أداء وتحليل المواد المركبة من الألياف الزجاجية

بالمقارنة مع الفولاذ، فإن المواد المركبة المقواة بالألياف الزجاجية تحتوي على مادة أخف وكثافة أقل من ثلث كثافة الفولاذ.ومع ذلك، من حيث القوة، عندما يصل الضغط إلى 400MPa، فإن القضبان الفولاذية سوف تتعرض لإجهاد الخضوع، في حين أن قوة الشد للمواد المركبة من الألياف الزجاجية يمكن أن تصل إلى 1000-2500MPa.بالمقارنة مع المواد المعدنية التقليدية، فإن المواد المركبة من الألياف الزجاجية لها بنية غير متجانسة وتباين واضح، مع آليات فشل أكثر تعقيدًا.يمكن للبحث التجريبي والنظري في ظل أنواع مختلفة من الأحمال أن يوفر فهمًا شاملاً لخصائصها الميكانيكية، خاصة عند تطبيقها في مجالات مثل معدات الدفاع الوطني والفضاء، الأمر الذي يتطلب بحثًا متعمقًا حول خصائصها وخواصها الميكانيكية لتلبية احتياجاتها في بيئة الاستخدام.

يقدم ما يلي الخواص الميكانيكية وتحليل ما بعد التلف للمواد المركبة من الألياف الزجاجية، مما يوفر إرشادات لتطبيق هذه المادة.

(1) خصائص الشد وتحليلها:

أظهرت الأبحاث أن الخواص الميكانيكية للمواد المركبة من راتنجات الإيبوكسي المقواة بالألياف الزجاجية تظهر أن قوة الشد في الاتجاه الموازي للمادة أكبر بكثير من تلك في الاتجاه الرأسي للألياف.لذلك، في الاستخدام العملي، يجب الحفاظ على اتجاه الألياف الزجاجية متسقًا قدر الإمكان مع اتجاه الشد، مع الاستفادة الكاملة من خصائص الشد الممتازة.بالمقارنة مع الفولاذ، فإن قوة الشد أعلى بكثير، لكن كثافته أقل بكثير من كثافة الفولاذ.ويمكن ملاحظة أن الخواص الميكانيكية الشاملة للمواد المركبة من الألياف الزجاجية مرتفعة نسبيًا.

أظهرت الأبحاث أن زيادة كمية الألياف الزجاجية المضافة إلى المواد المركبة البلاستيكية الحرارية تزيد تدريجياً من قوة الشد للمادة المركبة.السبب الرئيسي هو أنه مع زيادة محتوى الألياف الزجاجية، يتعرض المزيد من الألياف الزجاجية في المادة المركبة لقوى خارجية.في الوقت نفسه، بسبب الزيادة في عدد الألياف الزجاجية، تصبح مصفوفة الراتنج بين الألياف الزجاجية أرق، وهو أكثر ملاءمة لبناء إطارات معززة بالألياف الزجاجية.لذلك، تؤدي الزيادة في محتوى الألياف الزجاجية إلى انتقال المزيد من الضغط من الراتينج إلى الألياف الزجاجية في المواد المركبة تحت الأحمال الخارجية، مما يؤدي إلى تحسين خصائص الشد بشكل فعال.

أظهرت الأبحاث التي أجريت على اختبارات الشد للمواد المركبة المصنوعة من البوليستر غير المشبع بالألياف الزجاجية أن وضع الفشل للمواد المركبة المقواة بالألياف الزجاجية هو الفشل المشترك للألياف ومصفوفة الراتنج من خلال المسح المجهري الإلكتروني لقسم الشد.يُظهر سطح الكسر أنه يتم سحب عدد كبير من الألياف الزجاجية من مصفوفة الراتينج على قسم الشد، ويكون سطح الألياف الزجاجية المسحوبة من مصفوفة الراتينج أملسًا ونظيفًا، مع وجود عدد قليل جدًا من شظايا الراتينج الملتصقة بالسطح من الألياف الزجاجية، والأداء هو كسر هش.من خلال تحسين واجهة الاتصال بين الألياف الزجاجية والراتنج، يتم تعزيز قدرة التضمين لكليهما.في قسم الشد، يمكن رؤية معظم شظايا راتينج المصفوفة مع المزيد من ترابط الألياف الزجاجية.تُظهر ملاحظة التكبير الإضافية أن عددًا كبيرًا من روابط راتينج المصفوفة على سطح الألياف الزجاجية المستخرجة تقدم ترتيبًا يشبه المشط.يُظهر سطح الكسر كسرًا مطاوعًا، والذي يمكن أن يحقق خواص ميكانيكية أفضل.

(2) أداء الانحناء والتحليل:

تم إجراء اختبارات كلال الانحناء ثلاثية النقاط على ألواح أحادية الاتجاه وأجسام صب راتنجية من مواد مركبة من راتنجات الإيبوكسي المقواة بالألياف الزجاجية.أظهرت النتائج أن صلابة الانحناء للاثنتين استمرت في الانخفاض مع زيادة أوقات الكلال.ومع ذلك، فإن صلابة الانحناء للألواح أحادية الاتجاه المعززة بالألياف الزجاجية كانت أعلى بكثير من تلك الموجودة في أجسام الصب، وكان معدل انخفاض صلابة الانحناء أبطأ.كانت هناك أوقات إجهاد أكثر للشقوق التي تظهر مع مرور الوقت، مما يشير إلى أن الألياف الزجاجية لها تأثير معزز على أداء الانحناء للمصفوفة.

مع إدخال الألياف الزجاجية والزيادة التدريجية في نسبة الحجم، تزداد أيضًا قوة انحناء المواد المركبة وفقًا لذلك.عندما يكون جزء حجم الألياف 50%، تكون قوة الانحناء هي الأعلى، وهي أعلى بنسبة 21.3% من القوة الأصلية.ومع ذلك، عندما يكون حجم الألياف 80%، فإن قوة الانحناء للمواد المركبة تظهر انخفاضًا كبيرًا، وهو أقل من قوة العينة بدون ألياف.من المعتقد عمومًا أن القوة المنخفضة للمادة قد تكون بسبب الشقوق الدقيقة الداخلية والفراغات التي تمنع النقل الفعال للحمل عبر المصفوفة إلى الألياف، وتحت القوى الخارجية، تتوسع الشقوق الصغيرة بسرعة لتشكل عيوبًا، مما يؤدي في النهاية إلى حدوث ضرر. يعتمد الترابط السطحي لهذه المادة المركبة من الألياف الزجاجية بشكل أساسي على التدفق اللزج لمصفوفة الألياف الزجاجية عند درجات حرارة عالية لتغليف الألياف، كما أن الألياف الزجاجية المفرطة تعيق بشكل كبير التدفق اللزج للمصفوفة، مما يتسبب في درجة معينة من الضرر للاستمرارية بين الواجهات.

(3) أداء مقاومة الاختراق:

إن استخدام المواد المركبة المقواة بالألياف الزجاجية عالية القوة للوجه والجزء الخلفي من درع التفاعل يتمتع بمقاومة اختراق أفضل مقارنة بسبائك الفولاذ التقليدية.بالمقارنة مع سبائك الفولاذ، فإن المواد المركبة من الألياف الزجاجية لوجه وظهر درع رد الفعل المتفجر لها شظايا متبقية أصغر بعد التفجير، دون أي قدرة على القتل، ويمكن أن تقضي جزئيًا على تأثير القتل الثانوي لدرع رد الفعل المتفجر.