قوة انثناء المواد المركبة

مقدمة

تحتوي المواد المركّبة على مادتين متباينتين على الأقل يتم دمجهما لتعزيز الخصائص. نناقش في هذا الاستعراض كيفية مقاومة المواد لأحمال الانحناء.

البوليمر المقوى بألياف الكربون

يقاوم البوليمر المقوى بألياف الكربون عادةً درجات حرارة تصل إلى 500 درجة مئوية تقريباً ويمتلك قوة انثناء تصل إلى 1500 ميجا باسكال تقريباً. وغالباً ما يتم استخدامه في صناعة الطائرات والسيارات عالية الأداء. وهو قوي جداً ولكنه خفيف الوزن. على سبيل المثال، تستخدم الدراجات وسيارات السباق هذه المادة المركبة لتقديم أداء أفضل. وفي التطبيقات الهيكلية، فإن مقاومتها للانحناء تجعلها مادة مرغوبة في التطبيقات الهيكلية. يتم توجيه ألياف الكربون لمقاومة الإجهاد بشكل فعال. وتنتج مادة صلبة وقوية عند مزجها بالراتنج. يعتمد العديد من المصممين على نسبة قوتها العالية إلى وزنها. كما أن توازن قوة الانثناء والمقاومة الحرارية يجعل هذا المركب مناسبًا جدًا للتطبيقات القاسية.

البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية

تبلغ درجة حرارة تشغيل البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية 300 درجة مئوية مع قوة انثناء تبلغ حوالي 600 ميجا باسكال. يشيع استخدام هذا المركب في البناء وفي شفرات توربينات الرياح. ويتمتع بتوازن مناسب بين السعر والأداء. تمنح الألياف الزجاجية قوة عالية، ويحافظ الراتنج على تماسك الهيكل بشكل جيد. يمكنك استخدام هذه المادة في هياكل القوارب وفي المعدات الرياضية. وهي أقل تكلفة مقارنةً بمركبات ألياف الكربون. والأرقام في الأداء تجعله خياراً مناسباً وفعالاً من حيث التكلفة حيث لا تكون هناك حاجة إلى قوة عالية للغاية. ويشيع استخدامه في غالبية التطبيقات لأن مهندسي التصميم يقدرون قوته وسهولة إنتاجه في الإصلاح أو التعديل.

مركّبات ألياف الأراميد (القائمة على الكيفلار)

تُظهِر مركبات ألياف الأراميد، على غرار مركبات الألياف الأراميد (القائمة على الكيفلار)، أداءً جيداً حتى 400 درجة مئوية ويمكنها تحمل أحمال انثناء حوالي 600 ميجا باسكال. وهي معروفة بصلابتها ومقاومتها الجيدة للصدمات. ويتم استخدامها في معدات الحماية وبعض مكونات المركبات. وتُعد مركبات كيفلر الخيار الأمثل في الدروع الواقية للبدن نظراً لقدرتها على امتصاص الطاقة. كما أن قوة انثناءها كافية لمعظم تطبيقات التحميل المعتدل. كما أن بنية الألياف المتأصلة فيها تجعلها مرنة دون أن تكون عرضة للتحطم بسهولة. هذا التماسك تحت الضغط يجعلها الخيار الأول في التطبيقات الحرجة للسلامة. كما أنها تستجيب للحرارة، وبالتالي فهي قابلة للتكيف.

مركبات الألياف الهجينة

تتنوع مركّبات الألياف الهجينة في نطاقها، حيث تصل قوة انثناءها إلى 600 درجة مئوية وحوالي 1000 ميجا باسكال. تمزج المواد الهجينة خصائص العديد من الألياف لضبط الأداء. وعادةً ما يكون هناك مزيج من ألياف الكربون والألياف الزجاجية. والهدف من ذلك هو تحقيق أفضل جودة لكل مادة. يمكن للمصممين تخصيص المزيج اعتمادًا على الصلابة أو المرونة المحددة. على سبيل المثال، توجد المواد المركبة الهجينة في المعدات الرياضية والحاويات الإلكترونية. وتعد تعدد استخداماتها في التصميم أمرًا جذابًا للمهندسين الذين يجب أن يوازنوا بين التكلفة والقوة والوزن. وقد تصبح هذه المركبات جزءًا لا يتجزأ من الحلول الإبداعية في الصناعات التي لا تكفي فيها ألياف الكربون النقي أو الألياف الزجاجية النقية وحدها.

مركبات الألياف الطبيعية

تعمل مركبات الألياف الطبيعية على النحو الأمثل في درجات حرارة منخفضة تصل إلى حوالي 50 درجة مئوية وتمتلك قوة انثناء تبلغ حوالي 150 ميجا باسكال. وتشمل هذه المركبات استخدام الألياف مثل الجوت أو القنب أو الكتان مع راتنج قابل للتحلل الحيوي. وهي توفر حلاً صديقًا للبيئة للتطبيقات في أسواق الأجزاء الداخلية للسيارات والتعبئة والتغليف وألواح البناء. على الرغم من أنها أقل من مستوى الأداء العالي من المنتجات الاصطناعية، إلا أن قابليتها للتجديد والقدرة على تحمل تكاليفها تجعلها نقطة جذب هائلة للمصممين. إن الاهتمام المتزايد بالمواد المستدامة يجعل هذه المركبات تحظى بتطور مثير. في التطبيقات الأقل تطلبًا التي لا تمثل فيها درجات الحرارة العالية أو الأحمال الثقيلة مشكلة، توفر مركبات الألياف الطبيعية أداءً كافيًا مع فائدة بيئية إضافية.

الخلاصة

هناك عدة خيارات من المواد المركبة لتلبية مجموعة متنوعة من التطبيقات الهندسية. هناك فوائد وعيوب لكل فئة منها.

البوليمر المقوى بألياف الكربون قوي ومقاوم للحرارة. البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية فعال من حيث التكلفة وثابت للاستخدام العام. تتميز مركبات الألياف الأراميد بمقاومة الصدمات وحمل الانحناء المعتدل. تتيح مركبات الألياف الهجينة للمهندسين إمكانية التخصيص حسب متطلبات معينة. توفر مركبات الألياف الطبيعية حلاً صديقاً للبيئة مع أداء منخفض.

الأسئلة المتداولة

س: ماذا تقيس قوة الانثناء؟

س: هي مقياس لمقاومة المواد ضد قوى الانحناء.

و: هل يمكن هندسة مركبات الألياف الهجينة؟

س: نعم، يمكن جعل خصائصها متغيرة من خلال مزج ألياف ذات طبيعة مختلفة.

س: هل مركبات الألياف الطبيعية مناسبة لدرجات الحرارة العالية؟

س: لا، إنها مناسبة تحت درجات الحرارة المنخفضة.