٤٢٠١٠العدد ٣ھندسیة المجلد مجلة القادسیة للعلوم ال ١٦٣ دراسة تأثیر إضافة ألیاف التقویة على بعض الخواص المیكانیكیة للمواد المركبة المتقدمة علي إبراهیم الموسوي بابل–المعهد التقني لمانعلي جاهل س بابل–المعهد التقني الخالصة یهــدف البحــث الحــالي إلــى دراســة بعــض المفــاهیم والخــواص المهمــة فــي تصــنیع المــواد المركبــة المتقدمــة ذات أســاس بــولیمیري والمقــواة باأللیــاف ، حیــث تعتبــر المفــاهیم مقدمــة لــبعض الخــواص المهمــة للمــواد البولمیریــة الشـــد (ب مكوناتهـــا مـــن األلیـــاف والمـــادة األســـاس وبعـــض الخـــواص المیكانیكیـــة المقـــواة باأللیـــاف والمتعلقـــة بنســـ یتنــاول هــذا البحــث إضــافة نســب وزنیــة مختلفــة مــن ألیــاف ) . ،الصــدمة ،اإلنضــغاط ،اإلنثنــاء ،الصــالدة وغیرهــا أثیر هذه والمستخدمة في تقویة راتنج الفنیل أستر وت(g/cm2 340)كیفالر أحادیة اإلتجاه ذات كثافة سطحیة اإلضــافة علــى الخــواص المیكانیكیــة لهــذا الــراتنج وقــد شــملت هــذه الخــواص كــل مــن مقاومــة الصــدمة والشــد و اإلنضغاط و اإلنثناء والصالدة حیث تم في البدایة إستخراج الخواص المیكانیكیة لراتنج الفنیـل أسـتر قبـل تقویتـه و دراسـة تـأثیر (20%,40%,60%)ف كیفالر إلى الراتنج باأللیاف بعدها تم إضافة نسب وزنیة مختلفة من ألیا .ذلك على الخواص المذكورة .المادة المركبة المتقدمة ، الخواص المیكانیكیة : الكلمات الدالة STUDY THE EFFECT OF REINFORCING FIBERS ON SOME MECHANICAL PROPERTIES OF ADVANCED COMPOSITE MATERIALS Ali J. Salaman Technical Institute-Babylon Ali I. Al-Mosawi Technical Institute-Babylon ٤٢٠١٠العدد ٣ھندسیة المجلد مجلة القادسیة للعلوم ال ١٦٤ ABSTRACT This research aims to study some aspects and important properties in manufacturing of polymeric advanced composite materials reinforced by fibers will be studied ,these aspects show as introduction to some important properties of polymeric composite materials reinforced by fibers related with its composition and some mechanical properties (Tension ,Impact, Compression, Flexural, etc) .The objective of this research is to study the effect of using different reinforcement percentage of fibers on mechanical properties for composite material consist of vinyl ester resin reinforced by unidirectional Kevlar fibers with surface density (340 g/cm2) which included impact , tensile, compression , and flexural strength , where we extracted the mechanical properties for vinyl ester resin before reinforced by fibers, then we reinforced the resin by different weight percentage from kevlar Fibers (20%,40%,60%) and studied its effect on the above mechanical properties . . (Introduction)المقدمة المقـواة باأللیـاف ذات أسـاس (Advanced Composite Materials)تم تطویر المـواد المركبـة المتقدمـة إن الهــــدف . بـــولیمیري للتطبیقـــات التـــي تحتــــاج الجمـــع اإلســـتثنائي بـــین المقاومــــة ، الجســـاءة ، والـــوزن الخفیـــف الرئیســي مــن التقویــة باأللیــاف هــو لتحســین الخــواص الفیزیائیــة ومنهــا الخــواص المیكانیكیــة للراتنجــات حیــث تــزداد مقاومة الشد والصدمة والصالدة بشكل كبیر مما یسمح بإسـتخدام هـذه المـواد المقـواة فـي مجـاالت صـناعیة أوسـع المواد المركبة هي المسؤول الرئیسي عن تحمل األحمال إن األلیاف في هذا النوع من. ]١[وتحت ظروف أقسى الخارجیة ، ومن أكثر أنواع األلیاف شیوعًا في مجال المواد المركبة المتقدمة هي ألیاف كیفالر والكاربون وألیاف ذه المواد إن اإلستخدام العام للمادة المركبة یعتمد بشكل كبیر على الخواص المیكانیكیة والفیزیائیة له. ]١[كیفالر لذلك فإن دراسة هذه الخواص تحـت تـأثیر القـوى واألحمـال فـي ظـروف مختلفـة یكتسـب أهمیـة كبیـرة لمعرفـة مـدى هنالك أربعة أنواع من المواد المركبـة المتقدمـة والمدرجـة أدنـاه . ]٢[مالئمة هذه الخواص لمكان عمل هذه المواد ]٣[ : تســتخدم ألیــاف ذات عالیــة المقاومــة :(Resin-Matrix Composites)المــواد المركبــة راتنجیــة األرضــیة -١ .(315ºC)ومعامل المرونة مثل ألیاف الكاربون إضافة إلى إمكانیة إستخدامها إلى درجة یمكــن إســتخدامها فــي درجــات حــرارة : (Metal-Matrix Composites)المــواد المركبــة معدنیــة األرضــیة -٢ 1250)عالیة ºC)وبة هي المقاومة العالیة مقرونة مع المطیلیة والمتانة حیث الظروف المطل. تتحمـل هـذه المـواد درجـات حراریـة : (Carbon-Carbon Composites)كـاربون -المـواد المركبـة كـاربون-٣ 3300)عالیة تصل إلى ºC) ٣٠(مع مقاومة أعلى بعشرین مرة من الكرافیت التقلیدي وأقل كثافة بنسبة. (% تتصــف هــذه المــواد بــالوزن الخفیــف ومقاومــة : (Ceramic Composites)ة الســیرامیكیة المــواد المركبــ-٤ ستقراریة في األبعاد وعدم تأثرها بالظروف البیئیة ٕ .درجات الحرارة العالیة وا ٤٢٠١٠العدد ٣ھندسیة المجلد مجلة القادسیة للعلوم ال ١٦٥ .(The Properties of Composite Materials)خواص المواد المركبة ســیة للمـواد المركبــة إلــى حـد بعیــد علـى خواصــها الفیزیائیـة ومنهــا الخــواص تعتمـد اإلســتخدامات العامـة والهند المیكانیكیة والفیزیائیة مثل مقاومة الشد والمرونة وقابلیة المادة لإلستطالة ومقاومتها للحرارة والظروف البیئیة مثـل تمـــد كثیـــرًا علـــى إن جمیـــع هـــذه الخـــواص تع. الرطوبـــة وأشـــعة الشـــمس وغیرهـــا مـــن الخـــواص التطبیقیـــة اُألخـــرى تعتمـد هـذه الخـواص إلـى حـد كبیـر علـى . ]٤[التركیب الجزیئي للراتنج وعلى وزنه الجزیئـي وعلـى القـوى الجزیئیـة :ومن الخواص التي تمت دراستها ما یأتي . مواد التقویة وعلى المواد المضافة مثل الحشوات والملدنات اومة الصدمة عن قـدرة المـادة لمقاومـة الكسـر تحـت تـأثیر ُتعبر مق: (Impact Strength)مقاومة الصدمة -١ حمل مفاجئ ، كما تعتبر مقیاسًا لمتانة المادة حیـث المـواد األكثـر متانـة هـي التـي تبـدي أعلـى مقاومـة للصـدمة ]٥[. تعتبــر مقاومــة الشــد مقیاســًا لقابلیــة المــادة علــى مقاومــة القــوى: ( Tensile Strength)مقاومــة الشــد -٢ نهیارها ٕ تتكون المواد المركبة اللیفیة من ألیاف قویة هشة مغمورة فـي المـادة . الساكنة التي تحاول سحب المادة وا .]٦[األساس التي تتصف بكونها أكثر مطیلیة تبین هذه المقاومة مدى تحمل المادة عند تعرضها إلـى : (Compressive Strength)مقاومة اإلنضغاط -٣ والقـیم العالیـة ُتشـیر إلـى كبـر قـوى التماسـك (MPa)قبل أن تنهار ، وتقـاس عـادة بوحـدات حمل إنضغاط ساكن . ]٧[بین جزیئات المادة وتعتبر هذه الخاصیة مقیاسًا لمقاومة اإلنحنـاء ، ویمكـن تعرفهـا : ( Flexural Strength)مقاومة اإلنثناء -٤ تبــار قبــل أن یخضــع أو ینكســر وتقــاس بوحــدات علــى إنهــا أقصــى حمــل ســاكن یمكــن تســلیطه علــى نمــوذج اإلخ (MPa)]١.[ .(Partial Experiment)الجزء العملي یتضمن الجزء العملي إعـداد المـواد األولیـة إضـافة إلـى اإلختبـارات المیكانیكیـة التـي تـم إجراءهـا علـى المـادة .المركبة .المواد المستخدمة في البحث -أوالً :لبحث المواد التالیةإستخدمت في هذا ا ٤٢٠١٠العدد ٣ھندسیة المجلد مجلة القادسیة للعلوم ال ١٦٦ -Deraken 510)تم إستخدام راتنج الفنیل أستر نـوع :( Vinyl Ester Resin)راتنج الفنیل أستر -1 a40) ذو كثافـــة(1.21g/cm3) المجهـــز مـــن شـــركة و(Dow Chemical). یوضـــح تركیبـــه )١(الشـــكل رقـــم .الكیمیائي ) ٠°(اف كـیفالر بشـكل ظفـائر محاكـة أحادیـة اإلتجـاه إسـتخدمت ألیـ:(Kevlar Fibers)ألیـاف كـیفالر -2 .(340g/cm2)ذات كثافة سطحیة .(Preparation of samples)تحضیر النماذج -ثانیاُ نعت أربعة أنواع من النماذج خاصة باإلختبارات التي تم إجراءها وهي :صُ ، (ASTM-E23)اصـفات القیاسـیة تم تصنیع نمـاذج إختبـار الصـدمة حسـب المو :نماذج إختبار الصدمة -١ ُأستخدم ) .º٤٥(وبزاویة حز مقدارها (mm 0.25)ونصف قطر قاعدة الحز(mm 0.5)عمق الحز في النماذج للتعرُف على مدى مقاومة المادة (Charpy Impact Instrument)جهاز فحص مقاومة الصدمة نوع شاربي مل الصدمة . المركبة لِح في تصنیع نماذج إختبار مقاومة (ISO-R-527)إعتمدت المواصفة القیاسیة :ة الشدنماذج إختبار مقاوم-٢ ZheJinang TuGong) (Instrument Co., Ltdإستخدم جهاز اإلختبارات العام والمجهز من شـركة . الشد مل . (KN 20)الصینیة في قیاس هذه الخاصیة بِح -ASTM)تم تصنیع نمـاذج إختبـار مقاومـة اإلنضـغاط حسـب المواصـفة:إلنضغاطنماذج إختبار مقاومة ا-٣ D618) إســتخدم مكــبس هیــدرولیكي نــوع . وهــي بشــكل منشــور ربــاعي(Leybold Harris No.36110) لتعیــین أقصــى حمــل إنضــغاط یتحملــه النمــوذج وبقســمة هــذا الحمــل علــى مســاحة مقطــع النمــوذج قبــل التشــوه تــم .نضغاط للنماذج كافة إحتساب مقاومة اإل في تصنیع نماذج اإلختبار (ASTM D790)ُأعتمدت المواصفة القیاسیة : نماذج إختبار مقاومة اإلنثناء -٤ تم قیاس مقاومة اإلنثناء بطریقة اإلختبار . (10mm×135mm)والتي كانت على شكل نماذج مستطیلة بأبعاد (Leybold Harris No.36110)یكي متعدد األغـراض نـوع ثالثي النقاط ویتم ذلك بإستخدام مكبس هیدرول .لقیاس أقصى حمل مسلط على منتصف نموذج اإلختبار لتصــنیع نمــاذج اإلختبــارات أعــاله وبواقــع (20%,40%,60%)ُأضــیفت نســب وزنیــة مختلفــة مــن ألیــاف كــیفالر . في النتائج إن وجدثالث نماذج لكل نسبة وزنیة وأخذ معدل القراءات لتقلیص اإلنحراف الحاصل ٤٢٠١٠العدد ٣ھندسیة المجلد مجلة القادسیة للعلوم ال ١٦٧ .(Results and Discussion)النتائج والمناقشة یوضــح قــیم مقاومــة الصــدمة مــع نســبة التقویــة باأللیــاف ، حیــث یالحــظ إنخفــاض مقاومــة )٢(الشــكل رقــم ر نتیجـة لكـون الصدمة لراتنج الفنیل أستر نظرًا لهشاشته ولكن هذه المقاومة تبدأ بالزیادة بعد تقویته بألیاف كـیفال . األلیـاف ســوف تتحمـل الجــزء األكبـر مــن طاقـة الصــدمة المســلطة علـى المــادة المركبـة ممــا ُیحسـن هــذه المقاومــة وهــذا یتفـق مــع مــا توصــل %) ٦٠(و %) ٤٠(وهكـذا تــزداد مقاومــة الصـدمة مــع زیــادة نســبة التقویـة باأللیــاف إلــى .مقاومة الصدمة بأن زیادة محتوى األلیاف یرفع] ٨[(Ali)إلیه الباحث یمثل مقاومة الشد للمادة المركبة حیث تكون قیمـة هـذه المقاومـة منخفضـة جـدًا لـراتنج الفنیـل )٣(الشكل رقم أستر بسبب كونه من المواد الهشة ولكن عند إضافة األلیاف إلى هـذه المـادة تتحسـن مقاومتـه للشـد بصـورة كبیـرة تتحملـــه األلیـــاف ممـــا یرفـــع مقاومـــة الشـــد للمـــادة المركبـــة وذلـــك ألن حیـــث إن الجـــزء األعظـــم مـــن الجهـــد المســـلط ل األلیاف حیز . األلیاف تتمیز بمطیلیتها المنخفضة وتزداد مقاومة الشد بزیادة نسبة األلیاف المضافة حیث تشِغ مل المسلط علیها بشـكل أفضـل وهـو یتفـق مـع النتـائج التـي توصـ ل إلیهـا أكبر داخل الراتنج مما یسمح بتوزیع الِح ,Abbas)الباحثین Ali, Sajed)]في كون إرتفاع قیمة مقاومة الشد بإضافة األلیاف إلى راتنج الفنیـل أسـتر ] ٩ . الـذي یمثـل إختبــار مقاومـة اإلنضـغاط للمـادة المركبـة حیــث یالحـظ منـه إرتفـاع قـیم مقاومــة )٤(الشـكل رقـم یـاف كـیفالر عمـا كانـت علیـه لـراتنج الفنیـل أسـتر ، حیـث مقاومـة اإلنضغاط للمادة المركبة الناتجة من التقویـة بأل مـل علـى األلیـاف وكـذلك كفـاءة الـربط اإلنضـغاط ترتفـع بشـكل حـاد عنـد التسـلیح بألیـاف كـیفالر نظـرًا لتوزیـع الِح ضـغاط وتـزداد مقاومـة المـادة المركبـة لإلن. بین المـادة األسـاس وألیـاف التقویـة ممـا ویرفـع قـیم مقاومـة اإلنضـغاط مع زیادة نسـبة األلیـاف المضـافة لـنفس السـبب المـذكور أعـاله وهـذا یتفـق مـع النتـائج التـي توصـل إلیهـا البـاحثین (Abbas, Ali, Samara)]فـي تحسـن مقاومـة اإلنضـغاط لـراتنج الفنیـل أسـتر مـع إضـافة األلیـاف وزیـادة ] ١٠ .محتواها اء لراتنج الفنیل أستر المقوى بألیاف كیفالر حیث تكون قیمة الذي یمثل إختبار مقاومة اإلنثن)٥(الشكل رقم مقاومة اإلنثناء منخفضة قبل التقویة باأللیاف ، ولكن هذه المقاومة تبدأ باإلرتفاع لهذا الراتنج بعـد تقویتـه بألیـاف ء األكبـر مـن كیفالر ویعود السبب في ذلك إلى إرتفاع معامل مرونة هذه األلیاف مما یؤدي إلى تحملها إلى الجز . الحمــل المســلط علــى المــادة المركبــة ممــا یــؤدي بــدوره إلــى زیــادة مقاومــة اإلنثنــاء لهــذه المــادة المدعمــة باأللیــاف وتزداد هذه المقاومة مع زیادة نسبة التقویـة باأللیـاف وهـو یتفـق أیضـًا مـع النتـائج التـي تـم التوصـل إلیهـا مـن قبـل ,Abbas)الباحثین Ali, Samara)]١٠.[ .(Conclusions)اإلستنتاجات ٤٢٠١٠العدد ٣ھندسیة المجلد مجلة القادسیة للعلوم ال ١٦٨ :من خالل النتائج التي تم الحصول علیها یمكن الخروج باإلستنتاجات التالیة .كونه من المواد الهشة الفنیل أسترإنخفاض قیم الخواص المیكانیكیة لراتنج-١ . الر أحادیة اإلتجاه بعد تقویته بألیاف كیفالفنیل أسترتحُسن قیم هذه الخواص المیكانیكیة لراتنج-٢ .تزداد قیم الخواص المیكانیكیة مع زیادة نسبة األلیاف المضافة -٣ .(References)المصادر 1- P. Vincenzini and M. Singh “Advanced Inorganic Fibrous Composites V ” , TransTech Publications, 2006 2- P.K. Mallick “Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design”, 3rd Edition , CRC Press, 2007. 3- E.P.DeGarmo, J.T. Black, and R.A. kohser “ Materials and processes in Manufacturing ” , 10th Edition , john Wiley & Sons , 2008 . 4- US Industry Forecasts to 2011 and 2016 “Kevlar Fibers”, Freedonia , 2007. 5- B.A.Azhdar “Impact Fracture Toughness of Fiber Reinforced Epoxy Resin” ,M.SC Thesis ,U.O.T ,1992 . 6- N.G.McCrum, C.P.Buckley and C.B.Bucknal “Principal of Polymer Engineering” , Second Edition , Oxford University Press , 1997 . 7- efunda Engineering Fundamentals “Polymer Material Properties” ,2001. 8- Ali I. Al-Mosawi “Study of Some Mechanical Properties for Polymeric Composite Material Reinforced by Fibers ” , Al-Qadessiyah Journal For Engineering Science , Vol 2 , No 1 , 2009 . pp.14 – 24 . 9- Abbas A. Al-Jeebory, Ali I.Al-Mosawi, Sajed A. Abdul Allah “Effect of Percentage of Fibers Reinforcement on Thermal and Mechanical Properties for Polymeric Composite Material ” , The Iraqi- Journal for mechanical and materials Engineering ,Special Issue, First Conference of Engineering College , Babylon University ,17-18 May, 2009 , pp.70 – 82 . 10- Abbas A. Al-Jeebory, Ali I.Al-Mosawi, Samara A. Al-Qurashi “Difference Fibers Reinforcement percentage and its Effect on Mechanical Properties of Thermosetting Resins” , Al-Qadessiyah Journal For Engineering Science ,Special Issue, second Conference of Engineering College , Al-Qadessiyah University ,19-20 October , 2009. ٤٢٠١٠العدد ٣ھندسیة المجلد مجلة القادسیة للعلوم ال ١٦٩ OH CH COH n ]١[یوضح التركیب الكیمیائي لراتنج الفنیل أستر) ١(الشكل رقم C=C-C-O - C-C- C-O- -C- -O-C-C-C-O-C-C=C O O مقاومة الشد ) : ٣(الشكل رقم Reinforcing Percentage (%) T en si le S tr en gt h (N /m 2 ) الصدمةمقاومة ) : ٢(الشكل رقم Reinforcing Percentage (%) Im pa ct S tr en gt h (K j/m 2 ) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Reinforcing Percentage (%) C om pr es si on S tr en gt h (M pa ) مقاومة اإلنضغاط ) : ٤(الشكل رقم Reinforcing Percentage (%) Fl ex ur al S tr en gt h (G pa ) مقاومة اإلنثناء :)٥(الشكل رقم 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 0.21 0.22 0.23 0.24