردگی پاسخ می دهد. از لحاظ اقتصادی، این کامپوزیت ها با کاهش مصرف سوخت به کاهش گازهای گلخانه ای نیز کمک می کنند. در حال حاضر، بازیافت کامپوزیت های FRP به یک چالش بزرگ در صنعت کامپوزیت و مواد تجدیدپذیر تبدیل شده است. این امر تولید ضایعات FRP را به دنبال خواهد داشت. این ضایعات از ارزش اقتصادی بالایی در بازیافت انرژی برخوردار هستند. بازیافت FRP با به حداقل رساندن هزینه کلی پردازش در طول فرایند سنتز پلیمرها مزایای مهمی برای صنعت کامپوزیت به همراه دارد. بازیافت آنها از طریق یک فرایند حرارتی به نام پیرولیز انجام می شود که کیفیت بازیافت را افزایش داده و همچنین صرفه جویی در انرژی و هزینه ها را به دنبال دارد. علیرغم چالش های موجود برای استفاده از کامپوزیت های FRP، به علت استحکام شان در کاربردهای سازه ای در مقیاس بزرگ کاربرد چندانی ندارند. وزن سبک و انعطاف پذیری این کامپوزیت ها نقش مهمی در صنعت حمل و نقل ریلی با هدف طراحی ساختارهای ساده و پیچیده به منظور کاهش مقاومت هوا، فشار و نیروی کششی در حین عبور وسیله نقلیه ریلی از میان تونل ها ایفا می کند. نیاز به فناوری های پیشرفته در این صنعت باعث افزایش 35 درصدی وزن کلی قطعات و محدودیت های ایمنی شده است. استفاده از تجهیزات AC در وسایل نقلیه ریلی آنها را سنگین تر کرده و انرژی بیشتری نیز برای حمل و نقل مصرف می شود. علاوه براین، محفظه های این وسایل نقلیه برای مدیریت تنش های بیشتر بایستی سفت تر و مقاوم تر باشند. با این حال، تمام این موارد با افزایش مصرف انرژی، انتشار دی اکسید کربن، افزایش هزینه تولید و فرسودگی بالای مسیر شرایط اقتصادی را به طور مستقیم و غیرمستقیم تحت تأثیر قرار می دهند. در سال ها و دهه های گذشته، محققان تلاش کردند تا از کامپوزیت های FRP برای کاربردهای مختلف در صنعت ریلی استفاده کنند. گو و همکاران کامپوزیت های شیشه - اپوکسی را برای ساخت قاب بوژی در وسایل حمل و نقل ریلی پیشنهاد دادند و یکپارچگی ساختاری این کامپوزیت ها را نیزارزیابی کردند. نتایج حاصل از این بررسی ها نشان می دهد که این کامپوزیت ها یکپارچگی سازه را کمتر تحت تأثیر قرار دادند.

در این مقاله به بررسی استفاده از کامپوزیت های پلیمری FRP در صنعت حمل و نقل ریلی به منظور تولید قطعات مختلف پرداخته شده است. این کامپوزیت ها در مقایسه با مواد فولادی از مزایای بسیاری من جمله سبک بودن، مصرف انرژی کمتر، دوام بیشتر، سفتی بالا برخوردار هستند. با این حال، استحکام بالای آنها در صورتی حاصل می شود که جهت الیاف موازی با جهت بارگذاری تحمیلی باشد. در بخش ریلی، استفاده از FRP ها راندمان سوخت را بهبود می بخشد؛ وزن کلی سازه را کاهش داده و حتی خواص آیرودینامیکی وسیلۀ نقلیۀ ریلی را نیز تغییر می دهد. با بهبود مقاومت آیرودینامیکی می توان بر قطارهای پرسرعت غلبه کرد و این کار فقط با توسعه یک پروفیل دماغۀ ساده با استفاده از کامپوزیت های FRP امکان پذیر است. این کامپوزیت ها جایگزین مناسبی برای اسلیپرهای چوبی سنتی هستند زیرا مواد چوبی به راحتی در محیط زیست تجزیه می شوند. اسلیپرهای راه آهن ساخته شده از کامپوزیت FRP دارای حداقل هزینه نگهداری و طول عمر طولانی هستند. کامپوزیت الیاف شیشه / اپوکسی معمولآ در ساخت تجهیزات ریلی مانند واگن ها، اسلیپرها، قاب های بوژی، سوئیچ ها و سایر قطعات داخلی کاربرد دارد. علاوه براین، کامپوزیت FRP می تواند جایگزین فولاد با خوردگی بالا و مواد آلیاژی در صنعت ریلی شود. در کل، به تحقیقات بیشتری برای افزایش کاربرد این کامپوزیت ها در حمل و نقل ریلی نیاز است.