الخصائص الميكانيكية للمواد المتراكبة البوليميرية

أ.م. وسن كامل حسن
كلية التربية للعلوم الصرفة

 مع العديد من التطورات التي تحققت في فهم سلوك المواد المركبة، فإن العديد من المواد المركبة المصنوعة من البوليمر المقوى بالألياف تجد استخداماً متزايدًا على مدى واسع من التطبيقات الهندسية عالية التقنية. إن تعدد انواع المواد المتراكبة، بالإضافة إلى خصائصها العالية كالصلابة والوزن والقوة ومقاومة التعب، ومقاومة التآكل وتكاليف التصنيع المنخفضة تجعلها مفيدة بدرجة عالية عند مقارنتها بالمعادن التقليدية للاستخدام في كثير من المكونات التركيبية البحرية والفضائية والسيارات.
بالإمكان تحميل معدل إجهاد عال في العديد من التطبيقات, إذ تجد مركبات البوليمر المقواة بالألياف رشحت للاستخدام لهذا النوع من التطبيقات, ولطالما كان من دواعي القلق أن الخصائص الميكانيكية للمواد المركبة قد تكون رديئة عند معدلات الإجهاد العالية. ومن ثم فإن دراسة كيفية تغير الخواص الميكانيكية لهذه المركبات مع معدل الإجهاد يكون مضمونًا لتكون قادرة على تصميم تراكيب لا تفشل قبل الأوان, وبشكل غير متوقع في معدلات التحميل العالية. إن تحديد الخصائص الميكانيكية الديناميكية لهذه المركبات سيضمن أيضًا تصميم المواد المركبة التي تتسم بكفاءة الوزن, وتكون سليمة من الناحية الهيكلية عندما تتعرض لأحمال ديناميكية عالية. وللسبب أعلاه توصف الحاجة إلى التوصيف الديناميكي للمواد المركبة المصنوعة من البوليمر المقوى بالألياف لفهم تأثيرات معدل الإجهاد على خواصها الميكانيكية.
إن المركب هو مادة تتكون من مادتين أو أكثر, وهي مواد متميزة (أي عيانية وليست مجهرية) ومن المركبات المألوفة هي الخرسانة التي تتكون أساسًا من الرمل والاسمنت. أما مركبات البوليمر فهي عبارة عن مواد بلاستيكية بداخلها الألياف أو الجسيمات المدمجة والبلاستيك المعروف يعتبر مادة أساسية والألياف أو الجسيمات المشتتة داخلها، وتُعرف باسم مادة التعزيز أو التقوية, والتعزيز عادة يكون أكثر صلابة من المادة الأساس، وبالتالي تقوية المادة المركبة يكون عادة ما يتم وضع هذا التعزيز الأكثر صلابة في اتجاه معين داخل المادة الأساس، بحيث تكون المادة الناتجة لها خصائص مختلفة في اتجاهات مختلفة, وهذا عادة ما يتم استغلاله لتحسين تصميم المصفوفة الناتجة (المادة الأساس) هناك عدد كبير من فئات البوليمر التي يمكن استخدامها في تصنيع المواد المركبة, و يختار نوع البوليمر تبعاً للعديد من الأمور, بما في ذلك التطبيق والتكلفة ونوع الألياف وطريقة التصنيع والعرض… الخ. ومن الراتنجات المتوفرة تشمل بولي استر, فينيل استر, ايبوكسي, بولي اميد, الفينول والنايلون, أما الانواع الرئيسية لتقوية الألياف فهي زجاج وكاربون وبورون,
إذ تتأثر خصائص المتراكب بشكل كبير باتجاه وطبيعة تلك الألياف (1).

المركبات البوليمريه :

“هي مواد تستخدم راتينج البوليمر كمادة أساس مع شكل من الأشكال الألياف المضمنة في المصفوفة كتعزيز, وعلى حد سواء يمكن استخدام البوليمرات المطاوعة للحرارة والبلاستيك الحراري في
مادة المصفوفة بشكل مشترك وتتضمن مواد مصفوفة البوليمر المتصلدة بالحرارة الأنواع الآتية :-
بولي استر, فينيل استر, ايبوكسي. أما من مواد مصفوفة اللدائن المطاوعة للحرارة البوليمريه المركبة فهو البولي ستايرين وتشمل المواد المقوية (التعزيزات) الزجاج, كربون وألياف الأراميد(1).”

الخصائص

” إن المادة الأساس تحمي الألياف الصلبة القوية والمادة المتراكبة تحسن خصائص كل من المادة الأساس
أو الألياف كلاً على انفراد. والدافع الرئيسي وراء تطوير المواد المتراكبة هو لإنتاج مواد ذات خصائص ميكانيكية محسنة غير موجودة في كل من مكوناتها على انفراد, ومن هذه الخصائص:”

المقاومة للتآكل

“عند تصميم مركبات بوليمريه ذات مقاومة تآكل ممتاز إلى حد ما يجب الأخذ بنظر الاعتبار اختيار نظام راتنجي مناسب عند التصميم نسبة الى البيئة الكيميائية الموجودة فيه, بالإضافة الى ذلك يجب الانتباه إلى ضمان تحقيق الاداء الأمثل للمتراكب .
ومقاومة التآكل الجيدة ليست فقط تتحقق عن طريق الاختيار الأمثل للراتنج بل تحتاج الى اختيار عملية تصنيع وتركيب مثلى(2) .
“
التوصيل الحراري
“إن الموصلية الحرارية للمركبات البوليمريه ضرورية للحصول على التدفق الحراري المنتشر داخل المادة وخصائص التوصيل الحراري مستقلة الاتجاه (تكون باتجاه الألياف المنتشرة داخل المادة) ويمكن تحديدها عن طريق معامل التمدد الحراري للمادة (2).
“
التوصيل الكهربائي
” معظم المتراكبات غير جيدة التوصيل للكهربائية, ومن الممكن الحصول على درجة من التوصيل الكهربائي عن طريق إضافة المعادن أو جزيئات الكربون أو الألياف الموصلة من خلال الدمج بين المادة الأساس ومادة التقوية للحصول على مادة موصلة كهرومغناطيسيا (3).”

صلابة نوعية
“يمكن تعريف الصلابة النوعية بأنها ناتجة من قسمة الصلابة على كثافة المادة, كما يمكن تعريف المقاومة النوعية على أنها مقاومة المادة مقسومة على كثافتها. والمتراكبات التي تمتلك مكونات تركيبية عالية الأداء تتمتع بخصائص نوعية جيدة (2).
”
الاستطالة
“الاستطالة المطلقة هي أقصى استطالة يمكن أن يعاني منها البوليمر قبل أن يخضع للانقسام أو الكسر, أما
الاستطالة المرنة فهي النسبة المئوية للاستطالة التي يمكن للمادة أن تصل اليها دون حدوث تشويه دائم للبوليمر ويعود إلى طوله الأصلي بمجرد ازالة الضغط المسلط عليه ومن أمثلتها المطاط الصناعي بالإضافة الى العديد من اللدائن القادرة على التمدد لمسافة طويلة, ومن ثم ترتد الى موضعها الأصلي, إذ يمكن أن تستطيل من 500 إلى 1000٪ والعودة إلى أطوالهم الأصلية دون حدوث أي تشوه (4).
“
تأثير الإضافات
عوامل الرغوة
“هي مواد كيميائية تضاف إلى البوليمرات أثناء المعالجة لتشكيل خلايا دقيقة في جميع أنحاء الراتنج الرغوي ومن مميزاتها ظهور البلاستيك بكثافة أقل، ويقلل من تكاليف المواد ، ويحسن العزل الكهربائي والحراري بالاضافة الى زيادة نسبة القوة إلى الوزن وتقليل الانكماش(3).
“
الملدنات
“يتم إضافتها إلى المركبات لكونها تحسن على مدى واسع من الخصائص الفيزيائية والخصائص الميكانيكية كما تزيد عامل الانزلاق أي تعمل كمزيت للسطح, وهذا يؤدي إلى انخفاض معامل الاحتكاك على الأسطح الخارجية ويزيد من قابلية تحررها من الأجزاء الأخرى(4) .”
مثبتات الحرارة
“يتم استخدامها في أنظمة اللدائن الحرارية لتثبيط البوليمر عن التحلل الناتج من التعرض للحرارة ومن امثلتها مثبتات الاشعة فوق البنفسجية التي تستخدم بشكل خاص مع كل من المتراكبات المطاوعة للحرارية والمتصلدة بالحرارة حيث تضاف هذه المواد لمنع فقدان اللمعان ،وتغير اللون والتغيرات في الخصائص الكهربائية والتقصف والتفكك بسبب الأشعة فوق البنفسجية, حيث تقوم هذه المضافات بحماية المتراكبات عن طريق امتصاص الأشعة فوق البنفسجية والمواد التي تحمي البوليمر بهذه الطريقة تعرف باسم مثبتات الأشعة فوق البنفسجية (3).”
مقاومة الاحتراق
” يتم تحسين مقاومة الاحتراق عن طريق الاختيار الصحيح للراتنج ،مع استخدام مواد مالئة أو إضافات مثبطة للهب, ان المواد المدرجة في هذه الفئة هي التي تحتوي على ثالث أكسيد الأنتيمون، البروم ،
الكلور والبورات والفوسفور (3).”
السلوك الاسترطابي
” عند غمر المواد المركبة بسائل لفترة من الوقت ستصبح في النهاية المادة مشبعة بالسائل ,وهذا يؤدي الى تكوين ملدن رطب ممتص وحدوث انتفاخ للمادة الاساس ويقلل من الخصائص الميكانيكية ودرجة حرارة الانتقال الزجاجي للمتراكب بالإضافة الى درجة حرارة الاستخدام القصوى, ومع الوقت فان الرطوبة والخواص والفيزيائية والكيميائية والحرارية والميكانيكية للمتراكب سوف تتأثر بشده بما يسمى بالتعتيق المائي الحراري .
حيث يخترق الماء المركب عبر الشقوق والفراغات في المادة الاساس وينتشر خلالها مما يحدث تلدين معكوس وسوف تنتشر الرطوبة في المصفوفة مسببة انتفاخ وتلدين. وهذا قد ينتج عنه تحلل كيميائي أو
ضغط للانتفاخ التي يمكن أن يؤدي إلى تكسر المادة الاساس أو إزالة الألياف منها .
إن فقدان خصائص الألياف الزجاجية عن طريق اختراق جزيئات الماء عبر الشقوق الصغيرة على السطح يؤدي الى تقليل خصائصه الميكانيكية .كما وتميل بوليمرات اللدائن الحرارية إلى امتصاص كمية أقل من الماء بشكل ملحوظ عن المواد المتصلدة بالحرارة ، وعلى هذا النحو فإن تأثير التعتيق الحراري المائي على اللدائن الحرارية يكون ضئيلاً(4).”
المقاومة الكيميائية
“تم استخدام البلاستيك المقوى بالألياف لسنوات عديدة باعتباره مادة فعالة من حيث التكلفة للحاويات الكيميائية. ومع ذلك اكثر الراتنجات العضوية قابلة للتفاعل مع الماء وعدد من السوائل الاخرى إلى حد معين, يختلف الامتصاص بشكل كبير حسب نوع البوليمر حيث تنحل اللدائن الحرارية تمامًا ،بينما سوف تنتفخ المواد المتصلدة بالحرارة.
يعتمد اختيار المواد على نوع البيئة, ويشيع استخدام إسترات الفينيل ، لأنها أكثر مقاومة للمواد الكيميائية حيث البولي استر لحد الان هو أرخص واسهل صنعا من الايبوكسي ,على الرغم من أن الايبوكسي لديه قابليه أكبر للتفاعل مع المذيبات ومقاومة حرارية اعلى من استرات الفينيل التي تكون أقل تفاعلًا وأكثر تكلفة(4) .”

المصادر:
1- Mikell P. Groover ,2010″ Fundamentals of Modern Manufacturing Materials , Processes , and Systems “4th Edition , Copyright © John Wiley & Sons.
2- Venkatesh B. ,B.Harish, 2015 “Mechanical Properties of Metal Matrix Composites Particles Produced by powder “,International Journal of Engineering Research and General Science Volume 3, Issue 1, January-February.
3-efunda Engineering Fundamentals, 2001 “ Polymer Material Properties ”.
(www.efunda.com).
4- Liyong Tong , Adrian P.Mouritz , Michael K.Bannister, 2002“ 3D Fiber Reinforced Polymer Composites ”, Elsevier Science Ltd , First Edition.