Influence of Annealing on Tensile Creep Life of CF/PP Unidirectional Tape

غالباً ما يدرس علماء المواد كيفية صمود الأشياء تحت الضغط، ولكن بالنسبة لفئة معينة من المركبات الحديثة، فإن الاختبار الحقيقي هو الزمن. تُعرف البلاستيكات المعززة بألياف الكربون (CFRP) بأنها مادة استثنائية لقوتها الفائقة وخفة وزنها، حيث تجد طريقها في كل شيء، من أجنحة الطائرات إلى المعدات الرياضية عالية الأداء. ومع ذلك، فإن هذه المواد ليست ساكنة؛ فهي تحتوي على رابط بلاستيكي، أو "مصفوفة"، يتصرف كأنه سائل بطيء الحركة على فترات طويلة. هذا السلوك، المسمى باللزوجة المرنة، يعني أنه حتى الحمل الثابت يمكن أن يسبب تمدد المادة وفشلها في النهاية، وهي عملية تُعرف باسم "الزحف". تعتمد متانة هذه الهياكل بشكل كبير على البيئة، ولا سيما درجة الحرارة. فإذا لانت المصفوفة البلاستيكية أو تغيرت بنيتها الداخلية بسبب الحرارة، يمكن للمركب بأكمله أن يفقد قوته. إن فهم كيفية جعل هذه المواد تدوم لفترة أطول تحت أشعة الشمس والحمل يمثل تحدياً حاسماً للمهندسين الذين يصممون الجيل القادم من البنية التحتية ووسائل النقل المتينة.

في دراسة حديثة، وضع باحثون من معهد كانازاوا للتكنولوجيا وشركة ميتسوي كيميكالز (Mitsui Chemicals) هدفهم لحل لغز محدد يتعلق بألياف الكربون المعززة بالبولي بروبيلين، وهو نوع من الـ CFRP يستخدم البولي بروبيلين كمصفوفة بلاستيكية. وقد ركزوا على عملية تسمى "التخمير" (annealing)، والتي تتضمن تسخين المادة إلى درجة حرارة معينة وإبقاءها هناك للسماح لبنيتها الداخلية بالاستقرار والتقوية. أراد الفريق معرفة ما إذا كان بإمكانهم استخدام هذه المعالجة الحرارية لإطالة عمر المادة بشكل كبير عندما تكون تحت شد مستمر. لقد عملوا مع أشرطة رقيقة مكونة من ألياف كربون مغلفة بالبولي بروبيلين، وعرضوها لمعالجات حرارية مختلفة لمعرفة كيف ستتغير بلورة البلاستيك داخلياً وكيف سيؤثر ذلك بدوره على قدرة الشريط على مقاومة الكسر بمرور الوقت.

بدأ الباحثون بتأكيد علاقة أساسية: تسخين البولي بروبيلين يسبب بلورته، أو ترتيب جزيئاته في بنية أكثر نظاماً وصلابة. هذا التغيير في النظام الداخلي للبلاستيك يغير طريقة تدفقه وتمدده، وهي خاصية تُعرف باللزوجة المرنة. ولقياس ذلك، قاموا بتسخين عينات من الشريط وألواح من البولي بروبيلين النقي عند درجات حرارة مختلفة، تتراوح من 120 درجة مئوية إلى 160 درجة مئوية، لفترات زمنية مختلفة. ولاحظوا أنه بينما حافظ التسخين عند 120 درجة مئوية على سطح الشريط ناعماً، فإن التسخين عند 150 درجة مئلة أو أعلى تسبب في ظهور أخاديد على طول الألياف، مما جعل المادة غير صالحة لمزيد من الاختبارات. ومن خلال التركيز على العينات الأكثر نعومة، أثبتوا أن البولي بروبيلين داخل الشريط يتصرف تماماً مثل البولي بروبيلين النقي، مما سمح لهم باستخدام قياسات قياسية لفهم سلوك المركب.

تضمن جوهر تحقيقهم مقارنة معالجتين حراريتين محددتين: ساعة واحدة عند 120 درجة مئوية وساعة واحدة عند 140 درجة مئوية. ووجدوا أن المعالجة عند درجة الحرارة الأعلى أدت إلى مصفوفة بلاستيكية أكثر بلورية واستقراراً. وباستخدام طريقة طوروها سابقاً، تربط سلوك المصفوفة البلاستيكية بقوة المركب ككل، توقعوا المدة التي ستستغرقها الأشرطة تحت حمل ثابت. أشارت حساباتهم إلى أن الشريط المعالج عند 140 درجة مئوية سيستمر لفترة أطول بكثير من ذاك المعالج عند 120 درجة مئوية. وللتحقق من ذلك، أخضعوا الأشرطة للاختبار، حيث علقوا أوزاناً عليها عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 120 درجة مئوية وانتظروا لرؤية متى ستنكسر. طابقت النتائج توقعاتهم عن كثب، مما أكد أن المعالجة الحرارية الأولية كانت أداة قوية للتحكم في عمر المادة.

كشفت الدراسة عن فرق صارخ في الأداء بناءً على المعالجة الحرارية الأولية. فبالنسبة للأشرطة التي اختُبرت عند درجة حرارة ثابتة تبلغ 120 درجة مئوية، استمر الشريط الذي تمت معالجته بالتخمير عند 140 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة في العمل لمدة أطول بنحو أربعة أضعاف من الشريط الذي عولج عند 120 درجة مئوية لنفس المدة. لم يكن هذا الارتفاع الدراماتيكي في العمر ناتجاً عن تغيير في ألياف الكربون نفسها، بل بسبب استقرار المصفوفة البلاستيكية. وأوضح الباحثون أن المعالجة الحرارية الأعلى خلقت بنية مستقرة للغاية لدرجة أنها لم تتغير كثيراً عند تعرضها لدرجة حرارة الاختبار. في المقابل، استمر الشريط المعالج عند درجة الحرارة الأقل في التغير والتبلور أثناء وجوده تحت الحمل، وهي عملية أدت في النهاية إلى الفشل.

لعل النتيجة الأكثر عملية تتعلق بالسلوك طويل الأمد لهذه المواد عند درجات حرارة التشغيل المنخفضة والمعتادة. نظر الفريق فيما سيحدث إذا استُخدمت هذه الأشرطة في بيئات تبلغ 25 أو 50 أو 85 درجة مئوية. ووجدوا أنه عند درجات الحرارة المنخفضة هذه، تتوقف عملية التبلور تقريباً. حافظت المادة المعالجة عند 140 درجة مئوية على قوتها المتفوقة، وظلت أكثر متانة بنحو أربعة أضعاف من المادة المعالجة عند 120 درجة مئوية. ومع ذلك، إذا تم ضبط درجة حرارة التشغيل عند 120 درجة مئوية، فإن المادة المعالجة عند درجة الحرارة الأقل ستستمر في التبلور بمرور الوقت، لتلحق في النهاية بأداء العينة المعالجة حرارياً بدرجة أعلى، ولكن بعد تأخير طويل. وهذا يعني أنه في معظم التطبيقات العملية حيث تظل درجة الحرارة أقل بكول درجة معالجة التخمير، يمكن لخطوة تخمير واحدة بدرجة حرارة أعلى أن تضمن عمراً خدمياً أطول بكثير.

خلص المؤلفون إلى أن المفتاح لإطالة عمر هذه الأشرطة الكربونية يكمن في طاقة التنشيط المطلوبة لتغير بنية البلاستيك. فالطاقة اللازمة لتبلور البلاستيك أعلى بكثير من الطاقة اللازمة لمجرد تمدده أو تشوهه. وهذا يعني أنه بمجرد إعطاء المادة معالجة حرارية قوية، فإنها تقاوم أي تغييرات إضافية ما لم تتعرض لدرجات حرارة تقارب درجة حرارة المعالجة نفسها. ومن خلال اختيار درجة حرارة التخمير المناسبة، يمكن للمهندسين ضمان بقاء المادة مستقرة وقوية لسنوات، حتى تحت الإجهاد المستمر. توفر هذه الدراسة طريقة واضحة ومختبرة للتنبؤ بمدة بقاء هذه المواد، مما يوفر وسيلة موثوقة لتصميم هياكل أكثر أماناً ومتانة باستخدام ألياف الكربون والبولي بروبيلين.