أن الفائدة الرئيسة من استخدام المواد المركبة هو الحصول على خواص مشتركة بين المواد التي تكون المادة المطلوبة (أي الحصول على صفة لا تمتلكها كل من المواد المشاركة ) .
وهنالك أمثلة عديدة للمواد المركبة ابتداء من الدرع المستخدم في الحروب القديمة ونهاية بالتطبيقات الحديثة في إطارات السيارات والأجزاء الكمالية مثل قوارب الصيد ، والأنابيب البلاستيكية والأجزاء البشرية مثل القلب الصناعي .
1-4-1 مبادئ التقوية Principles Reinforcement
من الخواص المهمة التي يبحث عنها مهندس المواد هي الخواص الميكانيكية للمادة بالإضافة إلى الواص الأخرى ، حيث أن مبدأ التقوية يتمثل بالحصول على مادة مركبة ذات الخواص ميكانيكية لا تتوفر في مادة الأساس بتقويتها أنا بأسلوب التقوية بالألياف أوالجسيمات وفي كلا العمليتين فإن الخواص الميكانيكية للمواد المركبة تعتمد على عدة عوامل أهمها :
أ.الخواص النوعية لطور الأساس (Matrix)
والطور الذي يقوم بالتقوية (Reinforcing Phase)
ب.الكسور الحجمية (Volume Fraction)
ج. شكل وحجم وكيفية توزيع واتجاه الطور الذي يقوم بالتقوية .
د. الربط بين الطور الذي يقوم بالتقوية وطور الأساس .
وهنالك مبدأين كما ذكرنا سابقاً
1-1-4-1 أسلوب التقوية بالألياف Principles of Fiber Reinforcement
هنالك كثير من العوامل يجب أن تأخذ بنظر الاعتبار عند تصميم مادة مركبة مقواة بالألياف وأهم هذه العوامل هي :
1- طول وقطر الليف Fiber length and diameter
2- كمية الليف Amount of fiber
3- اتجاه الليف Orientation of fiber
4- خواص الليف كما هو موضح بالجدول (27-1) fiber properties
5- خواص المادة الأساس المراد تقويتها .
6- الربط بين الليف والمادة الأساس .
7- كلفة الليف كمل مبين بالجدول (26-1)
الجدول (26-1) كلف أنواع من الألياف
Cost ($/Ib)
باوند/دولار Fiber الليف
320 Boron بورون
100 Sic كاربيد السليكون
30 Al2O3 أوكسيد الألمنيوم
30 Carbon كاربون
20 Aramid (Kevlar) كلفر
3 E-glass Eزجاج -
فمثلاً نلاحظ أن مقاومة الشد للمادة المركبةتزداد مع زيادة طول ليف الزجاج داخل المادة المركبة ذات الأساس من ( الايبوكسي Epoxy ) الشكل (3-1)
الشكل (3-1) يبين العلاقة بين مقاومة الشد وطول الليف
ونلاحظ أيضاً أن العلاقة بين مقاومة الشد واتجاه الألياف بالنسبة إلى الإجهاد المسلط لنفس الألياف في نفس المادة موضحة الشكل (4-1)
الشكل (4-1) يبين العلاقة بين مقاومة الشد واتجاه الألياف بالنسبة للإجهاد المسلط
وهناك خواص مهمة للألياف المستخدمة في تقوية المواد يجب معرفتها موضحة بالجدول (27-1)
الجدول (27-1) يوضح أهم الخواص للالياف المستخدمة في التقوية:
علاقة الإجهاد – الانفعال Stress-Strain Relationship
عند تسليط إجهاد شد على مادة مركبة من طور أرضية يحتوي على ألياف اسطوانية بافتراض أنه لا يحصل انزلاق بين الألياف والمادة الأساس (عند سطح التماس ) فإن الاستطالة تكون نفسها في كل الطورين . الشكل(5-1)
F F
الشكل (5-1) يبين تسليط إجهاد شد على مادة مركبة .
?= (Lf-Lo)/ Lo=?L/Lo الانفعال الهندسي
= Lf-Lo=?L الاستطالة
=Lo الطول الأصلي
=Lf الطول النهائي
بما أن الانفعال متساوي في الليف والمادة الأساس
?l
?Composites =?f =?m =
Lo
=?m انفعال المادة الأساس
=?f انفعال الليف
وإذا افترضنا أن الانفعالات مرنة (Elastic strain) إذا يمكن تطبيق قانون هوك (Hook’s law)
إذا
?= E?
?f=Ef. ?f
?m = Em.?m
Ef= معامل مرونة الليف
=Em معامل مرونة المادة الأساس .
في معظم الحالات التصميمية يكون معامل مرونة الليف أكبر من معامل مرونة بلور الأساس ،لذاعند انفعال معين يكون الإجهاد في الألياف أكبر من إجهاد الأساس .
بالإمكان الآن تلخيص مراحل تشوه مادة مركبة مقواة بألياف مستمرة كما يأتي :
1- المرحلة الأولى – كلا الطورين يتشوهان بشكل مرن .
2- المرحلة الثانية – الليف يتشوه مرن وطور الأساس لدن .
3- المرحلة الثالثة – كلا الطورين يتشوها بشكل لدن .
4- المرحلة الرابعة – تمزق الألياف وفشل المادة المركبة .
الكسور الحجمية Volume Fractions
استناداً إلى افتراض أن خواص المادة المركبة تعتمد على خواص مكوناتها على انفراد وبناء على قاعدة المخاليط (Rule of Mixtures) . إذا تعتمد هذه العلاقة الكسور الحجمية لكل من المواد المشتركة في تركيب المادة المركبة فإن
Ecomp = Efvf+EmVm
? comp = ?fvf +? mvm