Strain-Rate Dependence of Mode II Delamination Initiation in a Polyester-Fiberglass Composite Using Dynamic ENF Testing

عندما يصمم المهندسون هياكل يجب أن تتحمل صدمات مفاجئة — مثل بدن الطائرة أو هيكل السفينة — فإنهم يعتمدون بشكل كبير على المواد المركبة. هذه المواد ليست كتلًا منفردة من المعدن أو البلاستيك، بل هي عبارة عن طبقات من الألياف، مثل الألياف الزجاجية، ممسوكة معًا بواسطة راتنج لزج. وتعتمد قوة هذه المواد غالبًا ليس على الطبقات الفردية بقدر ما تعتمد على مدى جودة تماسك تلك الطبقات مع بعضها البعض. فإذا انفصلت الطبقات، وهي عملية تُعرف باسم "التقشر الطبقي" (delamination)، يمكن للهيكل بأكمله أن ينهار بشكل كارثي. ويمكن أن يحدث هذا الانفصال بطرق مختلفة: فقد تُسحب الطبقات بعيدًا عن بعضها مثل صفحات الكتاب، أو قد تُجبر على الانزلاق فوق بعضها البعض، مثل بطاقتين يتم دفعهما في اتجاهين متعاكسين. ويُسمى النوع الأخير بـ "القص" (shear)، وفهم مقدار الطاقة التي يتطلبها بدء هذا الانزلاق هو أمر بالغ الأهمية للسلامة. وبينما درس العلماء لفترة طويلة كيفية سلوك هذه المواد تحت الضغط البطيء والمستمر، فإن العالم الحقيقي غالبًا ما يقدم صدمات مفاجئة وعنيفة. ويبقى السؤال: هل تغير السرعة التي تُطبق بها القوة مدى سهولة انزلاق هذه الطبقات وانفصالها؟

وضع فريق من الباحثين في معهد تكنولوجيا الفضاء في إسلام آباد نصب أعينهم الإجابة على هذا السؤال لنوع محدد من المواد: الألياف الزجاجية المعززة براتنج البوليستر. وقد ركزوا على الانزلاق أو القص، لأنه نمط شائع للفشل في العديد من التطبيقات الهيكلية. وللقيام بذلك، احتاجوا إلى اختبار المادة ليس ببطء فحسب، بل بسرعات عالية تحاكي الصدمات في العالم الحقيقي. استخدموا آلة متخصصة تسمى "قضيب هوبكنسونون المنقسم" (Split Hopkinson Pressure Bar)، والتي تعمل مثل مطرقة عالية السرعة. في هذا الإعداد، يتم إطلاق قضيب معدني بواسطة غاز مضغوط ليصطدم بقضيب معدني طويل. يرسل هذا الاصطدام موجة قوية من الضغط عبر القضيب وإلى عينة صغيرة من مادة الألياف الزجاجية الموضوعة في المنتصف. ومن خلال ضبط ضغط الغاز، استطاع الباحثون التحكم بدقة في سرعة تشوه المادة، واختبارها بمعدلات تتراوح من 70 إلى 150 مرة في الثانية. وقد أعدوا عيناتهم على شكل كتل مربعة صغيرة بها شق صغير مُعد مسبقًا في المنتصف، مصمم لإجبار الطبقات على الانزلاق عند ثنيها.

وضع الباحثون هذه العينات في أداة تثبيت للثني بنقطة ثلاثية، حيث تم إعدادها أساسًا مثل جسر مدعوم من كلا الطرفين مع تطبيق حمل في المنتصف. ومع اصطدام موجة الضغط بالعينة، أدى ذلك إلى ثني المادة، مما أجبر الشق الموجود مسبقًا على الانفتاح والانزلاق. ولرصد ما يحدث في جزء من الثانية من لحظة الاصطدام، استخدموا كاميرا عالية السرعة قادرة على التقاط 100,000 صورة في الثانية. سمح لهم ذلك بمراقبة نمو الشق وتشوه المادة في الوقت الفعلي. ومن خلال قياس القوة المطبقة والمسافة التي انثنت بها المادة، تمكنوا من حساب الطاقة المطلوبة لبدء حركة الشق. وهذه القيمة، المعروفة باسم "معدل إطلاق طاقة الانفعال"، تخبر المهندسين بمقدار الطاقة التي يمكن للمادة امتصاصها قبل أن تبدأ في الفشل.

كشفت النتائج عن اتجاه واضح وهام: كلما زادت سرعة تحميل المادة، زادت الطاقة المطلوبة لبدء انزلاق الشق. في الظروف الساكنة البطيئة، أظهرت الاختبارات السابقة على مواد مماثلة أن المتطلبات الطاقية بلغت حوالي 1.2 وحدة. وفي هذه الاختبارات عالية السرعة، قفز هذا الرقم بشكل كبير؛ حيث تراوحت الطاقة اللازمة لبدء الشق بين 0.64 و7.19 وحدة، مع ظهور القيم الأعلى عند أعلى معدلات الانفعال. وهذا يشير إلى أن المادة تصبح أكثر صلابة ضد الانفصال بالانزلاق عند تعرضها لضربة سريعة. ومع ذلك، لم تكن البيانات سلسة تمامًا؛ فقد لاحظ الباحثون أن الشقوق لم تكن تسير دائمًا في خط مستقيم ومسطح بين الطبقات، بل كانت الشقوق أحيانًا تتخذ مسارًا متعرجًا أو تسبب جسورًا من الألياف عبر الفجوة، مما يسحب الطبقات ويجعل عملية الفشل أكثر تعقيدًا. تسببت هذه الاضطرابات في حدوث بعض التباين في الأرقام، حيث أظهر أحد الاختبارات عند أعلى سرعة ارتفاعًا كبيرًا بشكل خاص في امتصاص الطاقة.

على الرغم من التباين، فإن الرسالة العامة من التجربة هي أن السرعة مهمة. تؤكد الدراسة أن المقاومة للانفصال بالانزلاق في مركبات البوليستر والألياف الزجاجية تعتمد بقوة على سرعة تطبيق القوة. وأشار الباحثون إلى أن عيناتهم كانت قصيرة نسبيًا، مما خلق قوى قص عالية قد تكون أثرت على النتائج. واقترحوا أن الاختبارات المستقبلية يجب أن تستخدم عينات أطول لضمان نمو الشقوق بشكل أكثر استقرارًا وعزل سلوك الانزلاق النقي عن التأثيرات الأخرى. وفي الوقت الحالي، توفر هذه العمل قطعة حيوية من اللغز للمهندسين الذين يصممون هياكل يجب أن تنجو من الاصطدامات الديناميكية، حيث تُظهر أن المواد التي قد تبدو هشة تحت الضغط البطيء يمكنها في الواقع مقاومة قوى الانزلاق المفاجئة والعنيفة بشكل أفضل بكثير مما كان يُعتقد سابقًا.