در جلسۀ دهم از سلسله جلسات مکالامپ، ابتدا مقدمه‌ای دربارۀ اهمیت و تاریخچ‍‍ۀ پیدایش سازه‌های ساندویچی گفته شد و ویژگی‌های سازه‌های پیشرفته معرفی شدند. در ادامه به معرفی و بررسی ویژگی‌های سازه‌های ساندویچی و کاربردهای آنها پرداخته شد و انواع هسته‌ها و رویه‌های رایج در ساخت سازه‌های ساندویچی مورد بررسی قرار گرفتند. در انتها نیز برخی پروژه‌های در حال انجام در آزمایشگاه مواد مرکب دانشکده معرفی شدند.
سازه‌ها، از گذشته تا آینده:
از زمان پا گذاشتن انسان به زمین بشر همواره در تکاپو برای شناخت مواد و سازه بوده است. بعد از گذر از دوران ابتدایی استفاده از سنگ، چوب و پوست حیوانات انسان با فلز آشنا شد که واژه‌هایی نظیر عصر برنز، عصر آهن و عصر فولاد خود گویای اهمیت فلز برای انسان است.
فلزات استحکام قابل قبول دارند، به وفور در طبیعت یافت می‌شوند، شکل پذیرند، انواع مختلف دارند و استفاده از آنها آسان است.
تا قبل از پا نهادن انسان به فضا و قبل از توسعۀ صنایع هوایی ویژگی‌های فلزات کاملا برآورده کنندۀ نیاز بشر بود، اما برای توسعۀ صنایع هوایی نیاز به موادی با جرم کم و استحکام بالا احساس شد که این شروعی بر عصر جدید حیات انسان بود؛ عصر سازه‌های پیشرفته!
به‌طور کلی به سازه‌هایی که برخلاف سازه‌های سنتیِ شناخته شده از سنگ و فلز، دارای چند بخش متفاوت و خواص منحصربه‌فرد بوده و بسته به کاربرد به صورت بهینه طراحی می‌شوند، سازه‌های پیشرفته می‌گویند.
به‌طور کلی سازه‌های پیشرفته در پنج گروه طبقه‌بندی می‌شوند؛ فوم‌ها و مواد متخلخل، سازه‌های سلولار که از سلول‌های تکراری تشکیل شده‌اند، پیزوالکتریک‌ها که به واسطۀ فشار مکانیکی الکتریسیته تولید می‌کنند، آلیاژهای حافظه‌دار که در اثر اعمال بار حرارتی به شکل اولیه برمی‌گردند و نهایتاً کامپوزیت‌ها که در این نوشتار با آنها سروکار داریم.
به صورت کلی، به هر سازه‌ای که در ساخت آن از دو یا چند مادۀ پایه‌ای مختلف استفاده شده باشد، کامپوزیت و یا اصطلاحاً مادۀ مرکب می‌گویند.
کامپوزیت‌ها به انواع زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:
1- کامپوزیت‌های ذره‌ای شامل یک بستر زمینه‌ای (ماتریکس) و یک سری ذرات هستند. از موضوعات این مورد می‌توان به استفاده از نانوذرات در کامپوزیت‌های ذره‌ای اشاره کرد.
2- کامپوزیت‌های تقویت‌شده با الیاف شامل ماتریکس و الیاف‌هایی از جنس کربنی، شیشه ای یا کئولار هستند.
3- کامپوزیت‌های چندلایه از چندلایه روی هم با جنس‌های متفاوت مانند فلز،کامپوزیت و... تشکیل شده‌اند.
4- کامپوزیت‌های ساندویچی عمدتاً از سه لایه تشکیل شده‌اند که لایه وسط را هسته می‌نامند و لایه‌های رویه‌ای در دو طرف هسته قرار گرفته‌اند. معمولاً رویه‌ها توسط لایه‌هایی از چسب‌های به جنس بوکسیت به هسته متصل می‌شوند.
اولین استفاده از سازه‌های ساندویچی به جنگ جهانی دوم برمی‌گردد؛ زمانی که در بال هواپیمای انگلیسی BT-15 استفاده شدند و پس از مشاهدۀ عملکرد مثبت آنها مطالعه و تحقیق در مورد این سازه‌ها به‌طور جدی آغاز شد.
سازه‌های کامپوزیتی به دلیل نسبت استحکام و سفتی به وزن بسیار بالا نسبت به فلزات، خواص انعطاف پذیر و قابل کنترل به سرعت تبدیل به ماده ای پرکاربرد در صنعت شدند.
نقش هر بخش در سازه‌های ساندویچی:
به‌طور کلی هسته وظیفه ایجاد ضخامت در عین اضافه کردن وزن کم را به عهده دارد که باعث افزایش قابل توجه مقاومت خمشی می‌شود. همچنین رویه‌ها در حالت کلی نقش تحمل بارهای خارجی را به عهده دارند.
کاربردهای سازه‌های ساندویچی:
به‌طورکلی ایدۀ اصلی استفاده از کامپوزیت‌ها، به‌منظور استفاده از آنها در صنایع فضایی و هواپیمایی بود و به همین دلیل پنل‌های خورشیدی، پایه‌های آنتن و بدنۀ اصلی ماهواره از این جنس هستند. همچنین درصنایع هوایی عمدتاً نوک بال‌ها، بدنۀ موتور و ارابه‌های فرود از جنس سازه‌های ساندویچی ساخته می‌شوند.
از سال 2008 استفاده از این سازه‌ها در ساخت توربین‌های بادی مطرح شد. در توربین‌ها قطر پره‌های توربین،توان تولیدی آن را تعیین می‌کند. افرایش جرم ناشی از افزایش قطر پره‌ها باعث ایجاد محدودیت‌هایی در ساخت توربین های بادی می‌شود که سازه‌های ساندویچی این مشکل را حل می‌کند. این سازه‌ها در صنعت خودروسازی هم به طور محدودتر کاربرد دارند.
انواع هسته‌های مورد استفاده در سازه‌های ساندویچی
-هسته‌های فومی:
سبک‌ترین، ارزانترین، کم استحکام‌ترین و رایج‌ترین نوع هسته هستند. در ساختمان‌های پیش ساخته، دیوارها و تجهیزات عایق استفاده می‌شوند. یکی از جدید‌ترین نوع از هسته‌های فومی، فوم‌های فلزی هستند که دارای خواص ویژه و استثنایی شامل قدرت و سختی بالا، چگالی بسیار پایین، توانایی جذب بالای انرژی و تحمل فشار در جهات مختلف هستند.
-هسته‌های خرپایی:
در سال‌های اخیر مورد توجه قرارگرفته‌اند و از موضوعات داغ فضاهای آکادمیک به حساب می‌آیند. هسته‌های خرپایی استحکام بیشتری نسبت به هسته‌های سلولار و فومی دارند، سنگین‌تر هستند و عموماً در سازه‌های عمرانی استفاده می‌شوند.
-هسته‌های شبکه‌ای:
سازه‌های ساندویچی‌ای با فاصلۀ رویه های زیاد که رویه‌ها توسط تیرهای عمودی به هم متصل شده‌اند، عمدتاً در صنایع کشتی‌سازی و زیردریایی به کار می‌روند و باعث افزایش قابل توجه مقاومت خمشی می‌شوند.
-هسته‌های سلولار:
از تعداد زیادی سلول شبیه به هم تشکیل شده‌اند که این موضوع سبب به‌وجود آمدن ترکیب بهینه‌ای از استحکام و وزن پایین و باعث افزایش زیاد مقاومت خمشی می‌شوند. هسته‌های سلولار در صنایع هوافضا پر استفاده‌اند و در صنعت به‌وفور یافت می‌شوند.
هسته‌های آگزتیک یا متامتریال:
نوعی از هسته‌های سلولار هستند که در طبیعت وجود ندارند و ساخته دست بشر هستند. هسته‌های آگزتیک برخلاف تقریباً همۀ مواد موجود درطبیعت دارای ضریب پواسون منفی هستند. ضریب پواسون با نسبت تحت کشش قرارگرفتن ماده با عرض مرتبط است، برای مثال اگر وقتی جسمی را از دو طرف بکشیم عرض جسم کم شود جسم دارای ضریب پواسون مثبت است.
ضریب پواسون منفی باعث ایجاد خواص منحصر به فردی در سازه‌های آگزتیک مانند جذب انرژی بالا، مقاومت به ضربۀ بالا، مقاومت برشی بالاتر و رفتار سینکلاستیکی می شود.
از انواع رویه‌های مورد استفاده در سازه‌های ساندویچی می‌توان به رویه‌های فلزی، رویه‌های کامپوزیتی، رویه کامپوزیت لایه‌ای، رویه نانوکامپوزیتی، رویه پیزوالکتریک و رویه مدرج تابعی FGM اشاره کرد.
معيار اصلی برای انتخاب مواد اوليه رویه مدول يانگ، استحكام فشاري و كششي، قابليت اتصال، چسبندگی و گاهی مقاومت محيطی و مقاومت به ضربه است. رویه‌های فلزی همانند ورق‌های استيل، آلومينيوم و يا تيتانيوم، با اينكه استحكام و سختی بالا و مقاومت به ضربه را تأمين می‌كند اما از طرف ديگر دارای چگالی بالا و شكل‌پذيری سخت می‌باشند.
رویه‌های کامپوزیتی الهام گرفته از طبیعت:
گاهی به‌جای ایجاد ساختارهای جدید از ریزساختارهای موجود در طبیعت مانند ساختار عاج فیل، ساختار سلسله مراتبی تاندون اسب، تنۀ درخت یا ساختارهای مارپیچ بهره می‌گیریم. تفاوت قابل توجه بین خواص مكانیكی ساختارهای طبیعی و مواد تشكیل دهندۀ آنها سبب شده است تا محققان و مهندسان توجه ویژه‌ای به این ساختارها و الگوی قرارگیری مواد تشكیل دهندۀ آنها داشته باشند.
در آزمایشگاه مواد مرکب دانشکده (طبقه دوم دانشکده اتاق ۲۱۴، به سرپرستی دکتر احمدیان) پروژه‌هایی نظیر بررسی انواع تحلیل‌های مکانیکی بر روی ساختارهای ساندویچی با هسته‌های متخلخل و آگزتیکی و رویه‌های کامپوزیتی تقویت شده با نانوذرات و کامپوزیت‌های الهام-زیستی وجود دارد که می‌توانید از آنها بازدید کنید.
هادی تیغ‌سازان-ورودی ۱۴۰۲ مکانیک
