5 مواد ذات قوة شد أعلى 5

مقدمة

عندما نشير إلى قوة الشد، فإننا نشير إلى قدرة المادة على مقاومة القوى التي تحاول تفكيكها. وقد تطورت المواد على مر السنين لتلبية احتياجات التكنولوجيا والصناعة. يستخدم المهندسون والمصممون اليوم العديد من المواد عالية القوة لإنشاء مبانٍ أكثر أمانًا وأجهزة أكثر موثوقية.

المعادن (الفولاذ المصهور، والتنغستن، وسبائك التيتانيوم)

لطالماكانت المعادن ذات أولوية في التصميم الإنشائي. ويُعد الفولاذ الماراجينغ أحد أشهر أنواع الفولاذ عالي القوة. يوفر قوة شد في حدود 2,000 ميجا باسكال. يُظهر الفولاذ المصلد صلابة جيدة أيضًا، مما يجعله مناسبًا للمكونات الحرجة في تطبيقات الأدوات والفضاء.

ويعد التنجستن معدنًا آخر متميزًا. وبسبب كثافته العالية ومقاومته العالية للغاية للحرارة، يجد التنغستن تطبيقات في ظروف الحرارة العالية. وتظل قوته متماسكة حتى في أسوأ الظروف. وغالبًا ما يتم اختيار التنجستن من قبل المهندسين عند تصميم أجزاء صلبة وموثوقة.

تُعد سبائك التيتانيوم حلاً قويًا وخفيفًا في معظم القطاعات. تحتوي سبائك التيتانيوم على قوة شد أكبر من 1000 ميجا باسكال. تستخدم الطائرات، والمعدات الرياضية، والأجهزة الطبية سبائك التيتانيوم. وتمنح المتانة المقترنة بالخفة سبائك التيتانيوم مزايا فريدة لا تمتلكها بعض المعادن التقليدية.

السيراميك المتطور (كربيد السيليكون، كربيد البورون)

تمتلك مواد السيراميك مقاومة ممتازة للتآكل وقوة الشد. تمتلك كربيد السيليكون أسطحًا صلبة ومقاومة للإجهاد. يمكن أن يتحمل كربيد السيليكون التآكل الشديد والحرارة. توجد كربيد السيليكون في أجهزة الفرن ودوارات المكابح في الظروف العادية.

كربيد البورون هو سيراميك ممتاز آخر. هذا المركب صلب ولكنه خفيف. وقد تم وصفه على نطاق واسع لاستخدامه في طلاء الدروع والمنتجات المقاومة للتآكل. يتمتع كربيد السيليكون وكربيد البورون بتوازن بين القوة والخفة. وهي تؤدي أداءً جيدًا عندما تكون الحرارة والتآكل من الاعتبارات المهمة.

المواد القائمة على الكربون (الجرافين وأنابيب الكربون النانوية)

تتفوق المواد الكربونية في قوة الشد. الجرافين عبارة عن ورقة ذرة كربون واحدة في بنية قرص العسل. تُظهر الاختبارات أن الجرافين يمكن أن يتمتع بقوة شد تصل إلى 130 جيجا باسكال. وبذلك يكون الجرافين أحد أقوى المواد المعروفة. ويمكن أن تتراوح الاستخدامات من الإلكترونيات المرنة إلى الطلاءات عالية القوة.

كما أن الأنابيب النانوية الكربونية قوية للغاية في حالة الشد. وتستخدم هذه الأنابيب الصغيرة من الكربون في مجموعة متنوعة من مجالات التكنولوجيا الفائقة. وتسمح مرونتها، إلى جانب وزنها الخفيف، للمهندسين بتصميم هياكل معقدة. ويجري حالياً تطوير الأنابيب النانوية الكربونية لأنها تنطوي على إمكانات هائلة لمساعدة صناعات مثل قطاعي الطيران والإلكترونيات.

بوليمرات عالية الأداء (بولي أميد-إيميد، بولي إيثر-إيميد، بولي إيثر كيتون)

بالنسبة لغالبية التطبيقات اليوم، تعد البوليمرات عالية الأداء خيارات ممتازة. تم تصميم بولي أميد-إيميد البولي أميد ليتحمل الحرارة والتآكل في الاستخدامات. وغالباً ما ينتهي به المطاف في المكونات التي تحتاج إلى أن تكون قوية في درجات حرارة التشغيل العالية.

ويمتاز البولي إيثيل إيميد بالوضوح ومقاومة الحرارة. قوة الشد هي ما يؤهله للاستخدام في الصناعة وتطبيقات الأجهزة المنزلية. على سبيل المثال، تعتمد أجزاء المعدات الطبية وقطع غيار السيارات في بعض الأحيان على البولي إيثير إيميد من أجل المتانة.

يوفر بولي إيثر كيتون الإيثر متعدد الإيثر، أو PEEK، نسبة قوة إلى الوزن. ويستخدم على نطاق واسع في تطبيقات الفضاء والسيارات والأجهزة الطبية القابلة للزرع. وتظهر قوة المادة في التطبيقات عالية الإجهاد وطويلة الأمد في التطبيقات عالية الإجهاد، مما يدل على خاصية الشد والمقاومة الفائقة.

المواد المركبة (كيفلر والبوليمرات المقواة بألياف الكربون)

يتم إنشاءالمواد المركبة عند مزج مادتين أو أكثر في نظام واحد. Kevlar هي مادة مركبة معروفة تستخدم في معدات السلامة. قوتها تحت الشد تجعلها اختياراً مثالياً للسترات الواقية من الرصاص. يستخدم العديد من صانعي الملابس الواقية والرياضية كيفلر نظراً لخصائصها الممتصة للصدمات.

البوليمرات المعززة بألياف الكربون هي مزيج من ألياف الكربون ومصفوفة بوليمر. ينتج عن هذا المزيج منتجات ذات قوة شد عالية ووزن منخفض. ويتم استخدامها في معظم مركبات السباق وأجزاء الطائرات. تُظهر المواد قوة شد تزيد عن 3 جيجا باسكال عند تصميمها بشكل مناسب. وتُعد قوتها مع انخفاض وزنها ذات استخدامات رائعة في التصميمات الهندسية الحديثة.

الخلاصة

باختصار، يتم تعريف غالبية المواد من خلال قوة الشد. فالمعادن مثل التنجستن والصلب الصلب الصلب تدوم طويلاً، والسيراميك مثل كربيد السيليكون صعب التآكل والحرارة، والمواد الكربونية مثل الجرافين هي الأقوى. وتوفر البوليمرات عالية الأداء الصلابة ومقاومة الحرارة، وتوفر المواد المركبة مثل كيفلر وألياف الكربون القوة ولكن ليس الثقل.

الأسئلة الشائعة

س: ما هي قوة الشد؟

س: ما هي قوة الشد؟

س: ما هو المعدن الذي يمتلك قوة شدّ عالية جدًا؟

س: يُعد الفولاذ الصلب الصلب أحد المعادن ذات قوة الشد العالية جدًا، وعادةً ما يكون حوالي 2000 ميجا باسكال.

س: أين تُستخدم المواد المُركَّبة مثل كيفلر؟

س: يُستخدَم الكيفلار في السترات الواقية من الرصاص ومعدات السلامة وأغراض السلامة الأخرى.