مقدمة
المواد المركبة المقواة بالألياف، التي تجمع بين خصائص الألياف ومصفوفة البوليمر، موجودة منذ عقود. وتتميز المواد المركبة ذات المصفوفة الليفية بأنها أكثر صلابة وتتمتع بأداء رائع من حيث القوة إلى الوزن وكثافة أقل بكثير من نظيراتها المعدنية. وهذا يجعلها أخف وزنًا بنسبة تصل إلى 60% من الفولاذ على سبيل المثال؛ وهي خاصية مرغوبة جدًا عندما يتعلق الأمر بمكونات قطاع النقل وخاصةً صناعة السيارات، حيث يكون تقليل الوزن مهمًا لتحسين كفاءة استهلاك الوقود أو تمديد مدى السيارات الكهربائية. ميزة أخرى لمركبات مصفوفة الألياف التي تجعلها ذات أهمية كبيرة في صناعة السيارات هي مقاومتها للتآكل. تتمتع مركبات المصفوفة البلاستيك الحراري المعززة بالألياف الزجاجية بكثافة أعلى ومعامل أقل من المركبات المعززة بألياف الكربون ولكنها تأتي بتكلفة أقل بكثير، وهو عامل مهم لصناعة السيارات. يُستخدم البولي بروبيلين (PP) كمادة نظيفة، ولكن أيضًا مع تعزيز الألياف القصيرة والمستمرة على نطاق واسع في قطع غيار السيارات نظرًا لخصائصه الميكانيكية المتميزة وقابليته للتشكيل وانخفاض تكلفته. وتشمل الاستخدامات الصناديق والمقصورات، والمصدات، وبطانات الرفراف، والكسوة الداخلية، وألواح الأدوات، وحواف الأبواب. ومن الخصائص الإيجابية الأخرى للبولي بروبيلين بولي بروبيلين المقاومة العالية للمواد الكيميائية، والقدرة الجيدة على مقاومة العوامل الجوية، وقابلية المعالجة والتوازن بين الصدمات والصلابة، وهو ما يفسر سبب كونه أحد أكثر البوليمرات استخدامًا في السوق.
مركبات شبه متباينة الخواص ومتباينة الخواص
هناك طرق مختلفة لدمج الألياف في مصفوفة اللدائن الحرارية - ألياف موجهة عشوائيًا أو ألياف مستمرة أحادية الاتجاه أو نسيج متعدد الاتجاهات؛ انظر الشكل 1. يلعب اتجاه الألياف المضافة دورًا مهمًا عندما يتعلق الأمر بخصائص الأجزاء.
في حين أن الألياف الموجهة عشوائيًا تزيد من قوة وصلابة البوليمر الأنيق إلى حد ما، فإن إضافة الألياف الموجهة في اتجاه تفضيلي يزيد بشكل كبير من الأداء في هذا الاتجاه للجزء. ويعطي هذا الاتجاه التفضيلي خصائص متباينة الخواص للمركب، أي أن الخصائص في اتجاه الألياف تهيمن عليها خصائص الألياف، بينما تكون خصائص المصفوفة أكثر وضوحًا في الاتجاه العمودي. تُعد معرفة هذا السلوك المتباين الخواص شرطًا أساسيًا لتصميم وإنتاج هذه المكونات المركبة. على الرغم من أن تباين الخواص الميكانيكية هو أول ما يفكر فيه الجميع، إلا أن سلوك تمدد المادة يختلف أيضًا اعتمادًا على اتجاه الألياف. عندما يتم التغاضي عن تباين الخواص الميكانيكية للمادة أو عدم معرفتها، يمكن أن يتسبب ذلك في مشاكل كبيرة في المنتج النهائي. على سبيل المثال، يمكن أن تنحني الأسطح المستوية، أو الأسوأ من ذلك، يمكن أن تتشكل شقوق أو كسور.
التحليل الميكانيكي الحراري - طريقة لتحديد تباين الخواص في المركبات
وباستخدام طريقة التحليل الميكانيكي الحراري (TMA)، يمكن تحديد التغيرات في الأبعاد، وبالتالي يمكن تحديد معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE للبوليمرات المقواة بالألياف في اتجاهات المواد المختلفة. بالنسبة لهذه الدراسة، تم تحضير عينات في Neue Materialien Bayreuth. تم تكديس ثلاث طبقات من شريط PP-GF UD فوق بعضها البعض وتم توحيدها مسبقًا في مكبس مزدوج الحزام في ثلاث مناطق تسخين تتراوح درجة حرارتها من 180-190 درجة مئوية. ثم تم تسخين الفراغ مسبقًا في فرن حراري لمدة 10 دقائق ونقله إلى مكبس ساخن بدرجة حرارة قالب 80 درجة مئوية. وهناك، تم تطبيق ضغط 10 بار لمدة 5 دقائق أثناء التصلب. كانت السماكة الناتجة 1 مم. في حين أن متوسط محتوى الألياف في الشريط يبلغ 45% من حجم الألياف، تم قياس الاختلافات المحلية في اللوحة بنسبة تتراوح بين 40-50% من GF. بالنسبة لقياسات TMA في شركة NETZSCH للتحليل والاختبار، تم قطع عينات مقاس 25 × 5 مم من الصفيحة في اتجاهين مختلفين: 0 درجة إلى اتجاه الألياف و90 درجة إلى اتجاه الألياف.
تم قياس العينات بجهاز TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition الجديد (الشكل 2). بعد خطوة تبريد أولية، تمت زيادة درجة الحرارة من -70 درجة مئوية إلى 140 درجة مئوية بمعدل تسخين 5 كلفن/دقيقة. تم حساب معامل التمدد الحراري باستخدام تحليل متوسط معامل التمدد الحراري (m. معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE في برنامج تحليل NETZSCH)، والذي يحسب الميل بين نقطتي بيانات. تم تلخيص جميع ظروف القياس في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| حامل العينة | التمدد، مصنوع من SiO2 |
| حمل العينة | 50 ملي نيوتن |
| الغلاف الجوي | N2 |
| معدل تدفق الغاز | 50 مل/دقيقة |
| نطاق درجة الحرارة | -70 درجة مئوية ... 140 درجة مئوية بمعدل تسخين 5 كلفن/دقيقة |
مثال: تباين الخواص في PP-GF-UD
تُظهر هذه المادة CTEs مختلفة اعتمادًا على اتجاه قياس المادة. وتُعد معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE لهذه الأنواع من المركبات مزيجًا بين المصفوفة والألياف الموجودة فيها. ولهذا السبب يختلف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE لهذه المواد اختلافًا كبيرًا حسب الاتجاه. وتظهر نتائج قياس معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE لمركب PP-GF في اتجاهين مختلفين للألياف في الشكل 3. يصور المنحنى الأحمر القياس في اتجاه الألياف 0 درجة. تقع قيمة معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE المنخفضة في نطاق معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE للزجاج وتوضح أن هذا الاتجاه للقياس يهيمن عليه التمدد الحراري المنخفض للألياف الزجاجية. تهيمن مصفوفة البولي بروبيلين على المادة نفسها التي تم قياسها بزاوية 90 درجة في اتجاه الألياف (المنحنى الأسود). يُظهر معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE أعلى بكثير ويظهر الانتقال الزجاجي المعروف (Tg) للبولي بروبيلين عند -7 درجة مئوية، وهو ما لا يمكن ملاحظته في المنحنى الأحمر.
في المصفوفة، يتبع الاتجاه المهيمن لـ معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE للمركب قاعدة الخليط:
حيث α هو معامل التمدد الحراري الخطي (معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE)، وv هو الكسر الحجمي والمؤشران f وm يدلان على الألياف والمصفوفة على التوالي. بافتراض أن معامل التمدد الحراري الخطي المقيس في اتجاه الألياف بزاوية 0 درجة هو نفسه αf، وأن معامل التمدد الحراري الخطي لمصفوفة البولي بروبلين يتوافق مع αm= 1.6 - 10-4 كلفن-1 (غير مقيس هنا)، يتم حساب جزء حجم الألياف الزجاجية في المركب المقاس على النحو التالي
الملخص
أظهرت الدراسة أهمية تحليل معامل التمدد الحراري للمواد المركبة عالية الأداء بناءً على اتجاه الألياف.
شكر وتقدير
نود أن نشكر شركة Neue Materialien Bayreuth GmbH على توفير العينات.
نبذة عن شركة نيو ماتيريديان بايرويت المحدودة
شركة Neue Materialien Bayreuth GmbH هي شركة أبحاث غير أكاديمية تقوم بتطوير مواد جديدة متنوعة للإنشاءات خفيفة الوزن، من البوليمرات والمواد المركبة المقواة بالألياف إلى المعادن بما في ذلك المعالجة أيضًا. وهي توفر حلولاً موجهة نحو التطبيقات من خلال تحسين المواد المتاحة وعمليات الإنتاج.