٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧٠ تأثير إضافة دقائق األلومينا على الخواص الميكانيكية للمادة المركبة ذات األساس من البولي أستر غير المشبع المقواة بألياف الزجاج غير المستمرة المهندسة أسيل محمود عبد اهللا المهندس أحمد مظفر هاشم المهندس عمار جبار بدر مدرس مساعد مدرس مساعدمدرس كلية الهندسة– جامعة القادسية كلية الهندسة– جامعة القادسية هندسة المواد-الجامعة التكنولوجية :الخالصة ، (E-glass)جاجية مقطعة نوع مقواة بألياف ز) بولي أستر(تم تصنيع مادة مركبة ذات أساس بوليمري ونماذج أخرى من المادة ذات األساس البوليمري مقواة بألياف الزجاج ودقائق األلومينا معاً وبثالث كسور إجراء فحوصات ميكانيكية للعينات مثل فحص الصدمة والصالدة وتم. (wt % 7 ,5 ,3) وزنية مختلفة إن الطاقة الممتصة . كانيكية تتحسن مع زيادة الكسر الوزنيواالنحناء ، ومن النتائج تبين أن الخواص المي مقارنة مع العينات المقواة بألياف للكسر أعطت أفضل النتائج للعينات المقواة بألياف الزجاج ودقائق األلومينا .الزجاج فقط وبنفس الكسور الوزنية .غير المشبع ، اختبار الصدمة ، اختبار الصالدة ألياف الزجاج ، دقائق األلومينا ، البولي أستر :الكلمات االيضاحية EFFECT OF ALUMINA PARTICLES ON THE MECHANICAL PROPERTIES OF DISCONTINUOUS GLASS FIBER REINFORCED UNSATURATED POLYESTER COMPOSITES Aseel Mahmood Abdullah Ahmed Mudhaffer Hashim Amar Jabar Bader University of Technology, University of Qadissiya, University of Qadissiya, Department of Engineering Collage of Engineering, Collage of Engineering Materials Department of Department of Mechanical Engineering Mechanical Engineering ABSTRACT The polyester matrix composites reinforced with short glass fiber and reinforced with glass fiber and Al2O3 particles with different weight fractions (3, 5, and 7 wt% Al2O3) were prepared and then the mechanical testing (bending, impact, and hardness) were measured. The results showed the mechanical properties improve with increasing weight fraction. The impact energy of hybrid ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧١ composite is better than compared with the composite reinforced with glass fiber alone at same weight fractions. مقدمة مثل المادة (Polymer Matrix Composites, PMCs) المادة المركبة ذات األساس البوليمري Glass Fiber)البوليمرية المقواة بأليــــــــــــــاف الزجـــــــــاج Reinforced Polymer Composites, GFRP) ، تستخدم بشكل واسع في التطبيقات الهندسية المتنوعة أن المادة المركبة ذات األساس البوليمري تعتبر سهلة التصنيع : ذلك إلى المميزات التاليةويعود سبب وتكون كثافتها واطئة فهي تمتلك نسبة . والتحتاج إلى أدوات ذات كلفة عالية ، ولذلك تكون كلفتها منخفضة ا في التطبيقات مما يجعل استخدامها واسع (Strength to weight ratio)متانـــة إلى الوزن عالية ونظرا لالستخدامات الواسعة للمادة المركبة ذات األساس . [Urmimala Maitria, etcl, 2009]الفضائية أو مواد تقوية Filler هذه المواد المضافة أمـا أن تكون حشوات . البوليمري ، فانها تحتاج إلى إضافة مواد Reinforcementالحشوات . على الخواص الميكانيكية للمنتج النهائي باإلعتماد على تأثير المادة المضافة تضاف بصورة رئيسية لتقليل الكلفة للمنتج النهائي ، بينما التقوية تضــاف لكي تحسن الخواص الميكانيكية [Clarles A. Harper, etcl, 2006] . ومن أمثلة مواد التقوية المضافة هي كاربونات الكالسيومCaCO3 ، التي تعمل على تحسين خواصها الميكانيكية SiC، كاربيد السليكون Al2O3األلومينا ,Donald R. Askeland, etcl]كالصـــــــالدة والبلى والزحف وكذلك تحسين الخواص الحرارية إن المادة المركبة ذات األساس البوليمري المقواة بالمواد المذكورة أعاله تستخدم في تطبيقات عديدة . [2003 ,Suryasarathi Bose, etcl]ــة السيـــارات واألدوات الكهربائيــة واأللكترونيـة مثل صناعـ بدراسة الخواص [Qi Zhang, etcl, 2004] 2004 وزمالءه في عام Qi Zhangقام الباحث . [2004 حيث استخدم الباحث وزمالءه مساحيق . الميكانيكية لمادة مركبة ذات أساس بوليمري مقواة بالمساحيق لفة هي هيدروكسيد المغنسيوم وهيدروكسيد األلمنيوم وبأحجام حبيبية مختلفة لتقوية المطاط ، ووجدوا أن مخت قام الباحث 2006في عام . تتحسن عند تقليل الحجم الحبيبي) مقاومة الشد واالستطالة(الخواص الميكانيكية Edcleide M. Araújo وزمالءه[Edcleide M. Araújo, etcl, 2006]راسة الخواص الميكانيكية بد ,30 ,20)لمادة مركبة ذات أساس من البولي أستر غير المشبع المقواة بألياف الزجاج وبنسب تقويـــة 40, 50, 60 wt %) ومقارنتها بتلك المقواة بألياف الزجاج التالفة (Fiber glass wastes) وبنفس نسب البولي أستر بالياف الزجاج التالفة ، خاصة بعد أعطت للمادة وقد توصل الباحثون أنه باالمكان تقوية. التقوية Osman Asi [Osman Asi, 2008] قام الباحث 2008وفي العام . البوليمرية مقاومة صدمة عالية على الخواص الميكانيكية للمادة المركبة ذات wt % 10بدراسة تأثير إضـــسافة دقائق األلومينا بنسبة وقد بين الباحث أن مقاومة االنحناء ومعامل االنحناء تزدادان . ي المقواة بألياف الزجاجاألساس من االيبوكس على التوالي عند إضافة دقائق األلومينا مقارنة بالمادة المركبة غير المقواة بدقائق % 78 و %33بنسبة ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧٢ ,Urmimala Maitria, etcl] وزمالءه Urmimala Maitra ، قام الباحث 2009 أما في عام . األلومينا Diamondبدراسة الخواص الميكانيكية لمادة مركبة ذات أساس بوليمري مقواة بمسحوق الماس [2009 powder حيث استخدموا البولي فينيل الكحول ، Polyvinyl alcohol كمادة أسـاس ومسحوق الماس ومعامل المرونة للمادة وقد وجد الباحثون أن الصالدة .(wt % 0.6)كمادة تقوية بكسر وزني مقدره . البوليمرية تتحسن بشكل ملحوظ عند التقوية بمسحوق الماس إن البحث الحالي يهدف إلى دراسة تأثير إضافة األلومينا على سلوك المادة المركبة ذات األساس من ودراسة (wt % 7 ,5 ,3)البولي أستر غير المشبع المقوى بألياف الزجاج المقطع وبكسور وزنية مختلفة سلوكها في االختبارات الميكانيكية مثل اختبار االنحناء واختبار الصدمة ، ومقارنة سلوكها بالمادة المركبة ذات األساس من البولي أستر غير المشبع المقوى بألياف الزجاج بشكل منفرد وبنفس الكسور الوزنية .المذكورة أعاله الجزء العملي السعودية كمادة أساس ، (SIR) أستر غير المشبع والمصنع من قبل شركة استخدام راتنج البولي تم والذي يكون على شكل سائل لزج شفاف عند درجة حرارة الغرفـــة وهو أحد أنـــــــواع ، يتحول من الحالة السائلة إلى الحالة (Thermosetting polymers)البوليمرات المتصلدة بالحرارة والمصلد . إليه والمصنع من قبل نفس الشركة المذكورة أعاله(Hardener)مصلد الصلبة وذلك بإضافة ال والذي يكون على (Methyl Ethyl Keton Peroxide, MEKP)عبارة عن بيروكسيد مثيل أثيل كيتون من (grams 10) لكل (grams 2)شكل سائل شفاف يضاف إلى راتنج البولي أستر غير المشبع بنسبة يبين خصائص مادة البولي أستر غير المشبعة (1)الجدول رقم و. جة حرارة الغرفةالراتنج عند در . المستخدمة في البحث حسب مواصفات الشركة المنتجة : تم استخدام نوعين من مواد التقوية هي األلياف ) مقطعة(على شكل ألياف غير مستمرة (E-glass) استخدمت في هذا البحث ألياف الزجاج من نوع . يبين الخصائص الميكانيكية والفزياوية أللياف الزجاج(2)الجدول رقم و.(mm 10)وبطول ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧٣ الدقائق وقد تم تحديد الحجم الحبيبي . (53µm-50 ) تم استخدام األلومينا بشكل مسحوق ناعم ذو حجم حبيبي . باستخدام المناخل الكهربائية وتكون الجوانب متحركة وترتبط بالقاعدة بواسطة . ادة الخشب وتم تصنيع قالب ذو قاعدة وجوانب من م يوضح القالب الخشبي الذي تم (1)الشكل رقم و (mm 5×300×300)وأبعاد القالب المستخدم . المثبتات . تصنيعه والمستخدم في تحضير عينات البحث حيث تم الحصول . حث في تصنيع عينات الب(Hand-lay-up moulding) تم استخدام الطريقة اليدوية % 7 ,5 ,3)على عينات البولي أستر غير المشبع المقوى بألياف الزجاج المقطعة بثالث كسور وزنية هي wt) وتم تصنيعهــــا بمزج مادة البولي أستر غير المشبع مع المصلد بنسبة ، (2 grams) 100) لكل grams)دقائق (10-8) المقطعة ويستمر المزج لمدة وتتم عملية المزج بإضافة ألياف الزجاج. من الراتنج بعدها يصب المزج في القالب الخشبي على شكل سيل من إحدى جوانب القالب ، . إلى أن يتجانس الخليط أما عينات البولي أستر المقواة بألياف الزجاج المقطعة ودقائق . بحيث يسيل بصورة منتظمة ومستمرة كورة أعاله ، فقد تم تصنيعها بمزج دقائق األلومينا مع الراتنج والمصلد األلومينا وبنفس الكسور الوزنية المذ دقائق ، ومن ثم يصب المزيج في (10)وثم الخلط إلى أن يتجانس المزيج لمدة . مع األلياف في نفس الوقت .القالب الخشبي الفحوصات : من الفحوصات التي أجريت على النماذج المحضرة هي كما يلي ة فحص الصدم حيث تم استخدام النماذج بأبعاد (Charpy Impact Test) تم استعمال جهاز شاربي لفحص الصدمة . (ISO-179) وبدون حز على وفق النظـــــــام العالمي (mm 4×10×80)قياسية فحص اإلنحناء Span to ) وبنسبة طول إلى سمك (mm 4.8×13×191) تم تحضير عينات االنحناء بأبعـاد قياسية Depth Ratio ) على وفق المواصفــــة األمريكيـــــة 1:32 مقدارها ( ASTM D-790 ). ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧٤ فحص الصالدة دائرية المقطع بقطروالعينة المستعملة بهذه الطريقة (Shore D) لغرض قياس الصالدة تم اتباع طريقة (40 mm) وسمك (4 mm)حسب المواصفة (DIN-53505) . والمناقشةالنتائج نتائج ومناقشة اختباري الصدمة والصالدة يوضحان تأثير تغيير الكسر الوزني على الطاقة الممتصة الالزمة للكسر للمادة (2,3)الشكلين رقم البوليمرية المقواة بألياف الزجاج ودقائق األلومينا ، ويالحظ من المخطط أن الطاقة الممتصة الالزمة للكسر الكسر الوزني بعالقة الخطية وذلك نتيجة عمل مواد التقوية كحاجز أمام الشق النامي خالل تزداد بزيادة المادة المتراكبة وخصوصاً دقائق األلومينا تعمل على اعاقة نمو الشق وهذا سوف يؤدي إلى تغير الشق لى زيادة المساحة إن هذا التغيير في شكل الشق واتجاهه أدت إ. واتجاهه بتحوله إلى مجموعة شقوق ثانوية السطحية للكسر والطاقة المصروفة وهذه كلها عوامل أدت إلى زيادة مقاومة المادة وهذه الحالة تحصل بشكل . أفضل عندما يكون هنالك ربط بين مادة األساس والدقائق كما هو الحال في دقائق األلومينا والمادة األساس بآلية مختلفة تعتمد على مالقاة الشق للسطوح الضعيفة وضياع أما في حالة الربط األقل قوة فأن التقوية تتم باالمكان جعل الراتنجات أكثر مقاومة ضد نمو . )٢٠٠٧, سعد ميخائيل حنا(وتحرر جزء من طاقته عندها ). ١٩٩٤, قحطان الخزرجي. د(الشق بإضــافات جسيمات من مواد معينة للمواد المضافة في الصالدة حيث نالحظ أن الصالدة تزداد تأثير الكسر الوزني (4,5)يوضح الشكلين وزمالءه Edcleide M. Araújoبإضافة ألياف الزجاج منفردة بشكل طفيف وهذا يتفق مع رأي الباحث [Edcleide M. Araújo, etcl, 2006] أن ألياف الزجاج تؤثر على صالدة المادة المركبة ذات األساس بألياف كما نالحظ أن المادة المركبة ذات األساس البوليمري المقواة . الزجاجالبوليمري المقواة بألياف الزجاج مع دقائق األلومينا تزداد الصالدة مع زيادة الكسر الوزني ، ومن مفهوم الصالدة يمكن عدها مقياساً ترفع من صالدة للتشوه اللدن الذي يمكن أن تعاني فيه المادة تحت تأثير خارجي وبذلك فان اضافة الدقائق إن تقوية البوليمرات ببعض الجسيمات يؤدي إلى زيادة صالدة . المادة نتيجة لزيادة مقاومتها للتشوه اللدن إن لنوع الدقائق المضافة إلى البولي أستر ). ١٩٩٤, قحطان الخزرجي. د(السطح والمقاومة ضد االختراق ولما كانت صالدة . تماداً على صالدة الدقائق المضافةتأثير كبير على صالدة المادة المتراكبة الناتجة واع 34.3 ، 33.8 ، 33.5دقائق األلومينا عالية نالحظ أن العينات المقواة بألياف الزجاج ودقائق االلومينا كانت وهذا يعود إلى أن األلومينا هي مــادة سيراميكية تمتاز بالصـــالدة (wt % 7 ,5 ,3) الوزنية للكسور .[R. A. Higgen, 2006]لية العـــــا ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧٥ نتائج ومناقشة اختبار االنحناء . تأثير الحمل المسلط على معدل االنحراف ولكسور وزنية مختلفة وبعالقات طردية (6.7)يمثل الشكالن ومن خالل الشكلين يالحظ أنه مع زيادة الكسر الوزني للمواد المضافة فانه يؤدي إلى تقليل االنحراف عند %7 ، %5 ، %3فبالنسبة للعينات المقواة بألياف الزجاج فقط وبكسور وزنية . لليف إلى حمل معينتعرض ا عند نفس الحمل أعطت العينات المقواة 222N غرام فان العينات أعطت انحرافاً مقداره 1200وعند حمل 77ة أعطت انحرافاً مقداره بألياف الزجاج مع دقائق األلومينا أي المتراكبات الهجينة وبنفس الكسور الوزني N . سواء المقواة بألياف الزجاج فقط أو بألياف الزجاج مع دقائق %7بينما في العينات ذات الكسر الوزني 222Nاللومينا نالحظ زيادة االنحراف عند نفس الحمل فمثالً التقوية بألياف الزجاج مقدار االنحراف من هذه النتائج تبين لنا أن المادة . N 146لومينا االنحراف وبالنسبة للتقوية بألياف الزجاج ودقائق األ المتراكبة المقواة بألياف الزجاج ودقائق األلومينا كان فيها قوة الترابط بين التقوية والمادة األساس أعلى من سمح وهذا يعود إلى أن اختبار االنحناء هو اجهاد بطيء ي. قوة الترابط بين ألياف الزجاج والمادة األساس بتفاعل الشقوق مع الدقائق كما يختلف عن اختبار الشد بطبيعة القوة المؤثرة في العينة فان القوى المؤثرة في كما تتأثر مقاومة االنحناء بشكل كبير بقوة الربط بين مادة األساس . اختبار االنحناء هي قوى شد وضغط معاً . [L. Holiday, 1966]ومادة التقوية االستنتاجات افة ألياف الزجاج بشكل منفرد وألياف الزجاج مع دقائق األلومينا إلى المادة البوليمرية أدى إلى إض -١ . تحسين الخواص الميكانيكية كالصدمة والصالدة واالنحناء الصالدة زادت مع زيادة الكسر الوزني للمادة البوليمرية المقواة بألياف الزجاج ودقائق األلومينا للكسور -٢ . وأعطت نتائج أفضل من ألياف الزجاج بشكل منفرد ولنفس الكسور الوزنية (wt % 7 ,5 ,3)الوزنية الطاقة الممتصة للكسر أعطت أفضل نتائج للعينات المقواة بألياف الزجاج ودقائق األلومينا بكسور وزنية -٣ (3, 5, 7 % wt)مقارنةً مع العينات المقواة بألياف الزجاج فقط ولنفس الكسور الوزنية . المصادر 4- Clarles A. Harper, “Hand Book of Plastic Thecnologies”, Mc Graw Hilll Companies, 2006. 5- Donald R. Askeland and Pradeep P. Phule, “The Science and Enginerring of Materials”, 4th Edition, Plenum Press, New York, 2003. 6- Edcleide M. Araújo, Kasselyne D. Araújo, Osanildo D. Pereira, Pollyana C. Ribeiro and Tomás J. A. de Melo, “Fiberglass Wastes/Polyester Resin Composites: Mechanical Properties and Water Sorption”, Polimeros Ciencia e Technologia, vol. 16, No. 4, pp 332-335, 2006. 7- L. Holiday, “Composite Material”, Elsevier Publish, 1966. 8- Osman Asi, “Mechanical Properties of Glass-Fiber Reinforced Epoxy Composites Filled with Al2O3 Particles ”, Journal of Reinforced Plastics and Composites, doi:10.1177/0731684408093975, 2008. ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧٦ 9- Qi Zhang, Ming Tian, Youping Wu, Guilin and Liqun Zhang, “Effect of Particle Size on The Properties of Mo(OH)2-Filled Rubber Composites”, Journal of Applied Science, vol. 94, pp 23341-2346, 2004. 10- R. A. Higgen, “Materials for Engineers and Technicians”, 4th Edition, Newnes Publications, 2006. 11- Suryasarathi Bose and P. A. Mahanwar, “Effect of Particle Size of Filler on Properties of Nylon-6”, Journal of Mineral and Materials Characrization and Engineering, vol. 3, No. 1, pp 23-31, 2004. 12- Urmimala Maitria, K. Eswas Prasad, U. Ramamurty and C. N. R. Rao, “Mechanical Properties of Nano Diamond-Reinforced Polymer Matrix Composites”, Solid State Communication Journal, Elsevier Ltd., 2009. دراسة الخصائص الميكانيكية والتوصيلية الحرارية لمادة متراكبة ذات أساس بوليمري مقواة "سعد ميخائيل حنا، -١٣ .٢٠٠٧الجامعة التكنولوجية ، -، أطروحة ماجستير ، قسم هندسة المواد"ئق األلمنيوم واوكسيد األلمنيومبدقا .١٩٩٤كلية الهندسة ، -، جامعة بابل"مبادئ هندسة المواد الالمعدنية"قحطان خلف الخزرجي، . د. أ -١٤ ولي أستر غير المشبعة يبين الخصائص الميكانيكية والفيزياوية والحرارية لمادة الب(1)الجدول رقم .المستخدمة في البحث حسب مواصفات الشركة المنتجة Percent Elongation EL % Tensile strength MPa Coefficient of thermal expansion 10-6 Specific Heat J/Kg. k Thermal conductivity w/m Density gm/cm3 <2.6 41.4-89.7 100-180 710-920 0.17 1.2 (E-glass). يبين الخصائص الميكانيكية والفيزياوية أللياف الزجاج نوع (2)الجدول رقم Density gm/cm3 Tensile modulus GPa Tensile strength MPa 2.5 69 2400 ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧٧ 5 mm 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Weight fraction (%) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Im pa ct e ne rg y (J ) .يوضح القالب الخشبي الذي تم تصنيعه والمستخدم في تحضير عينات البحث(1)الشكل رقم يبين يوضح العالقة بين مقاومة الصدمة والكسر الوزني أللياف الزجاج للمادة المركبة ذات األساس من (2)شكل رقم ال .البولي أستر غير المشبع المقواة بألياف الزجاج ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧٨ 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 Weight fraction (%) 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 H ar dn es s (H V ) 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 Weight fraction (%) 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 Im pa ct e ne rg y (J ) كبة ذات األساس يبين يوضح العالقة بين مقاومة الصدمة والكسر الوزني لدقائق األلومينا للمادة المر(3)الشكل رقم .من البولي أستر غير المشبع المقواة بألياف الزجاج يبين يوضح العالقة بين الصالدة والكسر الوزني أللياف الزجاج للمادة المركبة ذات األساس من (4)الشكل رقم .البولي أستر غير المشبع المقواة بألياف الزجاج ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٧٩ 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 Weight fraction (%) 20.0 25.0 30.0 35.0 40.0 H ar dn es s (H V ) 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 Deflection (mm) 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 150.00 160.00 170.00 180.00 190.00 200.00 210.00 220.00 230.00 Lo ad (N ) لعالقة بين الصالدة والكسر الوزني لدقائق األلومينا للمادة المركبة ذات األساس من يبين يوضح ا(5)الشكل رقم .البولي أستر غير المشبع المقواة بألياف الزجاج يبين يوضح العالقة بين الحمل واالنحراف للمادة المركبة ذات األساس من البولي أستر غير المشبع (6)الشكل رقم . الزجاجالمقواة بألياف ٢٠١١ ١ العدد ٤مجلة القادسیة للعلوم الھندسیة المجلد ١٨٠ 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 Deflection (mm) 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 110.00 120.00 130.00 140.00 150.00 Lo ad (N ) يبين يوضح العالقة بين الحمل واالنحراف للمادة المركبة ذات األساس من البولي أستر غير المشبع المقواة (7)لشكل رقم بألياف الزجاج ودقائق األلومينا