12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
لماذا تُعد معرفة التباين الخواص أمرًا بالغ الأهمية عند تصميم الأجزاء المركبة عالية الأداء
المواد المركبة المقواة بالألياف، التي تجمع بين خصائص الألياف ومصفوفة البوليمر، موجودة منذ عقود. وتوجد طرق مختلفة لدمج الألياف في مصفوفة اللدائن الحرارية - ألياف موجهة عشوائيًا أو ألياف مستمرة أحادية الاتجاه أو نسيج متعدد الاتجاهات. يلعب اتجاه الألياف المضافة دورًا مهمًا عندما يتعلق الأمر بخصائص الأجزاء. تعرّف على سبب تفضيل السلوك متباين الخواص للمركب وكيفية قياسه باستخدام TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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 وكثافتها أقل بكثير من الأجزاء المعدنية. وهذا ما 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. من المزايا الأخرى التي تجعل مركّبات مصفوفة الألياف مثيرة للاهتمام للغاية بالنسبة لصناعة السيارات هي مقاومتها للتآكل.
تتميز مركبات مصفوفة اللدائن الحرارية المعززة بالألياف الزجاجية بكثافة أعلى ومعامل أقل من المركبات المعززة بألياف الكربون ولكنها تأتي بتكلفة أقل بكثير، وهو عامل مهم لصناعة السيارات. تُستخدم مادة البولي بروبلين (PP) الأنيقة ولكن أيضًا مع تعزيز الألياف القصيرة والمستمرة على نطاق واسع في قطع غيار السيارات نظرًا لخصائصها الميكانيكية المتميزة وقابليتها للتشكيل وانخفاض تكلفتها. وتتمثل التطبيقات، على سبيل المثال، في العلب والصواني والمصدات وبطانات الرفارف والكسوة الداخلية وألواح الأدوات وحواف الأبواب. وتتمثل الخصائص الإيجابية الأخرى ل PP في المقاومة الكيميائية العالية، 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 القوة والصلابة مقارنة بالبوليمر الأنيق إلى حد ما، فإن إضافة الألياف الموجهة في اتجاه تفضيلي يزيد بشكل كبير من الأداء في اتجاه هذا الجزء. 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 عليها. إن معرفة هذا السلوك المتباين الخواص مطلوب لتصميم وإنتاج هذه المكونات المركبة. على الرغم من أن تباين الخواص الميكانيكية هو أول ما يشغل بال الجميع، إلا أن سلوك تمدد المادة يختلف أيضًا اعتمادًا على اتجاه الألياف.
عندما يتم التغاضي عن تباين الخواص في المادة أو عدم معرفتها، يمكن أن يسبب ذلك مشاكل كبيرة في المنتج النهائي. على سبيل المثال، يمكن أن تنثني الأسطح المستوية، أو الأسوأ من ذلك، يمكن أن تتشكل شقوق أو تنكسر.
التحليل الميكانيكي الحراري - طريقة لتحديد تباين الخواص في المركبات
باستخدام طريقة التحليل الميكانيكي الحراري (TMA)، يمكن تحديد التغيرات في الأبعاد، وبالتالي يمكن تحديد التغيرات في الأبعاد، وبالتالي 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 إعداد عينات في Neue Materialien Bayreuth. تم تكديس ثلاث طبقات من شريط PP-GF UD فوق بعضها البعض وتوحيدها 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 في مكبس ساخن بدرجة حرارة قالب 80 درجة مئوية. وهناك، تم تطبيق ضغط 10 بار لمدة 5 دقائق أثناء التصلب. السماكة الناتجة هي 1 مم. في حين أن الشريط يحتوي على متوسط محتوى حجم الألياف بنسبة 45 فولت، تم قياس الاختلافات المحلية في اللوحة بين 40-50 فولت، أي ما بين 40-50 فولت، GF.
بالنسبة لقياسات TMA في شركة NETZSCH للتحليل والاختبار، تم قطع عينات مقاس 25 × 5 مم من الصفيحة في اتجاهين مختلفين: 0 درجة في اتجاه الألياف و90 درجة في اتجاه الألياف.
تم قياس العينات بجهاز TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition الجديد. بعد خطوة تبريد أولية، تمت زيادة درجة الحرارة من -70 إلى 140 درجة مئوية بمعدل تسخين 5 كلفن/دقيقة. تم حساب معامل التمدد الحراري باستخدام متوسط تحليل معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE (m. معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE)، الذي يحسب الميل بين نقطتي بيانات. تم تلخيص جميع ظروف القياس في الجدول التالي:
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...300 درجة مئوية بمعدل تسخين 5 كلفن/دقيقة |
مثال: تباين الخواص في PP-GF-UD
تُظهر هذه المادة CTEs مختلفة اعتمادًا على اتجاه قياس المادة. إن معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE/CTE)يصف معامل التمدد الحراري الخطي (CLTE) التغير في طول المادة كدالة لدرجة الحرارة.CTE لهذه الأنواع من المركبات عبارة عن خليط بين المصفوفة والألياف الموجودة فيها. ولذلك، تختلف 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 CTE لـ CTE لـ PP-GF في اتجاهين مختلفين للألياف في الرسم البياني أدناه. يصور المنحنى الأحمر القياس في اتجاه الألياف 0 درجة. تقع قيمة CTE المنخفضة في نطاق 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 CTE أعلى بكثير ويظهر الانتقال الزجاجي المعروف (Tg) للبولي بروبيلين عند -7 درجة مئوية، ولا يمكن ملاحظته في المنحنى الأحمر.
في المصفوفة، يتبع الاتجاه المهيمن لـ CTE للمركب قاعدة الخليط:
حيث α هو معامل التمدد الحراري الخطي (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 ومعامل التمدد الحراري الخطي لمصفوفة البولي بروبلين αm= 1.6×10-4K-1 (غير مقيس هنا)، يتم حساب جزء حجم الألياف الزجاجية في المركب المقاس على النحو التالي
أظهرت الدراسة أهمية تحليل معامل التمدد الحراري للمواد المركبة عالية الأداء بناءً على اتجاه الألياف.
إذا كنت مهتمًا بمعرفة المزيد عن التحليل الميكانيكي الحراري ومجالات تطبيقه، تفضل بزيارة www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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.
