خواص کامپوزیت های زمینه پلیمری

خواص کامپوزیت ها به طور حتم مربوط به خصوصیات مواد سازنده ی و همچنین توزیع و فعل و انفعال بین آنهاست. خواص کامپوزیت ها ممکن است بخشی از مجموع خصوصیات سازنده شان باشد یا سازنده ها در یک روش متقابل واکنش دهند که نتیجه آن بهبود خواص کامپوزیت باشد. جدا از خصوصیت مواد سازنده کامپوزیت، هندسه تقویت کننده در خواص کامپوزیت ها تا حدی تأثیر می گذارد. توزیع غلظت و نحوه ی جهت یابی تقویت کننده نیز خواص کامپوزیت را تغییر می دهند.

شکل فاز های ناپیوسته که ممکن است کروی، استوانه ای، چهارگوش، منشوری یا مسطح باشد و اندازه و مقدار توزیع انها نوع بافت کامپوزیت را کنترل می کند. همچنین مقدار جزیی فصل مشترک که نقش مهمی در تعیین حد فعل و انفعال بین تقویت کننده و زمینه دارد، در خواص کامپوزیت ها موثر است.گاهی اوقات کامپوزیت ها دارای ویژگی های منحصر به فردی هستند که این ویژگی ها در هیچ یک از اجزای سازنده وجود ندارد.

پارامترهای مهم دیگری بر خصوصیات کامپوزیت ها تأثیر گذار هستند، مانند رفتار منحنی تنش، کرنش تقویت کننده و زمینه و درصد حجمی آنها و جهت تنش و یا بار اعمالی. جهت تقویت کننده نیز بر ایزوتروپی سیستم موثر است. مواد کامپوزیتی یا ایزوتروپ یا آنزوتروپ که توسط ساختار کامپوزیت ها تعیین می شود. مواد ایزوتروپ موادی هستند که خواص آنها بستگی به جهت مورد اندازه گیری ندارد و مواد آنزوتروپ موادی هستند که خواص آنها در طول یک محور به خصوص و یا موازی یک محور به خصوص، از خواص اندازه گیری شده در دیگر جهت ها متفاوت است. بر طبق قانون مخلوط ها و با استفاده از روابط ریاضی خواص مواد کامپوزیتی تعریف می شود.

نیروی حاصل از گره خوردگی زنجیره های پلیمری یکی از دلایل افزایش استحکام در پلیمرهاست که این حالت گره خوردگی پس از اعمال نیروی کششی باز می شود و منجر به کاهش استحکام مکانیکی می شود. نیروی کششی موجب لغزش، چرخش و از هم باز شدن زنجیره ها و در نهایت منجر به افزایش طول می شود. البته با حذف نیرو و گذشت زمان ویژگی های از بین می روند و زنجیره ها به حالت ابتدایی خود برمی گردند. در چنین حالتی گفته می شود که پلیمر از خود رفتار ویسکوالاستیک نشان داده است.

حالت ویسکوالاستیک قابلیت تغییر شکل در زنجیره ها در اثر اعمال تنش و حذف تغییر شکل پس از تنش است. از جمله عوامل موثر بر ویژگی ویسکوالاستیک مواد، سرعت کرنش است. در صورتی که نیروی کششی به سرعت اعمال شود، ماده ترموپلاستیک از خود رفتار ترد نشان خواهد داد. اما در صورتی که نیرو به آهستگی اعمال شود زنجیره ها روی هم می لغزند و رفتار ویسکوالاستیک دیده می شود.

در واقع می توان گفت که رفتار ویسکوالاستیک وابستگی تغییر شکل کشسان و دائم را به زمان نشان می دهد.علاوه بر سرعت کرنش، دما نیز در رفتار ویسکوالاستیک موثر است. در صورتی که اعمال تنش کششی در دماهای پایین صورت بگیرد، پلیمر از خود رفتار ترد نشان می دهد. با افزایش دما رفتار ویسکوالاستیک تشدید می شود.با افزایش تنش کششی، پلیمر دچار تغییر شکل دائم می شود. فرآیند تغییر شکل دائم در فلزات و پلیمرها با یکدیگر متفاوت است.

تغییر شکل دائم در فلزات به دلیل حرکت نابه جایی هاست در حالی که منشاً تغییر شکل دائم در پلیمرها لغزش زنجیره ها و کشیده شدن زنجیره ها است. در پلیمرها پس از نقطه تسلیم، تنش لازم برای ازدیاد طول کم می شود و مجدداً افزایش می یابد تا به مرز نقطه شکست جسم برسد. علت کاهش تنش پس از رسیدن به نقطه تسلیم ایجاد پدیده گلویی شدن است. با افزایش تنش، زنجیره ها باز می شوند و حالت صاف به خود می گیرند. صاف شدن زنجیره ها باعث ایجاد اتصال واندروالس می شود و نیروی بیشتری برای افزایش کرنش لازم است.

مسئله دیگری که در پلیمرها مورد بررسی قرار می گیرند، پدیده خزش است. معمولاً مقاومت خزشی پلیمرها کم است و زنجیره های پلیمری به سرعت تغییر شکل می دهند و دچار کرنش می شوند. در پلیمرها بر خلاف سرامیک ها و فلزات، کرنش با گذشت زمان افزایش می یابد. مرحله مهم خزش که مرحله پایداری است در پلیمرها وجود ندارد. در پلیمرها با افزایش دما سرعت خزش افزایش می یابد زیرا با افزایش دما گرانروی کاهش می یابد.

در پلیمرها برخلاف سرامیک ها و فلزات وقتی ماده تحت تأثیر تنش معینی دچار کرنش می شود، با ثابت ماندن تنش میزان کرنش ثابت نمی ماند. در حقیقت در اثر سیلان زنجیره ها، با گذشت زمان تنش ذخیره شده در زنجیره ها کاهش می یابد. از این رو برای آنکه کرنش ثابت باقی بماند بایستی تنش کاهش یابد. چنین رفتاری به دلیل رفتار ویسکوالاستیک پلیمرهاست و به استهلاک تنش موسوم است. زمان استهلاک تنش در پلیمرها متفاوت است و تحت تأثیر دمایی است که پلیمر در آن دما قرار دارد.

ویژگی دیگری که در پلیمرها مورد بررسی قرار می گیرد مقاومت به ضربه است. در واقع مقاومت به ضربه تحت تأثیر رفتار ویسکوالاستیک پلیمرهاست. اگر سرعت کرنش زیاد باشد و زنجیره های پلیمری زمان کافی برای لغزش و چرخش نداشته باشند، پلیمر از خود رفتار ترد نشان می دهد. معمولاً در کامپوزیت های پلیمری دمایی وجود دارد که در درجه حرارت های پایین تر از آن دما پلیمر از خود رفتار ترد نشان می دهند و در درجه حرارت های بالاتر از آن دما رفتار ترد دیده نمی شود.

پلیمرهای بلورین در هنگام اعمال تنش کششی رفتار دیگری از خود نشان می دهند. از آنجا که پلیمرهای بلورین به طور کامل بلورین نیستند و توسط قسمت های آمورف، هم اتصال یافته اند، تحت تأثیر تنش کششی، قسمت های بلورین از ناحیه آمورف تغییر شکل می یابند و در یک راستا قرار می گیرند، ضمن آنکه با افزایش تنش از قسمت آمورف دچار شکست می شوند.

در صورتی که زمینه های پلیمری توسط ذرات تقویت شده باشند. ویژگی های دیگری نسبت به پلیمرهای تقویت شده با الیاف به دست می آید. ذرات برای افزایش مدول یانگ، مقاومت خزشی و یا ایجاد ویژگی های مغناطیس و در برخی مواقع به منظور زیبایی به زمینه افزوده می شوند. حضور ذرات باعث افزایش سختی و استحکام می شود. همپنین مقاومت سایشی و حرارتی پلیمر را نیز افزایش می دهد.

کامپوزیت های زمینه پلیمری به خاطر قیمت پایین که نسبت به دیگر کامپوزیت ها دارند بیشتر استفاده می شوند.این کامپوزیت ها وزن بسیار کمی دارند اما در مقابل استحکام کششی بالا، چقرمگی شکست بالا، سفتی بالا، مقاومت سایشی و مقاومت به خوردگی خوب آنها باعث شده که در مصارف گوناگون از آنها استفاده شود. مشکل اصلی آنها مقاومت گرمایی پایین است که باعث شده در بسیاری از جاها محدودیت استفاده داشته باشید.