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
لذا فإن المواد المركبة المقواة بألياف بسيطة الشكل وذات المقطع العريض المنتظم فإن الكسر الحجمي الكلي الذي تحتله الألياق معروف ويمكن حسابه ، ويكون الكسر الحجمي لطور الأساس كما يلي :
Vm = 1- VF
2-1-4-1 مبادئ التقوية بالجسيمات Principles of Particle Reinforcement
هذه العملية مشابهة لعمليات ( معاملة الأصلاد بالترسيب Precipitation Hardening ) والتي تستعمل عادتا لأصلاد المعادن الحديدية واللاحديدية ، حيث
يتم الإصلاد بترسيب طور على شكل جسيمات دقيقة مع طور آخر موجود أصلاً كما مبين بالشكل (6-1) .
الشكل ( 6-1 ) يبين آلية التقوية بالجسيمات
وفيما يلي نوضح أهم تطبيقات المواد المقوات بالألياف والجسيمات كذلك نوضح تأثير التقوية بالألياف على خواص بعض المواد مثل الخزفيات . الجدول (28-1) ،(29-1) ، (30-1) ،
الجدول (28-1) يوضح أهم الأنظمة المقوات بالجسيمات وتطبيقاتها
الجدول (29-1) يوضح تأثير التقوية بألياف كربيد السيلكون Sic على خواص المواد الخزفية .
الجدول (30-1) يوضح أمثلة لمواد مقواة وتطبيقاتها .
إذن يمكن تعريف المواد المركبة بأنها المواد التي تتكون من خليط من مواد تشترك فيما بينها لإعطاء خواص مطلوبة في المادة ، علماً أنه لا يوجد تفاعل كيماوي بين هذا الخليط وكل مادة تحتفظ بخواصها الأساسية التي كانت تملكها منفردة ، مثال ذلك أن البولميرات المقواة هي عبارة عن خليط من البولميرات ومواد أخرى ذات جساءة عالية (Stiffness) كألياف الزجاج أو البورون ومن أمثلتها :
البولميرات المبينة أدناه :
1- GFRP البولمير المقوى بألياف الزجاج Glass-Fiber-Reinforced – Polymer .
2- GFRP البولمير المقوى بألياف الكاربون Carbon –Fiber - Reinforced – Polymer .
3- BFRP البولمير المقوى بألياف البورون Boron-Fiber Reinforced – Polymer .
4- الخشب أيضاً مركب طبيعي من بولمير غير بلوري ( الخشبين) (Liqnin) مقوى بألياف السيليلوز
وهناك العديد من تطبيقات المواد المركبة الأخرى فالخرسانة المسلحة . تتكون من المواد الأساسية (الرمل ، الحصو ، الأسمنت) وقضبان الحديد كذلك إضافة التبن إلى الطين يجعله مادة مركبة قوية .
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 .