المواد المركبة

الخرسانة هي أكثر المواد المركبة الاصطناعية شيوعاً على الإطلاق. اعتباراً من عام 2009يُصنع حوالي 7.5 مليار متر مكعب من الخرسانة سنويًا. ^{[ 17 ]} تتكون الخرسانة عادةً من أحجار سائبة ( ركام البناء ) مثبتة بمادة إسمنتية . تُعد الخرسانة مادة رخيصة الثمن تقاوم قوى الضغط الكبيرة، ^{[ 18 ]} إلا أنها عرضة لأحمال الشد . ^{[ 19 ]} ولإكساب الخرسانة القدرة على مقاومة الشد، تُضاف إليها قضبان فولاذية، قادرة على مقاومة قوى الشد العالية، لتشكيل الخرسانة المسلحة . ^{[ 20 ]}

تشمل البوليمرات المقواة بالألياف البوليمرات المقواة بألياف الكربون والبلاستيك المقوى بالزجاج . وإذا صُنفت حسب المادة الأساسية، فهناك مركبات حرارية لدن ، وبوليمرات حرارية لدن ذات ألياف قصيرة ، وبوليمرات حرارية لدن ذات ألياف طويلة ، وبوليمرات حرارية لدن ذات ألياف طويلة . وهناك العديد من المركبات المتصلبة حراريًا ، بما في ذلك ألواح الورق المركبة . وتتضمن العديد من أنظمة مصفوفة البوليمر المتصلب حراريًا المتقدمة عادةً ألياف الأراميد وألياف الكربون في مصفوفة من راتنج الإيبوكسي . ^{[ 21 ] [ 22 ]}

تُعدّ مركبات البوليمر ذات الذاكرة الشكلية مركبات عالية الأداء، تُصنع باستخدام ألياف أو أقمشة مُقوّية وراتنج بوليمر ذي ذاكرة شكلية كمادة أساسية. ونظرًا لاستخدام راتنج بوليمر ذي ذاكرة شكلية كمادة أساسية، تتميز هذه المركبات بسهولة تشكيلها إلى أشكال مختلفة عند تسخينها فوق درجة حرارة التنشيط، كما تُظهر قوة وصلابة عاليتين عند درجات حرارة منخفضة. ويمكن إعادة تسخينها وتشكيلها مرارًا وتكرارًا دون فقدان خصائصها المادية. تُعدّ هذه المركبات مثالية لتطبيقات مثل الهياكل خفيفة الوزن والصلبة والقابلة للنشر، والتصنيع السريع، والتقوية الديناميكية. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

تُعدّ المواد المركبة عالية الإجهاد نوعًا آخر من المواد المركبة عالية الأداء، وهي مصممة للعمل في ظروف التشوه العالي، وغالبًا ما تُستخدم في الأنظمة القابلة للنشر حيث يكون الانثناء الهيكلي مفيدًا. على الرغم من أن المواد المركبة عالية الإجهاد تُظهر العديد من أوجه التشابه مع بوليمرات الذاكرة الشكلية، إلا أن أداءها يعتمد عمومًا على ترتيب الألياف وليس على محتوى الراتنج في المادة الأساسية. ^{[ 25 ]}

يمكن للمواد المركبة أيضًا استخدام ألياف معدنية لتقوية معادن أخرى، كما هو الحال في المواد المركبة ذات المصفوفة المعدنية (MMC) ^{[ 26 ]} أو المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية (CMC) ^{[ 27 ]} ، والتي تشمل العظام ( هيدروكسيباتيت مدعم بألياف الكولاجين )، والسيرميت (الخزف والمعدن)، والخرسانة . تُصنع المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية أساسًا لمقاومة الكسر ، وليس للقوة. وهناك فئة أخرى من المواد المركبة تتضمن المواد المركبة النسيجية المنسوجة، والتي تتكون من خيوط طولية وعرضية متشابكة. تتميز المواد المركبة النسيجية المنسوجة بمرونتها نظرًا لشكلها النسيجي.

تشمل المواد المركبة ذات المصفوفة العضوية/الركام الخزفي الخرسانة الإسفلتية ، والخرسانة البوليمرية ، والإسفلت المطاطي ، والمطاط المطاطي الهجين المدكوك، ومركب الأسنان ، والرغوة التركيبية ، وعرق اللؤلؤ . ^{[ 28 ]} درع تشوبهام هو نوع خاص من الدروع المركبة المستخدمة في التطبيقات العسكرية.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيع المواد المركبة الحرارية باستخدام مساحيق معدنية محددة، مما ينتج عنه مواد تتراوح كثافتها بين 2 و ¹¹ غ/سم³ ⁽ وهي نفس كثافة الرصاص). يُعرف هذا النوع من المواد باسم "المركب عالي الكثافة" (HGC)، مع أن مصطلح "بديل الرصاص" يُستخدم أيضًا. يمكن استخدام هذه المواد بدلاً من المواد التقليدية مثل الألومنيوم، والفولاذ المقاوم للصدأ، والنحاس الأصفر، والبرونز، والنحاس، والرصاص، وحتى التنجستن في تطبيقات الترجيح، والموازنة (على سبيل المثال، تعديل مركز ثقل مضرب التنس )، وتخميد الاهتزازات، والحماية من الإشعاع. تُعدّ المركبات عالية الكثافة خيارًا اقتصاديًا مجديًا عندما تُعتبر بعض المواد خطرة ومحظورة (مثل الرصاص)، أو عندما تكون تكاليف العمليات الثانوية (مثل التشغيل الآلي، والتشطيب، والطلاء) عاملاً مهمًا. ^{[ 29 ]}

أشارت العديد من الدراسات إلى أن دمج صفائح البوليمر المقوى بألياف الكربون والمصنوعة من الإيبوكسي، الصلبة والهشة، مع صفائح اللدائن الحرارية المرنة، يُسهم في إنتاج مركبات عالية المتانة تُظهر مقاومة محسّنة للصدمات. ^{[ 30 ]} ومن الجوانب الأخرى المثيرة للاهتمام في هذه المركبات المدمجة قدرتها على الاحتفاظ بخصائصها الشكلية دون الحاجة إلى بوليمرات أو سبائك ذاكرة شكلية، مثل طبقات خشب البلسا المدمجة بالغراء الساخن، ^{[ 31 ]} وطبقات الألومنيوم المدمجة ببوليمرات الأكريليك أو البولي فينيل كلوريد ، ^{[ 32 ]} وصفائح البوليمر المقوى بألياف الكربون المدمجة بالبوليسترين . ^{[ 33 ]}

المواد المركبة ذات البنية الشطيرية هي نوع خاص من المواد المركبة، تُصنع عن طريق ربط طبقتين رقيقتين لكنهما صلبتان بنواة خفيفة الوزن ولكنها سميكة. عادةً ما تكون مادة النواة منخفضة المقاومة، ولكن سمكها الأكبر يمنح المادة المركبة الشطيرية صلابة انحناء عالية مع كثافة إجمالية منخفضة . ^{[ 34 ] [ 35 ]}

الخشب مادة مركبة طبيعية تتكون من ألياف السليلوز ضمن مصفوفة من اللجنين والهيميسليلوز . ^{[ 36 ]} يشمل الخشب المُصنّع مجموعة واسعة من المنتجات المختلفة، مثل ألواح ألياف الخشب، والخشب الرقائقي ، وألواح الخشب الموجهة ، ومركب الخشب والبلاستيك (ألياف الخشب المعاد تدويرها في مصفوفة من البولي إيثيلين)، وبيكريت (نشارة الخشب في مصفوفة من الجليد)، والورق أو المنسوجات المشبعة أو المصفحة بالبلاستيك، وأربوريت، وفورميكا (بلاستيك) ، وميكارتا . تستخدم مركبات الصفائح الهندسية الأخرى، مثل ماليت ، لبًا مركزيًا من خشب البلسا ذي الحبيبات الطرفية ، ملتصقًا بطبقات سطحية من سبائك خفيفة أو ألياف زجاجية مقواة بالبلاستيك. تُنتج هذه المواد مواد خفيفة الوزن وعالية الصلابة. ^{[ 37 ]}

تتكون المركبات الجزيئية من جزيئات كمادة مالئة منتشرة في مادة أساسية، قد تكون غير معدنية، مثل الزجاج أو الإيبوكسي. ويُعد إطار السيارة مثالاً على المركبات الجزيئية. ^{[ 38 ]}

تم الإبلاغ عن مركبات البوليمر المطلية بالكربون الشبيه بالماس (DLC) المتقدمة ^{[ 39 ]} حيث يزيد الطلاء من كراهية الماء السطحية والصلابة ومقاومة التآكل.

تشمل المواد المركبة المغناطيسية الحديدية تلك التي تحتوي على مصفوفة بوليمرية تتكون، على سبيل المثال، من حشو نانوي بلوري من مساحيق أساسها الحديد ومصفوفة بوليمرية. ويمكن استخدام المساحيق غير المتبلورة والنانوية البلورية المُستخلصة، على سبيل المثال، من الزجاج المعدني. ويتيح استخدامها الحصول على مواد مركبة مغناطيسية حديدية نانوية ذات خصائص مغناطيسية مُتحكم بها. ^{[ 40 ]}

اكتسبت المواد المركبة المدعمة بالألياف شعبيةً واسعة (على الرغم من تكلفتها العالية عمومًا) في المنتجات عالية الأداء التي تتطلب خفة الوزن مع قوة كافية لتحمل ظروف التحميل القاسية، مثل مكونات الطائرات ( الذيول ، والأجنحة ، وهياكل الطائرات ، والمراوح )، وهياكل القوارب ، وإطارات الدراجات ، وهياكل سيارات السباق . وتشمل استخداماتها الأخرى صنارات الصيد ، وخزانات التخزين ، وألواح حمامات السباحة، ومضارب البيسبول . وتتكون هياكل طائرتي بوينغ 787 وإيرباص A350 ، بما في ذلك الأجنحة وهيكل الطائرة، بشكل كبير من المواد المركبة. ^{[ 41 ]} كما أصبحت المواد المركبة أكثر شيوعًا في مجال جراحة العظام ، ^{[ 42 ]} وهي المادة الأكثر شيوعًا في صناعة عصي الهوكي.

يُعدّ مركب الكربون مادةً أساسيةً في مركبات الإطلاق الحديثة والدروع الحرارية لمرحلة عودة المركبات الفضائية إلى الغلاف الجوي . ويُستخدم على نطاق واسع في ركائز الألواح الشمسية، وعاكسات الهوائيات، وأذرع المركبات الفضائية. كما يُستخدم في محولات الحمولة، والهياكل البينية، والدروع الحرارية لمركبات الإطلاق . علاوةً على ذلك، تستخدم أنظمة مكابح الأقراص في الطائرات وسيارات السباق مادة الكربون/الكربون ، وقد تمّ إدخال المادة المركبة ذات ألياف الكربون ومصفوفة كربيد السيليكون في السيارات الفاخرة والرياضية .

في عام 2006، تم طرح لوحة حمام سباحة مركبة مقواة بالألياف لحمامات السباحة الأرضية، السكنية والتجارية على حد سواء، كبديل غير قابل للتآكل للفولاذ المجلفن.

في عام 2007، قدمت شركتا TPI Composites Inc و Armor Holdings Inc مركبة هامفي عسكرية مصنوعة بالكامل من المواد المركبة ، لتكون بذلك أول مركبة عسكرية مصنوعة بالكامل من هذه المواد . وبفضل استخدام المواد المركبة، أصبحت المركبة أخف وزنًا، مما يسمح بحمولات أكبر. ^{[ 43 ]} وفي عام 2008، قامت شركة ECS Composites بدمج ألياف الكربون ودوبونت كيفلر (أقوى بخمس مرات من الفولاذ) مع راتنجات حرارية محسّنة لصنع حقائب نقل عسكرية، مما أدى إلى إنتاج حقائب أخف وزنًا بنسبة 30% مع الحفاظ على قوة عالية.

يتم الآن تصنيع الأنابيب والتجهيزات لأغراض مختلفة مثل نقل مياه الشرب، ومكافحة الحرائق، والري، ومياه البحر، والمياه المحلاة، والنفايات الكيميائية والصناعية، ومياه الصرف الصحي من البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية.

تُوفر المواد المركبة المستخدمة في الهياكل الشدية لتطبيقات الواجهات ميزة الشفافية. يسمح النسيج الأساسي المنسوج مع الطلاء المناسب بنفاذية أفضل للضوء، مما يوفر مستوى إضاءة مريحًا للغاية مقارنةً بسطوع الخارج الكامل. ^{[ 44 ]}

تُصنع شفرات توربينات الرياح، التي تتزايد أحجامها لتصل إلى حوالي 50 مترًا، من مواد مركبة منذ عدة سنوات. ^{[ 45 ]} كما تُستخدم المواد المركبة في هياكل الطاقة البحرية مثل شفرات توربينات المد والجزر. ^{[ 46 ]}

يستطيع مبتورو الأطراف الركض باستخدام أطراف صناعية سفلية مصنوعة من ألياف الكربون المركبة بنفس سرعة غير مبتوري الأطراف. ^{[ 47 ]}

تُصنع أسطوانات الغاز عالية الضغط، التي تتراوح سعتها عادةً بين 7 و9 لترات وضغطها بين 300 و 300 بار، والمخصصة لرجال الإطفاء، من مركبات الكربون. وتحتوي أسطوانات النوع الرابع على معدن فقط في الجزء الذي يحمل السن اللولبي لربط الصمام.

في 5 سبتمبر 2019، كشفت شركة HMD Global النقاب عن هاتفي Nokia 6.2 و Nokia 7.2 اللذين يُزعم أنهما يستخدمان مركب البوليمر في صناعة الإطارات. ^{[ 48 ]}

على الرغم من أن المرحلتين متكافئتان كيميائيًا، يمكن وصف البوليمرات شبه البلورية كميًا ونوعيًا كمواد مركبة. يتميز الجزء البلوري بمعامل مرونة أعلى، مما يوفر دعمًا للمرحلة غير المتبلورة الأقل صلابة. تتراوح نسبة التبلور في المواد البوليمرية، أو ما يُعرف بالكسر الحجمي، من 0% إلى 100% ^{[ 53 ]،} وذلك تبعًا للبنية الجزيئية والتاريخ الحراري. يمكن استخدام تقنيات معالجة مختلفة لتغيير نسبة التبلور في هذه المواد، وبالتالي تغيير خصائصها الميكانيكية، كما هو موضح في قسم الخصائص الفيزيائية. يُلاحظ هذا التأثير في العديد من المجالات، بدءًا من البلاستيك الصناعي، مثل أكياس التسوق المصنوعة من البولي إيثيلين، وصولًا إلى العناكب التي تُنتج خيوط حرير ذات خصائص ميكانيكية مختلفة. ^{[ 54 ]} في كثير من الحالات، تتصرف هذه المواد كمركبات جسيمية ذات بلورات متناثرة عشوائيًا تُعرف باسم الكريات البلورية. مع ذلك، يمكن أيضًا هندستها لتكون غير متجانسة الخواص، وتتصرف بشكل أقرب إلى المركبات المدعمة بالألياف. ^{[ 55 ]} في حالة خيوط العنكبوت، قد تعتمد خصائص المادة على حجم البلورات، بغض النظر عن نسبة حجمها. ^{[ 56 ]} ومن المفارقات أن المواد البوليمرية أحادية المكون تُعد من أكثر المواد المركبة سهولةً في التعديل.

تُدمج مواد التقوية والمصفوفة، وتُضغط، وتُعالج داخل قالب لتخضع لعملية اندماج. يتحدد شكل القطعة بشكل أساسي بعد عملية الاندماج. مع ذلك، قد تتعرض للتشوه في ظل ظروف معالجة معينة. في حالة مادة المصفوفة البوليمرية المتصلبة حراريًا ، يكون اندماجها تفاعلًا ناتجًا عن حرارة إضافية أو تفاعل كيميائي، مثل بيروكسيد عضوي. أما في حالة مادة المصفوفة البوليمرية اللدائنية حراريًا، فيكون اندماجها تصلبًا من الحالة المنصهرة. وفي حالة مادة المصفوفة المعدنية، مثل رقائق التيتانيوم، يكون اندماجها انصهارًا تحت ضغط عالٍ ودرجة حرارة قريبة من نقطة الانصهار.

يُعدّ استخدام مصطلح "القالب السفلي" و"القالب العلوي" مناسبًا للعديد من طرق التشكيل. لا يشير هذا المصطلح إلى شكل القالب في الفراغ، بل إلى أوجه اللوحة المُشكّلة. يوجد دائمًا قالب سفلي، وأحيانًا قالب علوي، وفقًا لهذا المصطلح. تبدأ عملية تصنيع القطعة بتطبيق المواد على القالب السفلي. يُعتبر مصطلحا "القالب السفلي" و"القالب العلوي" وصفين أكثر عمومية من المصطلحات الأكثر شيوعًا وتحديدًا، مثل "الجانب الذكري" و"الجانب الأنثوي" و"الجانب أ" و"الجانب ب" و"جانب الأداة" و"الوعاء" و"الغطاء" و"المغزل"، وما إلى ذلك. يستخدم التصنيع المستمر مصطلحات مختلفة.

يُشار عادةً إلى المنتج المصبوب باسم "لوحة". ويمكن تسميته "صب" لبعض الأشكال الهندسية وتركيبات المواد. كما يمكن تسميته "مقطعًا جانبيًا" لبعض العمليات المستمرة. ومن هذه العمليات: التشكيل في الأوتوكلاف ^{[ 64 ]} ، والتشكيل باستخدام أكياس التفريغ ^{[ 65 ]} ، والتشكيل باستخدام أكياس الضغط ^{[ 66 ]} ، والتشكيل بنقل الراتنج ^{[ 67 ]} ، والتشكيل بنقل الراتنج الخفيف ^{[ 68 ]} .

تشمل أنواع التصنيع الأخرى الصب ، ^{[ 69 ]} والصب بالطرد المركزي، ^{[ 70 ]} والتضفير (على قالب )، والصب المستمر ، ^{[ 71 ]} ولف الخيوط ، ^{[ 72 ]} والقولبة بالضغط، ^{[ 73 ]} والقولبة بالنقل ، والقولبة بالسحب ، ^{[ 74 ]} والتشكيل الانزلاقي . ^{[ 75 ]} كما تتوفر إمكانيات تشكيل أخرى، منها لف الخيوط باستخدام التحكم الرقمي الحاسوبي ، والحقن الفراغي، والتشكيل الرطب، والقولبة بالضغط، والقولبة الحرارية ، على سبيل المثال لا الحصر. وتتطلب بعض المشاريع أيضًا استخدام أفران المعالجة وكبائن الطلاء.

يُشار إلى القالب وملحقاته باسم "أدوات التشكيل". يمكن تصنيع القالب/أدوات التشكيل من مواد مختلفة، تشمل الألومنيوم ، وألياف الكربون ، والإنفار ، والنيكل ، والمطاط السيليكوني المقوى ، والفولاذ. يعتمد اختيار مادة أدوات التشكيل عادةً على عدة عوامل، منها على سبيل المثال لا الحصر: معامل التمدد الحراري ، وعدد دورات التشكيل المتوقعة، وتفاوت المنتج النهائي، وحالة السطح المطلوبة أو المتوقعة، وطريقة المعالجة، ودرجة حرارة التحول الزجاجي للمادة المراد تشكيلها، وطريقة التشكيل، والمادة الأساسية، والتكلفة، وغيرها من الاعتبارات.

بشكل عام، يُعدّ تقوية المواد المركبة بالجسيمات أقل فعالية من تقوية المواد المركبة بالألياف . ويُستخدم هذا الأسلوب لتعزيز صلابة المواد المركبة مع زيادة قوتها ومتانتها . وبفضل خصائصها الميكانيكية ، تُستخدم الجسيمات في التطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للتآكل . فعلى سبيل المثال، يمكن زيادة صلابة الأسمنت بشكل كبير عن طريق تقوية المواد بجسيمات الحصى. وتُعتبر تقوية المواد بالجسيمات طريقة فعّالة للغاية لضبط الخصائص الميكانيكية للمواد ، نظرًا لسهولة تطبيقها وانخفاض تكلفتها. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]}

يمكن التعبير عن معامل المرونة للمركبات المدعمة بالجسيمات على النحو التالي:

${\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+K_{c}V_{p}E_{p}}$

حيث E هو معامل المرونة ، وV هو الكسر الحجمي . وتشير الرموز السفلية c وp وm إلى المركب والجسيم والمصفوفة، على التوالي.${\displaystyle K_{c}}$يمكن إيجاد الثابت تجريبياً.

وبالمثل، يمكن التعبير عن قوة الشد للمركبات المدعمة بالجسيمات على النحو التالي:

${\displaystyle (TS)_{c}=V_{m}(TS)_{m}+K_{s}V_{p}(TS)_{p}}$

حيث TS هي قوة الشد ، و${\displaystyle K_{s}}$ثابت (لا يساوي${\displaystyle K_{c}}$) التي يمكن إيجادها تجريبياً.

غالباً ما تكون الألياف القصيرة أرخص أو أسهل في التصنيع من الألياف الطويلة المتصلة، لكنها مع ذلك توفر خصائص أفضل من تقوية الجسيمات. ومن الأمثلة الشائعة على ذلك خيوط الطباعة ثلاثية الأبعاد المقواة بألياف الكربون، والتي تستخدم ألياف كربون قصيرة مقطعة ممزوجة بمادة أساسية، عادةً ما تكون PLA أو PETG .

تستخدم نظرية تأخر القص نموذج تأخر القص للتنبؤ بخصائص مثل معامل يونغ للمركبات الليفية القصيرة. ويفترض النموذج أن الحمل ينتقل من المادة الأساسية إلى الألياف فقط من خلال إجهادات القص البينية.${\displaystyle \tau _{i}}$تؤثر هذه القوى على السطح الأسطواني. وتنص نظرية تأخر القص على أن معدل تغير الإجهاد المحوري في الليف أثناء التحرك على طوله يتناسب طرديًا مع نسبة إجهادات القص السطحية إلى نصف قطر الليف.${\displaystyle r_{0}}$:

${\displaystyle {\frac {d\sigma _{f}}{dx}}=-{\frac {2\tau _{i}}{r_{0}}}}$

وهذا يؤدي إلى أن يكون متوسط ​​إجهاد الألياف على طول الليف بالكامل كما يلي:

${\displaystyle \sigma _{f}=E_{f}\varepsilon _{1}\left(1-{\frac {\tanh(ns)}{ns}}\right)}$

أين

• ${\displaystyle \varepsilon _{1}}$يمثل الإجهاد الكلي في المركب
• ${\displaystyle s}$نسبة أبعاد الألياف ( الطول مقسومًا على القطر)
• ${\displaystyle n=\left({\frac {2E_{m}}{E_{f}(1+\nu _{m})\ln(1/f)}}\right)^{1/2}}$ثابت بلا أبعاد ^{[ 83 ]}
• ${\displaystyle \nu _{m}}$هي نسبة بواسون للمصفوفة

بافتراض إجهاد شد منتظم، ينتج عن ذلك ما يلي: ^{[ 84 ]}

${\displaystyle E_{1}={\frac {\sigma _{1}}{\varepsilon _{1}}}=fE_{f}\left(1-{\frac {\tanh(ns)}{ns}}\right)+(1-f)E_{m}}$

كلما زادت قيمة s ، فإن هذا يميل نحو قاعدة الخلط، والتي تمثل معامل يونغ الموازي للألياف المستمرة.

بشكل عام، يتم تطبيق تقوية الألياف المستمرة عن طريق دمج الألياف كمرحلة قوية في مادة أساسية ضعيفة. ويعود سبب شيوع استخدام الألياف إلى إمكانية الحصول على مواد ذات قوة استثنائية في شكلها الليفي. عادةً ما تُظهر الألياف غير المعدنية نسبة قوة إلى كثافة عالية جدًا مقارنةً بالألياف المعدنية، وذلك بسبب طبيعة روابطها التساهمية . ومن أشهر الأمثلة على ذلك ألياف الكربون التي لها تطبيقات عديدة تمتد من المعدات الرياضية إلى معدات الحماية وصولًا إلى صناعات الفضاء . ^{[ 85 ] [ 86 ]}

يمكن التعبير عن الإجهاد الواقع على المادة المركبة بدلالة النسبة الحجمية للألياف والمادة الأساسية.

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}\sigma _{f}+V_{m}\sigma _{m}}$

أين${\displaystyle \sigma }$يمثل الإجهاد، وV يمثل الكسر الحجمي . تشير الرموز السفلية c وf وm إلى المركب والألياف والمصفوفة، على التوالي.

على الرغم من أن سلوك الإجهاد والانفعال للمركبات الليفية لا يمكن تحديده إلا عن طريق الاختبار، إلا أن هناك اتجاهًا متوقعًا، وهو ثلاث مراحل لمنحنى الإجهاد والانفعال . المرحلة الأولى هي منطقة منحنى الإجهاد والانفعال حيث يتشوه كل من الألياف والمادة الأساسية تشوهًا مرنًا . ويمكن التعبير عن هذه المنطقة المرنة خطيًا بالشكل التالي. ^{[ 85 ]}

${\displaystyle \sigma _{c}=E_{c}\epsilon _{c}=\epsilon _{c}(V_{f}E_{f}+V_{m}E_{m})}$

أين${\displaystyle \sigma }$هو الإجهاد،${\displaystyle \epsilon }$يمثل الإجهاد، وE معامل المرونة ، وV الكسر الحجمي . تشير الرموز السفلية c وf وm إلى المركب والألياف والمصفوفة، على التوالي.

بعد تجاوز المنطقة المرنة لكل من الألياف والمادة الأساسية، يمكن ملاحظة المنطقة الثانية من منحنى الإجهاد والانفعال. في هذه المنطقة، لا تزال الألياف تتشوه مرنًا بينما تتشوه المادة الأساسية لدنًا نظرًا لكونها الطور الأضعف. يمكن تحديد معامل المرونة اللحظي باستخدام ميل منحنى الإجهاد والانفعال في المنطقة الثانية. ويمكن التعبير عن العلاقة بين الإجهاد والانفعال كما يلي:

${\displaystyle \sigma _{c}=V_{f}E_{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

أين${\displaystyle \sigma }$هو الإجهاد،${\displaystyle \epsilon }$يمثل ε الإجهاد، وE معامل المرونة ، وV الكسر الحجمي . تشير الرموز السفلية c وf وm إلى المركب والألياف والمصفوفة على التوالي. لإيجاد معامل المرونة في المنطقة الثانية، يمكن استخدام المشتقة الثانية لهذه المعادلة، حيث أن ميل المنحنى يساوي معامل المرونة.

${\displaystyle E_{c}'={\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}=V_{f}E_{f}+V_{m}\left({\frac {d\sigma _{c}}{d\epsilon _{c}}}\right)}$

في معظم الحالات يمكن افتراض ذلك${\displaystyle E_{c}'=V_{f}E_{f}}$لأن الحد الثاني أقل بكثير من الحد الأول. ^{[ 85 ]}

في الواقع، لا يُعيد مشتق الإجهاد بالنسبة للانفعال دائمًا معامل المرونة بسبب التفاعل الرابط بين الألياف والمادة الأساسية. ويمكن أن تؤدي قوة التفاعل بين هاتين المرحلتين إلى تغييرات في الخواص الميكانيكية للمركب. وتُعد توافقية الألياف والمادة الأساسية مقياسًا للإجهاد الداخلي . ^{[ 85 ]}

تتعرض الألياف عالية القوة المرتبطة تساهميًا (مثل ألياف الكربون) لتشوه مرن في الغالب قبل الكسر ، حيث يمكن أن يحدث التشوه اللدن نتيجة لحركة الانخلاعات . في المقابل، تتمتع الألياف المعدنية بمساحة أكبر للتشوه اللدن، لذا تُظهر مركباتها مرحلة ثالثة حيث تتشوه كل من الألياف والمادة الأساسية تشوهًا لدنًا. للألياف المعدنية تطبيقات عديدة في العمل عند درجات حرارة منخفضة جدًا، وهذا أحد مزايا المركبات التي تحتوي على ألياف معدنية مقارنةً بالمركبات غير المعدنية. يمكن التعبير عن الإجهاد في هذه المنطقة من منحنى الإجهاد-الانفعال كما يلي:

${\displaystyle \sigma _{c}(\epsilon _{c})=V_{f}\sigma _{f}\epsilon _{c}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{c})}$

أين${\displaystyle \sigma }$هو الإجهاد،${\displaystyle \epsilon }$يمثل الإجهاد، وE معامل المرونة ، وV الكسر الحجمي . تشير الرموز السفلية c وf وm إلى المركب والألياف والمصفوفة، على التوالي.${\displaystyle \sigma _{f}(\epsilon _{c})}$و${\displaystyle \sigma _{m}(\epsilon _{c})}$تمثل هذه القيم إجهادات التدفق للألياف والمصفوفة على التوالي. بعد المنطقة الثالثة مباشرةً، يُظهر المركب ظاهرة التخصر . يقع إجهاد التخصر للمركب بين إجهاد التخصر للألياف والمصفوفة، تمامًا كما هو الحال مع الخواص الميكانيكية الأخرى للمركبات. يتأخر إجهاد التخصر للمرحلة الضعيفة بفعل المرحلة القوية، وتعتمد قيمة هذا التأخير على النسبة الحجمية للمرحلة القوية. ^{[ 85 ]}

وبالتالي، يمكن التعبير عن قوة الشد للمركب بدلالة نسبة الحجم . ^{[ 85 ]}

${\displaystyle (TS)_{c}=V_{f}(TS)_{f}+V_{m}\sigma _{m}(\epsilon _{m})}$

حيث TS هي قوة الشد ،${\displaystyle \sigma }$هو الإجهاد،${\displaystyle \epsilon }$يمثل الإجهاد، وE معامل المرونة ، وV الكسر الحجمي . تشير الرموز السفلية c وf وm إلى المركب والألياف والمصفوفة على التوالي. يمكن التعبير عن قوة الشد للمركب كما يلي:

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{m}(T.S.)_{m}}$ل${\displaystyle V_{f}}$أقل من أو يساوي${\displaystyle V_{c}}$(قيمة حرجة اعتباطية لنسبة الحجم)

${\displaystyle (T.S.)_{c}=V_{f}(T.S.)_{f}+V_{m}(\sigma _{m})}$ل${\displaystyle V_{f}}$أكبر من أو يساوي${\displaystyle V_{c}}$

يمكن التعبير عن القيمة الحرجة للكسر الحجمي على النحو التالي:

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}+(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

من الواضح أن قوة الشد للمركب يمكن أن تكون أعلى من قوة الشد للمادة الأساسية إذا${\displaystyle (T.S.)_{c}}$أكبر من${\displaystyle (T.S.)_{m}}$.

وبالتالي، يمكن التعبير عن الحد الأدنى لنسبة حجم الألياف على النحو التالي:

${\displaystyle V_{c}={\frac {[(T.S.)_{m}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}{[(T.S.)_{f}-\sigma _{m}(\epsilon _{f})]}}}$

على الرغم من أن هذه القيمة الدنيا منخفضة للغاية عمليًا، إلا أنه من المهم جدًا معرفتها لأن سبب دمج الألياف المتصلة هو تحسين الخواص الميكانيكية للمواد/المركبات، وهذه القيمة لنسبة الحجم هي عتبة هذا التحسين. ^{[ 85 ]}

تتميز المواد المركبة عمومًا بخواصها غير المتجانسة ، وفي كثير من الحالات تكون متعامدة الخواص . ويمكن استخدام ترميز فويغت لتقليل رتبة موترات الإجهاد والانفعال بحيث تكون الصلابة${\displaystyle C}$(يشار إليه غالبًا أيضًا بواسطة${\displaystyle Q}$) والامتثال${\displaystyle S}$يمكن كتابتها كمصفوفة : ^{[ 92 ]}

${\displaystyle {\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}C_{11}&C_{12}&C_{13}&C_{14}&C_{15}&C_{16}\\C_{12}&C_{22}&C_{23}&C_{24}&C_{25}&C_{26}\\C_{13}&C_{23}&C_{33}&C_{34}&C_{35}&C_{36}\\C_{14}&C_{24}&C_{34}&C_{44}&C_{45}&C_{46}\\C_{15}&C_{25}&C_{35}&C_{45}&C_{55}&C_{56}\\C_{16}&C_{26}&C_{36}&C_{46}&C_{56}&C_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}}$و${\displaystyle {\begin{bmatrix}\varepsilon _{1}\\\varepsilon _{2}\\\varepsilon _{3}\\\varepsilon _{4}\\\varepsilon _{5}\\\varepsilon _{6}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}S_{11}&S_{12}&S_{13}&S_{14}&S_{15}&S_{16}\\S_{12}&S_{22}&S_{23}&S_{24}&S_{25}&S_{26}\\S_{13}&S_{23}&S_{33}&S_{34}&S_{35}&S_{36}\\S_{14}&S_{24}&S_{34}&S_{44}&S_{45}&S_{46}\\S_{15}&S_{25}&S_{35}&S_{45}&S_{55}&S_{56}\\S_{16}&S_{26}&S_{36}&S_{46}&S_{56}&S_{66}\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\sigma _{1}\\\sigma _{2}\\\sigma _{3}\\\sigma _{4}\\\sigma _{5}\\\sigma _{6}\end{bmatrix}}}$

عند النظر إلى كل طبقة على حدة، يُفترض أنه يمكن التعامل معها كصفيحة واحدة، وبالتالي فإن الإجهادات والانفعالات خارج المستوى تكون ضئيلة.${\displaystyle \sigma _{3}=\sigma _{4}=\sigma _{5}=0}$و${\displaystyle \varepsilon _{4}=\varepsilon _{5}=0}$[ ^{93 ]} يسمح هذا بتقليص مصفوفات الصلابة والمرونة إلى مصفوفات 3×3 على النحو التالي ^:

${\displaystyle C={\begin{bmatrix}{\tfrac {E_{\rm {1}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\{\tfrac {E_{\rm {2}}{\nu _{\rm {12}}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&{\tfrac {E_{\rm {2}}}{1-{\nu _{\rm {12}}}{\nu _{\rm {21}}}}}&0\\0&0&G_{\rm {12}}\\\end{bmatrix}}\quad }$و${\displaystyle \quad S={\begin{bmatrix}{\tfrac {1}{E_{\rm {1}}}}&-{\tfrac {\nu _{\rm {21}}}{E_{\rm {2}}}}&0\\-{\tfrac {\nu _{\rm {12}}}{E_{\rm {1}}}}&{\tfrac {1}{E_{\rm {2}}}}&0\\0&0&{\tfrac {1}{G_{\rm {12}}}}\\\end{bmatrix}}}$

في المواد المركبة المدعمة بالألياف، يؤثر اتجاه الألياف في المادة على الخواص المتباينة للبنية. ومن خلال تقنية توصيف المادة، أي اختبار الشد، تم قياس خواصها بناءً على نظام الإحداثيات (1-2) للعينة. تعبر الموترات المذكورة أعلاه عن علاقة الإجهاد والانفعال في نظام الإحداثيات (1-2). بينما تُعرف خواص المادة في نظام الإحداثيات الرئيسي (xy) للمادة. يساعد تحويل الموتر بين نظامي الإحداثيات في تحديد خواص المادة للعينة المختبرة. مصفوفة التحويل مع${\displaystyle \theta }$درجة الدوران هي ^{[ 93 ]}

${\displaystyle T(\theta )_{\epsilon }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-\cos \theta \sin \theta \\-2\cos \theta \sin \theta &2\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$ل${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\epsilon }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\epsilon }{\begin{bmatrix}\epsilon \end{bmatrix}}}$${\displaystyle T(\theta )_{\sigma }={\begin{bmatrix}\cos ^{2}\theta &\sin ^{2}\theta &2\cos \theta \sin \theta \\sin^{2}\theta &\cos ^{2}\theta &-2\cos \theta \sin \theta \\-\cos \theta \sin \theta &\cos \theta \sin \theta &\cos ^{2}\theta -\sin ^{2}\theta \end{bmatrix}}}$ل${\displaystyle {\begin{bmatrix}{\acute {\sigma }}\end{bmatrix}}=T(\theta )_{\sigma }{\begin{bmatrix}\sigma \end{bmatrix}}}$

تُعدّ الألياف الزجاجية وألياف الكربون والكيفلار من أكثر أنواع الألياف شيوعًا في الصناعة، وذلك لسهولة إنتاجها وتوافرها. ومن المهم جدًا معرفة خصائصها الميكانيكية، لذا يُقدّم الجدول أدناه خصائصها الميكانيكية لمقارنتها بفولاذ S97 . [ ^{94 ] [ 95 ] [ 96 ] [ 97 ] تُعدّ} زاوية توجيه الألياف بالغة الأهمية نظرًا لتباين الخواص في مركبات الألياف (يُرجى مراجعة قسم " الخواص الفيزيائية " لمزيد من التفاصيل). يُمكن اختبار الخواص الميكانيكية للمركبات باستخدام طرق الاختبار الميكانيكية القياسية ، وذلك بوضع العينات بزوايا مختلفة (الزوايا القياسية هي 0° و45° و90°) بالنسبة لتوجيه الألياف داخل المركبات. بشكل عام، تجعل المحاذاة المحورية بزاوية 0° المواد المركبة مقاومة للانحناء الطولي والشد/الضغط المحوري، وتُستخدم المحاذاة الحلقية بزاوية 90° للحصول على مقاومة للضغط الداخلي/الخارجي، وتُعد زاوية ± 45° الخيار الأمثل للحصول على مقاومة ضد الالتواء الخالص. ^{[ 98 ]}

يمكن أن تؤدي الصدمات، أو الاصطدامات ذات السرعات المتفاوتة، أو الإجهادات الدورية المتكررة إلى انفصال الرقائق عند السطح الفاصل بين طبقتين، وهي حالة تُعرف باسم الانفصال الطبقي . ^{[ 101 ] [ 102 ]} يمكن أن تنفصل الألياف الفردية عن المادة الأساسية، على سبيل المثال، سحب الألياف .

قد تتعرض المواد المركبة للفشل على المستوى العياني أو المجهري . يمكن أن يحدث فشل الانضغاط على المستوى العياني أو على مستوى كل ليف من ألياف التقوية على حدة في حالة الانبعاج الانضغاطي. أما فشل الشد فقد يكون فشلاً في المقطع الصافي للجزء أو تدهوراً في المادة المركبة على المستوى المجهري حيث تفشل طبقة أو أكثر من طبقات المادة المركبة نتيجة شد المادة الأساسية أو فشل الرابطة بين المادة الأساسية والألياف.

بعض المواد المركبة هشة ولا تمتلك سوى القليل من القوة الاحتياطية بعد بداية الكسر، بينما قد تتمتع مواد أخرى بتشوهات كبيرة وقدرة احتياطية على امتصاص الطاقة بعد بداية التلف. وتتيح الاختلافات في الألياف والمواد الأساسية المتاحة، بالإضافة إلى الخلطات الممكنة، نطاقًا واسعًا جدًا من الخصائص التي يمكن تصميمها في بنية مركبة. أشهر حالات فشل المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية الهشة حدثت عندما انكسرت بلاطة مركبة من الكربون والكربون على الحافة الأمامية لجناح مكوك الفضاء كولومبيا عند اصطدامها أثناء الإقلاع. وقد أدى ذلك إلى تحطم المركبة بشكل كارثي عند دخولها الغلاف الجوي للأرض في 1 فبراير 2003.

تتمتع المواد المركبة بقوة تحمل ضعيفة نسبياً مقارنة بالمعادن.

يُعدّ كسر الألياف تحت تأثير الشدّ نمطًا آخر من أنماط الفشل، ويزداد احتمال حدوثه عندما تكون الألياف مُحاذية لاتجاه التحميل، وكذلك احتمال حدوث كسر الألياف تحت تأثير الشدّ، بافتراض أن مقاومة الشدّ تتجاوز مقاومة المادة الأساسية. عندما يكون للألياف زاوية انحراف θ، تصبح أنماط الكسر المتعددة ممكنة. بالنسبة للقيم الصغيرة لـ θ، يزداد الإجهاد اللازم لبدء الكسر بمعامل (cos θ) ^⁻² نتيجةً لزيادة مساحة المقطع العرضي ( A cos θ) للألياف وانخفاض القوة ( F/ cos θ) التي تتعرض لها، مما يؤدي إلى مقاومة شدّ للمركب تُساوي σ _parallel / cos²θ ^، حيث σ _parallel هي مقاومة الشدّ للمركب عندما تكون الألياف مُحاذية للقوة المُطبقة.

تؤدي زوايا عدم التوافق المتوسطة θ إلى فشل القص في المادة الأساسية. يتغير مساحة المقطع العرضي مرة أخرى، ولكن بما أن إجهاد القص هو القوة الدافعة للفشل، فإن مساحة المادة الأساسية الموازية للألياف تصبح مهمة، حيث تزداد بمعامل 1/sin θ. وبالمثل، تنخفض القوة الموازية لهذه المساحة مرة أخرى ( F/ cos θ)، مما يؤدي إلى مقاومة شد كلية مقدارها τ _my / sin  θ cos  θ، حيث τ _my هي مقاومة القص للمادة الأساسية.

أخيرًا، عند قيم θ الكبيرة (القريبة من π/2)، يكون الفشل العرضي للمصفوفة هو الأكثر احتمالًا، نظرًا لأن الألياف لم تعد تتحمل الجزء الأكبر من الحمل. ومع ذلك، ستكون مقاومة الشد أكبر من تلك في حالة التوجيه العمودي البحت، لأن القوة العمودية على الألياف ستنخفض بمعامل 1/sin θ، وستنخفض المساحة بمعامل 1/sin θ، مما ينتج عنه مقاومة شد للمركب تساوي σ _perp / sin ² θ، حيث σ _perp هي مقاومة الشد للمركب عندما تكون الألياف متراصفة عموديًا على القوة المطبقة. ^{[ 103 ]}

تُختبر المواد المركبة قبل وبعد عملية البناء للمساعدة في التنبؤ بالأعطال ومنعها. قد تعتمد اختبارات ما قبل البناء على تحليل العناصر المحدودة (FEA) لتحليل كل طبقة على حدة للأسطح المنحنية والتنبؤ بالتجعد والانحناء والتقعر في المواد المركبة. ^{[ 104 ] [ 105 ] [ 106 ] [ 107 ] [ 108 ]} يمكن اختبار المواد أثناء التصنيع وبعد البناء باستخدام طرق غير مدمرة متنوعة، بما في ذلك الموجات فوق الصوتية، والتصوير الحراري، والتصوير بالقص، والتصوير بالأشعة السينية، ^{[ 109 ]} وفحص الروابط بالليزر لاختبار سلامة قوة الترابط النسبية في منطقة محددة.