عوامل مؤثر بر شکست کامپوزیت های پلیمری

 

مفهوم شکست مواد پلیمری تحت تاثیر اثرات ترک ها و نواقص بر استحکام ضربه قطعات پلیمری می باشد و طول بحرانی یک ترک، عامل اساسی در استحکام شکست می باشد.در مفاهیم شکست، دو متغیر چقرمگی شکست یک ماده را تعیین می کنند، متغیر اول شدت تنش و متغیر دوم انرژی می باشد. در این میان، متغیر شدت تنش، چقرمگی شکست (Kc) را تعیین می کند و اندازه ترک ایجاد شده را به استحکام شکست مرتبط می کند و متغیر انرژی،بیانگرانرژی بحرانی آزاد شده (Gc) است که مرتبط با انرژی صرف شده جهت انتشار ترک در سطح می شود.

در ادامه اثر سه عامل اندازه ذرات معدنی، چسبندگی بین پلیمر و ذرات و مقدار ذرات بر استحکام شکست کامپوزیت های حاوی ذرات معدنی بررسی می شود:

۱-  عامل اندازه ذرات

دو متغیر چقرمگی شکست (Kc) و انرژی بحرانی آزاد شده (Gc) در مورد کامپوزیت های اپوکسی حاوی ۵۵ و ۶۴ درصد سیلیکای زاویه دار با اندازه ذرات متفاوت (۲ تا ۴۷ میکرون) در شکل های ۱و ۲ بررسی شده است :

شکل ۱ : اثر اندازه ذرات بر چقرمگی شکست (Kc) کامپوزیت های اپوکسی پر شده با ذرات سیلیکا

شکل ۲ : اثر اندازه ذرات بر چقرمگی شکست (Gc) کامپوزیت های اپوکسی پر شده با ذرات سیلیکا

 

متغیرهای Kc و Gc در مورد یک نمونه شکاف دار به سه روش خمش سه نقطه ای و پیچاندن دو تایی و ضربه چارپی اندازه گیری می شود.

همانطور که از شکل ۱ و ۲ مشخص می شود چقرمگی شکست در کامپوزیت های اپوکسی شده با ذرات سیلیکا، با افزایش اندازه ذرات سیلیکا افزایش می یابد و چقرمگی شکست در مقدار وزنی بیشتر از سیلیکا نیز بیشتر است.

در یک مورد دیگر اثر سایز ذرات و مقدار آن در مورد کامپوزیت اپوکسی پر شده با پودر آلومینیوم تری هیدرات بررسی شده که نتیجه آن در شکل ۳ نشان داده شده است:

شکل ۳ : اثر اندازه و کسر حجمی ذرات بر چقرمگی شکست کامپوزیت های اپوکسی پر شده با پودر آلومینیوم تری هیدرات

 

همان طور که از شکل ۳ مشخص است در مورد کامپوزیت های اپوکسی پر شده با پودر آلومینیوم تری هیدرات هرچه سایز ذرات بیشتر باشد، چقرمگی شکست نیز بیشتر می شود ولی در مورد کسر حجمی ذرات، مقدار بهینه ای وجود دارد که در مقادیر بیشتر از آن چقرمگی شکست کاهش می یابد.

در دو مثال قبلی که اندازه ذرات در مقیاس میکرون بودند، با افزایش اندازه ذرات چقرمگی شکست نیز افزایش یافت اما اگر سایز ذرات نانومتر باشد و مقادیر افزودنی نیز زیاد باشد با افزایش اندازه ذرات، چقرمگی شکست کاهش می یابد. به عنوان مثال در مورد کامپاندهای پلی پروپیلن بهبود یافته با کربنات کلسیم با دو سایز متفاوت ۱ میکرومتر و ۵۰ نانومتر دیده می شود که با افزودن ۱۲ درصد حجمی از کربنات کلسیم با اندازه ذرات ۱ میکرومتر چقرمگی شکست ۶۰ درصد بهبود می یابد در حالی که با افزودن همین مقدار کربنات کلسیم با اندازه ذرات ۵۰ نانومتر، چقرمگی شکست ۳۵۰ درصد بهبود می یابد (شکل۴).

شکل ۴ : چقرمگی شکست کامپاندهای پلی پروپیلن بهبود یافته با الاستومر EOC و کربنات کلسیم با دو سایز متفاوت

۲- چسبندگی بین پلیمر و ذرات

در یک مثال چقرمگی شکست نانوکامپوزیت های پلی آمید۶ با سیلیکای اصلاح نشده و سیلیکای اصلاح شده با آمینوبوتریک اسید بررسی شده است که نتایج آن در شکل ۵ آمده است. اندازه ذرات سیلیکا بین ۵۰ تا ۱۱۰ نانومترمی باشد.

شکل ۵: چقرمگی شکست نانوکامپوزیت های پلی آمید۶ با ذرات سیلیکای اصلاح نشده و اصلاح شده

همان طور که از شکل ۵ مشخص است چقرمگی شکست نانوکامپوزیت های پلی آمید۶ در حالتی که ذرات سیلیکا اصلاح شده اند خیلی بیشتر از حالتی است که ذرات سیلیکا اصلاح نشده اند و این به دلیل بهبود چسبندگی پلیمر با ذرات سیلیکای اصلاح شده می باشد.

۳- مقدار ذرات

اثر کسر حجمی ذرات کربنات کلسیم(با قطر ۰٫۷ nm) بر چقرمگی شکست کامپوزیت پلی پروپیلن با کربنات کلسیم در شکل ۶ نشان داده شده است.

شکل ۶: استحکام ضربه کامپوزیت پلی پروپیلن با کربنات کلسیم در مقادیر حجمی متفاوت از کربنات کلسیم

همان طور که از شکل ۶ مشخص است استحکام ضربه کامپوزیت پلی پروپیلن با کربنات کلسیم به طور خطی با افزایش کسر حجمی کربنات کلسیم افزایش می یابد و در مقدار ۳۵ درصد حجمی از کربنات کلسیم، استحکام ضربه ۴ برابر می شود و دلیل آن این است که ذرات کربنات کلسیم در برابر ضربه دچار شکست نمی شوند و از ایجاد ترک در فاز پلیمری جلوگیری می کند و باعث افزایش چقرمگی شکست کامپوزیت های فوق می شود.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *