٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٥٦ فينول اللمادة مركبة مكونة من راتنج دراسة بعض الخواص الميكانيكية فورمالدهيد المقوى بألياف كيفالر الخالصة الخـواص الميكانيكيـة للمـادة على تغيير نسبة التقوية باأللياف تأثير دراسةهو هذا البحث إن الهدف من ذات كثافـة ) 0o-90o(وى بألياف كيفالر ثنائيـة اإلتجـاه الفينول فورمالدهيد المق ركبة المكونة من راتنج مال حيث تـم من مقاومة الصدمة ومقاومة الشد والصالدة وقد شملت هذه الخواص كل ، (485g/cm3)سطحية الفينول فورمالدهيد قبل التقوية باأللياف بعـدها تـم تـدعيم لراتنج الميكانيكية الخواص إستخراج في البداية ذلـك علـى الخـواص تأثير دراسة و (20%,40%,60%) من ألياف كيفالر ة مختلف ة وزني الراتنج بنسب .وكما موضح في المخططات البيانية ذكورةمال المادة المركبة ، الخواص الميكانيكية ، راتنج الفينول فورمالدهيد ، ألياف كيفالر: الكلمات الدالة Study of Some Mechanical Properties for Composite Material Consist of Phenol Formaldehyde Resin Reinforced by Kevlar Fibers Abstract The objective of this research is to study the effect of changed the reinforcement percentage by fibers on Mechanical properties for composite material consist of phenol formaldehyde resin reinforced by biaxial kevlar fibers (0o-90o)(with (485g/cm3) density which included impact strength , tensile strength , and hardness where we extracted the Mechanical properties for phenol formaldehyde 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 as illustrated in the diagrams . Keywords:-Composite Material , Mechanical Properties, Phenol Formaldehyde Resin , Kevlar Fibers . علي إبراهيم الموسوي بابل-المعهد التقني مشتاق طالب البديري جامعة القادسية Ali I.Al-Mosawi Technical Institute - Babylon Mushtaq T. Al-Bdiry Qadissiya University ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٥٧ )Introduction( المقدمة ستخدمها البابليون في إ عدة حيث قرونبسط صورها منذأ تقنية تصنيع المواد المركبة برفتُْع تتكون المادة المركبة من دمج . بناء بيوتهم عن طريق خلط نشارة الخشب بمادة الطين لتقويته مختلفتي )Reinforced Plastic( والبالستك (Blends)مادتين أو أكثر وتشمل الخالئط إن عملية الدمج هذه تؤدي إلى الحصول على مادة جديدة . الخواص الميكانيكية والفيزياوية يوجد في . ذات خواص هندسية وفيزيائية تختلف عن خواص المواد الداخلة في تركيبها السليلوز مع مادة ألياف على المواد المركبة ومنها األمثلةالطبيعة الكثير من األكثر الصناعية هي باألليافن تقوية الراتنجات إ في الصناعة فأما .]١٩٩٩حليم[الخشب -: لتصنيع مادة مركبة يجب توفر مادتين هما و. نتشاراًإ (Matrix Material) المادة األساس -١ متكونة من المعادن وسبائكها ) Metallic Materials( تكون مواد األساس أما مواد معدنية Ceramic Materials)(ميز بثقل وزنها ومتانتها العالية ،أو قد تكون مواد سيراميكيةوتت والتي تمتاز بخفة وزنها ومقاومتها المرتفعة لدرجات الحرارة العالية ولكنها ضعيفة المقاومة وهي Polymeric Materials)(كذلك تكون المادة األساس مواد بوليميرية. لقوى الصدم وإنتشاراً ِلما تتميز به من خواص ميكانيكية وحرارية جيدة ، ومن األمثلة األكثر إستعماالً .]١٩٩٩حليم[راتنج الفينول واإليبوكسي والبولي أستر على المواد البوليمرية (Reinforcing Material)مادة التقوية -٢ ة حتى ض المنخفليةي في هكذا مواد وهي المقاومة العالية والمطأساسيتينن ييجب توفر ميزت Reinforcing(هناك عدة طرق للتقوية منها التقوية بالدقائق . األساستستطيع تقوية المواد by (Particulate كبر من أكون بقطر ت والتي( 1 µm ) برية إل مختلفة منها اوبأشكال ويكون Reinforcing by Dispersed)(شرية ، كذلك تتم التقوية بالتشتتوالكروية والِق التقوية التقوية شيوعاً فهيأساليبكثر أ أما. ( 0.1µm )قل من أطر الدقائق ق نظراً لما تتميز به من قوة كبيرة مقارنة بالمواد Reinforcing by Fibers)(باأللياف أو طع مقَأو بأنواع وأشكال مختلفة فمنها ما يكون بشكل مستمر األليافالراتنجية ، وتكون . ]١٩٩٩محلي[بشكل ظفائر محاكة ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٥٨ إن اإلستخدام العام للمادة المركبة يعتمد بشكل كبير على الخواص الميكانيكية والفيزيائية لهذه لذلك فإن دراسة هذه الخواص تحت تأثير القوى واألحمال في ظروف مختلفة يكتـسب المواد .كبيرة لمعرفة مدى مالئمة هذه الخواص لمكان عمل هذه المواد أهمية )Fibers Reinforcing(األلياف التقوية ب هو لتحسين الخواص الميكانيكية والفيزيائية للراتنجات إن الهدف الرئيسي من التقوية باأللياف هذه المواد المقواة يسمح بإستخدام حيث تزداد مقاومة الشد والصدمة والصالدة بشكل كبير مما لمـواد المركبـة بالمتقدمـة يطلق على هـذا النـوع مـن ا . عنيفة في مجاالت صناعية (Advanced Composites) وذلك لتفريقها عن المواد المحشوة)Filled Polymers. ( إن في هذا النوع من المواد المركبة هي المسؤول الرئيسي عن تحمل األحمال الخارجيـة األلياف الزجـاج أنواع األلياف شيوعاً في مجال المواد المركبة المتقدمـة هـي أليـاف ، ومن أكثر .]٢٠٠٠ طاهر[والكاربون وألياف كيفالر . ) Phenol Formaldehyde Resin(راتنج الفينول فورمالدهيد يعتبر راتنج الفينول فورمالدهيد من أقدم الراتنجات المستخدمة تاريخياً ، حيث يتم تحضير هذا والعامل المحفز المـستخدم الراتنج من تفاعل الفينول مع الفورمالدهيد ليعطي مركبات تكثيفية المستخدم وعلـى النـسب أو قاعدة وطبيعة الراتنج الناتج تعتمد على نوع المحفز أما حامض يستخدم راتنج الفينول فورمالدهيد في . ) الفينول والفورمالدهيد (الجزيئية بين المواد المتفاعلة بمقاومة حرارية وعزل كهربائي الكثير من العمليات الصناعية ومنها إنتاج األوعية التي تمتاز وكذلك يستخدم في تطبيقات الفضاء كونه يتحول في درجات الحرارة العالية إلـى الكـاربون المكـوك الفـضائي وغيرهـا مـن التطبيقـات ليكون طبقة متفحمة عازلة وحامية لمقدمـة . رمالدهيد يوضح التركيب الكيميائي لراتنج الفينول فو)١(الشكل رقم .]efunda2001[اُألخرى .)Composite Materials Properties (خواص المواد المركبة تعتمد اإلستخدامات العامة والهندسية للمواد المركبة إلى حد بعيد على خواصـها الميكانيكيـة ومقاومتها للحرارة والظـروف والفيزيائية مثل مقاومة الشد والمرونة وقابلية المادة للإلستطالة إن جميـع هـذه . مثل الرطوبة وأشعة الشمس وغيرها من الخواص التطبيقية اُألخرى ة البيئي الخواص تعتمد كثيراً على التركيب الجزيئي للراتنج وعلى وزنـه الجزيئـي وعلـى القـوى إلى حد كبير على مواد التقوية وعلى المواد كما تعتمد هذه الخواص . ]١٩٩٤سويلم[الجزيئية :ومن الخواص المناقشة في هذا البحث ما يأتي . والملدنات المضافة مثل الحشوات ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٥٩ . (Impact Strength)مقاومة الصدمة -١ تحت تأثير حمل مفاجئ ، كمـا تعتبـر تُعبر مقاومة الصدمة عن قدرة المادة لمقاومة الكسر ويمكـن . للصدمة التي تبدي أعلى مقاومة مقياساً لمتانة المادة حيث المواد األكثر متانة هي بإضافة بعض المحسنات مثل مطاط بيوتـادين أو إضـافة تحسين مقاومة الصدمة للراتنجات الطرق فاعليـة فـي تحـسين الملدنات أو بترتيب وتراصف السالسل البوليمرية ولكن أكثر .مقاومة الصدمة هي التقوية باأللياف . ( Tensile Strength)مقاومة الشد -٢ المـادة د مقياساً لقابلية المادة على مقاومة القوى الساكنة التي تحاول سحب تعتبر مقاومة الش ساس التـي األمادة التتكون المواد المركبة الليفية من ألياف قوية هشة مغمورة في . وكسرها تبدأ المادة المركبة باإلستطالة بشكل خطي في البداية إسـتجابة . تتصف بكونها أكثر مطيلية مادة األساس إلى نقطـة المع إستمرار التحميل يحصل إنحراف نتيجة لوصول للجهد المسلط و ــاف ــستمر األلي ــين ت ــي ح ــضوع ف ــار الخ ــى تنه ــة حت ــتطالة و المقاوم باإلس . تفشل المادة المركبة كلياً تتهشم المادة األساسوعندما .]Lubin1976[مقاومتها .(Hardness) الصالدة -٣ عالميـة المادة للخدش أو اإلختراق ، وهنالك ِعدة مقـاييس على إنها مقاومة رف الصالدة عتُ وصـالدة وأكثرهـا شـيوعاً صـالدة برينـل مختلفة لتعيـين صـالدة المـواد اللدائنيـة في سطح النموذج أثناء تسليط القـوة يحدث اإلختراق بمعدل بطيء .]١٩٩٥أمل [روكويل القـوة المـؤثرة تحـصل ، وبعد زوال مما يؤدي إلى حدوث زحف موضعي ألجل اإلختبار في حساب صـالدة إستعادة بطيئة نسبياً في اإلختبار مما يؤدي إلى تغيير أبعاد األثر المعتمد ولمنع حدوث ذلك يتوجب اإللتزام بالفترة الزمنية المحددة لتسليط القـوة علـى سـطح المادة كشف سريع لما يطـرأ تبرز أهمية إختبارات الصالدة في إعطاء . ]Crum1997[النموذج من تغيرات على الخواص الميكانيكية للمادة نتيجة لعمليات التـصنيع والتغيـرات الكيميائيـة .والمعامالت الحرارية والتعتيق والتغيرات المصاحبة لعمليات التشكيل ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٦٠ )Experimental Work(الجزء العملي فية تحـضيرها إضـافة إلـى اإلختبـارات يتضمن الجزء العملي تحضير المواد األولية وكي .الميكانيكية التي تم إجراءها على المادة المركبة .المواد المستخدمة في البحث -أوالً :تم في هذا البحث إستخدام المواد التالية والتي تم تصنيع النماذج منها وهي ( Phenol Formaldehyde Resin) راتنج الفينول فورمالدهيد -1 .متلك راتنج الفينول فورمالدهيد مقاومة حرارية وكيميائية جيدة وذو قابلية إشتعال واطئة ي (Kevlar Fibers)ر ألياف كيفال-2 والذي يحضر بـالبلمرة Poly(P-Phenyleneterephthalamide)وهي عبارة عن بوليمر هــذه . (P-Phenylenediamine) و(Terephthaloyl Chloride)التكثيفيــة لمركبــي األلياف تكون بهيئة سلسلة بوليمرية خطية غير متقطعة نتيجة الترابط الموجه لحلقات البنزين في هذا البحث تـم إسـتخدام . ر يوضح التركيب الكيميائي أللياف كيفال )٢(والشكل رقم ، .(485g/cm3)سطحية ذات كثافة ) 0o-90o(ألياف كيفلر بشكل ظفائر محاكة ثنائية اإلتجاه . (Test Specimens Preparation) تحضير النماذج -ثانياُ :تم في هذا البحث تصنيع ثالثة أنواع من النماذج خاصة باإلختبارات التي تم إجراءها وهي .(Impact Specimens)نماذج إختبار الصدمة -١ ـ (ASTM-E23) إختبار الصدمة حسب المواصـفات القياسـية نماذج تم تصنيع ة والمالئم 0.5)عمق الحز في النمـاذج . (Charpy Impact)للفحص في جهاز الصدمة نوع شاربي mm) ونصف قطر قاعدة الحز (0.25 mm) وبزاوية حز مقدارها)º45 (. .(Tensile Specimens)نماذج إختبار مقاومة الشد -٢ ـ (ISO – R – 527)تم إعتماد المواصفة القياسية ة الـشد في تصنيع نماذج إختبـار مقاوم .)٣(الشكل رقم والموضحة في . (Hardness Specimens) ة إختبار الصالدنماذج -٣ ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٦١ A F =σ A E R = وسـمك (mm 25) أقـراص دائريـة بقطـر تم تصنيع نماذج إختبار الصالدة على شـكل (10 mm) تالئم إختبار الصالدة بطريقة برينل. لتـصنيع عينـات (20%,40%,60%)يـاف كـيفالر تم إضافة نسب وزنية مختلفة مـن أل اإلختبارات أعاله وبواقع ثالث عينات لكل نسبة وزنية وأخـذ معـدل القـراءات لتقلـيص .اإلنحراف الحاصل في النتائج إن وجد .(Mechanical Tests) اإلختبارات الميكانيكية –ثالثاً نيكية للتعُرف على خواص المادة المركبـة ، تم في هذا البحث إستخدام ثالثة إختبارات الميكا :وهذه اإلختبارات هي .(Impact Test) إختبار الصدمة -١ (Charpy Impact Instrument)ُأستخدم جهاز فحص مقاومة الـصدمة نـوع شـاربي ويمكن حـساب مقاومـة .الكاربون .مل الصدم للتعُرف على مدى مقاومة المادة المركبة لحِ :من المعادلة التالية الصدمة :حيث R = مقاومة الصدمة(kj/m2). E = الشغل أو الطاقة. A = مساحة المقطع العرضي لنموذج اإلختبار(mm2). .( Tensile Test)إختبار مقاومة الشد -٢ خواص المادة المركبة تحت تأثير ِحمل شـد محـوري بإتجـاه لمعرفة رُأستخدم هذا اإلختبا في قياس هذه (Universal Instrument)م إستخدام جهاز اإلختبارات العام ، حيث تواحد :ويمكن حساب مقاومة الشد من القانون اآلتي . (KN 20)الخاصية وبمعدل ِحمل :حيث σ = مقاومة الشد (N/m2). F = الحِمل المسلط (N). A = العرضي للنموذج مساحة المقطع(m2). . ( Hardness Test) ةإختبار الصالد -٣ ، حيـث المـادة المركبـة ة صالد لحساب(Brinell Hardness) لتم إستخدام طريقة برين (sec 15)لمدة (Kg 10) مع تسليط ِحمل مقداره (mm 5)ُأستخدمت كرة فوالذية بقطر ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٦٢ ( )22 2 dDD D P HB −−⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ × = π ويمكـن إسـتخراج قـيم . األثر الناتج على السطح قياس قُطر يتموبعد زوال القوة المؤثرة :الصالدة من العالقة التالية :حيث HB = لصالدة برين (N/m2). P = الُمسلطة القوة (N). D= اإلختبار قُطر كرة (mm). d = قُطر األثر الناتج على السطح(mm). .) DiscussionResults and(النتائج والمناقشة في مجال إستخدام هكذا مواد ، حيـث ركبة أهمية كبيرة متمتلك الخواص الميكانيكية للمادة ال ومن خـالل هـذه . حتى تؤدي عملها بكفاءة يجب أن تكون قيم هذه الخواص عالية ومقبولة إلتجـاه اإلختبارات التي ُأجريت على راتنج الفينول فورمالدهيد المقوى بألياف كيفالر ثنائية ا والتي تُمثل قيم مقاومة الـشد ومقاومـة حصلنا على النتائج الموضحة في المخططات البيانية .الصدمة والصالدة نسبة إلى نسبة التقوية باأللياف يوضح قيم مقاومة الصدمة مع نسبة التقوية باأللياف ، )٤(الشكل رقم . ةمقاومة الصدم -١ ولكن بعد تقويتهـا منخفضة للراتنجات نظراً لهشاشتها حيث تعتبر مقاومة الصدمة بشكل عام باأللياف تزداد قيمة مقاومة الصدمة ويرجع السبب في ذلك إلى كون األلياف سـوف تتحمـل وهكـذا .المسلطة على المادة المركبة مما ُيحسن هذه المقاومة الجزء األكبر من طاقة الصدم %) .٦٠(و %) ٤٠(األلياف إلىتزداد مقاومة الصدمة مع زيادة نسبة التقوية ب تعتبر الراتنجات من المواد الهشة حيث مقاومتها للشد منخفضة جداً وهـذا . مقاومة الشد -٢ ، ولكن عند إضافة األلياف إلى هذه المواد تتحسن مقاومتها للـشد )٥(الشكل رقم ما نراه في لياف مما يرفع مقاومة الشد بصورة كبيرة حيث إن الجزء األعظم من الجهد المسلط تتحمله األ وتزداد مقاومة الشد بزيادة نسبة . للمادة المركبة وذلك ألن األلياف تتميز بمطيليتها المنخفضة األلياف المضافة حيث تشِغل األلياف حيز أكبر داخل الراتنج مما يسمح بتوزيع الِحمل المسلط .عليها بشكل أفضل ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٦٣ الشكل رقم بشكل عام بإنخفاض صالدتها حيث نالحظ من تتميز المواد اللدائنية . الصالدة -٣ تدني قيمة صالدة راتنج الفينول فورمالدهيد قبل التقوية باأللياف ، إال إن قيمة الـصالدة )٦( ترتفع بشكل حاد عند التسليح بألياف كيفالر نظراً لتوزيع الِحمل على األلياف مما يقلل معـدل وتزداد صالدة المادة المركبة مع زيـادة . فع قيم صالدتها اإلختراق لسطح المادة المركبة وير .نسبة األلياف المضافة لنفس السبب المذكور أعاله .)Conclusions (اإلستنتاجات :من خالل النتائج التي تم الحصول عليها يمكن الخروج باإلستنتاجات التالية . كونه من المواد الهشة ورمالدهيد الفينول فإنخفاض قيم الخواص الميكانيكية لراتنج -١ لراتنج الفينول فورمالدهيد بعد تقويته بألياف كـيفالر تحُسن قيم هذه الخواص الميكانيكية -٢ . ثنائية اإلتجاه ألن الِحمل األكبر المسلط على المادة المركبة الناتجة سوف تتحملـه األليـاف .ياف المضافة وتزداد قيم الخواص الميكانيكية مع زيادة نسبة األل .)References(المصادر ، رسالة ماجـستير، جامعـة “المقساةتحسين خواص المواد اللدائنية ” علي هوبي حليم -١ .١٩٩٩ ، بابل دار المريخ للنشر ، الرياض “ أساسيات علم وتقنية البلمرات” عبد الفتاح محمود طاهر . د -٢ . ٢٠٠٠ المملكة العربية السعودية ، - 3-efunda Engineering Fundamentals “Polymer Material Properties” ,2001. (www.efunda.com). ، الطبعة األولى “ تشغيلها- طرق تصنيعها - أنواعها -اللدائن ماهيتها ” عادل محمد سويلم -٤ .١٩٩٤زيع ، ، دار الكتب العلمية للنشر والتو 5- George Lubin “ Handbook of Fiberglass and Advanced Plastics composite ”, First Edition , 1975. ، “ هجينـة مواد مركبـة و لمواد مركبة الخواص الميكانيكية دراسة ” أمل علي رجب -6 . ١٩٩٥رسالة ماجستير، هندسة المكائن والمعدات ، الجامعة التكنلوجية ، 7- N.G.McCrum, C.P.Buckley and C.B.Bucknal “Principal of Polymer Engineering” , Second Edition , Oxford University Press , 1997 . ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٦٤ ]٢٠٠٠ طاهر[يائي لراتنج الفينول فورمالدهيد التركيب الكيم :)١(والشكل رقم CO - - CO – NH - - NH ]Crum1997[التركيب الكيميائي أللياف كيفالر : )٢(الشكل رقم 24 mm 155.5 mm 8mm 24.5 mm 24.5 mm 24 mm 18 m m نموذج إختبار مقاومة الشد) : ٣(الشكل رقم ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٦٥ 0 20 40 60 80 0 100 200 300 400 500 لراتنج الفينول فورمالدهيد المقوى بألياف كيفالر إختبار مقاومة الشد :) ٥(الشكل رقم Reinforcing Percentage (%) T en si le S tr en gt h ( N /m 2 ) لراتنج الفينول فورمالدهيد المقوى بألياف كيفالر اومة الصدمة إختبار مق:) ٤(الشكل رقم Reinforcing Percentage (%) Im pa ct S tr en gt h (K j/m 2 ) 0 20 40 60 80 0 50 100 150 200 250 ٢٠٠٨ ٢ العدد ١علوم الهندسية المجلد مجلة القادسية لل ٦٦ 0 20 40 60 80 0 20 40 60 80 100 Reinforcing Percentage (%) H ar dn es s ( N /m 2 ) هيد المقوى بألياف كيفالرإختبار الصالدة لراتنج الفينول فورمالد) : ٦(الشكل رقم