تُدفن معظم البيانات الميكانيكية المتعلقة بالسيليكون وسط كمٍّ هائل من المعلومات غير الدقيقة، كصفات عامة مثل "مرن" و"متين"، دون أي بيانات رقمية أو منهج اختبار يدعمها. عند تحديد مواصفات حشية أو لوحة مفاتيح أو مانع تسرب أو قطعة مصبوبة، يُضيّع هذا النقص في المعلومات وقتك، ويُعرّضك لخطر اختيار مواصفات خاطئة للصلابة أو التمزق قبل البدء بعملية التصنيع.
مطاط السيليكون (في إم كيويتميز هذا النوع من المطاط بقوة شد خام أقل من النتريل أو المطاط الطبيعي - تتراوح عادةً بين 4 و11 ميجا باسكال - ولكنه يحافظ على استطالة تتراوح بين 200 و800%، ويحافظ على هذه الخصائص الميكانيكية في نطاق درجات حرارة من -60 درجة مئوية إلى +230 درجة مئوية. هذا التوازن، وليس قوة الشد القصوى، هو سبب اختياره.
توضح الأقسام أدناه الأرقام المستخدمة، وطريقة ASTM التي تستند إليها كل منها، والمكان الذي تتوقف فيه هذه الأرقام عن التطبيق.
لمحة سريعة عن الخصائص الميكانيكية للسيليكون
هذه مجموعات من مطاط السيليكون للأغراض العامة تندرج ضمن نطاق أوسع من السيليكون غلاف الممتلكات المادية — انظر دليل شامل للعقارات للحصول على الصورة الكاملة. تعتمد القيم الفعلية على البوليمر الأساسي، ونسبة الحشو، ونظام المعالجة، والمعالجة اللاحقة. تعامل معها كقيمة تقريبية أولية، وليست بديلاً عن ورقة البيانات.
| ملكية | النطاق النموذجي (سيليكون للأغراض العامة) | معيار الاختبار |
|---|---|---|
| قوة الشد | 4-11 ميجا باسكال (درجات عالية القوة تصل إلى ~13 ميجا باسكال) | ASTM D412 |
| استطالة عند نقطة الكسر | 200–800% | ASTM D412 |
| معامل المرونة 100% (M100) | 0.5–3 ميجا باسكال | ASTM D412 |
| قوة التمزق | 10–55 كيلو نيوتن/متر | ASTM D624 |
| مجموعة الضغط | 10–40% (أقل بعد اكتمال العلاج اللاحق) | ASTM D395 |
| صلابة | الشاطئ أ 10-80 | ASTM D2240 |
قوة الشد
قوة الشد هي الإجهاد الذي يتحمله جزء من السيليكون قبل أن ينكسر تحت تأثير الشد، ويتم قياسها على عينة على شكل دمبل لكل ASTM D412. السيليكون متعدد الأغراض يهبط في 4-11 ميجا باسكال. تصل الدرجات عالية القوة وعالية المقاومة للتمزق إلى حوالي 13 ميجا باسكال.
هذا أقل من المطاط الطبيعي أو النتريل، ونادراً ما يكون العامل المحدد في التطبيقات العملية. يُستخدم السيليكون في عمليات منع التسرب والعزل والأجزاء ذات الملمس الناعم، حيث تُعدّ الاستطالة ومقاومة الانضغاط والثبات الحراري أهم من قوة الشد القصوى. نوع الحشو والتحميل تحريك الرقم أكثر: تعزيز السيليكا المدخنة تزيد من قوة الشد، بينما تعمل الحشوات الثقيلة على تقليلها لخفض التكلفة.
إذا كان جزء ما يتحمل بالفعل شدًا، فعادةً ما يكون السيليكون هو المادة الخاطئة - فهذا حد تصميمي، وليس درجة يمكنك تعديلها للخروج منها.
الاستطالة عند الكسر (المرونة والليونة)
الاستطالة عند الكسر هي مدى تمدد السيليكون قبل الفشل، ويتم التعبير عنها كنسبة مئوية من الطول الأصلي، ويتم سحبها على نفس عينة ASTM D412 المستخدمة لقياس قوة الشد. تتمدد أنواع السيليكون النموذجية 200–800%, ، مع وجود درجات أقل صلابة وأكثر ليونة في الطرف الأعلى.
هذه هي الخاصية التي تُكسب السيليكون مرونته وليونته. فهي تسمح للهاية ذات صلابة 30 شور A، أو غطاء التمدد، أو المنفاخ بالتشوه بشكل متكرر والعودة إلى شكلها الأصلي. تتناسب الاستطالة والصلابة عكسيًا: فكلما زادت صلابة المادة (باستخدام مقياس الصلابة)، انخفضت الاستطالة.
100% معامل (M100 / M300)
معامل المرونة هو الإجهاد اللازم لتمديد العينة إلى استطالة محددة - M100 عند استطالة 100%، وM300 عند استطالة 300% - ويُقرأ أيضًا من اختبار D412. عادةً ما يقع معامل المرونة M100 للسيليكون عند 0.5–3 ميجا باسكال.
يُعدّ معامل المرونة أكثر أهمية من قوة الشد للأجزاء التي تتعرض لانثناءات متكررة ذات إجهاد منخفض، مثل لوحات المفاتيح والأغشية. فهو يصف القوة اللازمة للانحناء، وهو ما يشعر به المصمم ويحدده. قد تتشارك درجتان في قيمة قوة الشد، لكنهما تتصرفان بشكل مختلف تمامًا أثناء الاستخدام نظرًا لاختلاف منحنيات معامل المرونة الخاصة بهما.
قوة التمزق
قوة التمزق هي مقاومة القطع أو الشق المتنامي، وتقاس لكل ASTM D624 (عادةً ما تكون الرقاقة B أو الرقاقة C) ويتم الإبلاغ عنها بوحدة كيلو نيوتن/متر. يتراوح نطاق السيليكون من 10–55 كيلو نيوتن/متر: تحتل الدرجات العامة مرتبة منخفضة، بينما تحتل تركيبات السيليكون عالية المقاومة للتمزق النطاق العلوي.
تُعدّ مقاومة التمزق، لا مقاومة الشد، هي المعيار الذي يُحدد مدى قدرة الأجزاء ذات الجدران الرقيقة والأجزاء ذات الزوايا الداخلية الحادة على تحمل عملية فك القوالب والاستخدام الميداني. يجب أن تُصنّف منتجات الأطفال والأغشية الرقيقة والأجزاء ذات الانحناءات الضيقة وفقًا لدرجة عالية لمقاومة التمزق. فالخدش الذي يُعتبر غير ضار في الأجزاء السميكة يُصبح نقطة بداية للتمزق في الأجزاء الرقيقة.
مجموعة ضغط
يقيس اختبار التشوه الدائم مقدار التشوه الدائم المتبقي بعد ضغط قطعة من السيليكون ثم تحريرها - ويتم اختباره لكل ASTM D395 (الطريقة ب، انحراف ثابت). النسبة المئوية الأقل أفضل. السيليكون يسيل 10–40%, ، وتؤدي المعالجة اللاحقة الكاملة إلى دفعها نحو الطرف الأدنى.
هذه هي الخاصية التي تحدد السيليكون حشية أو مانع تسرب. إن انخفاض معدل الانضغاط هو السبب الرئيسي لتفوق السيليكون على معظم المواد المطاطية في منع التسرب الثابت عبر نطاقات واسعة من درجات الحرارة: فهو يبقى مضغوطًا ويستمر في منع التسرب بدلاً من أن يتشوه ويتسرب.
يؤثر نظام المعالجة والمعالجة اللاحقة بشكل كبير على قيمة التشوه الدائم. فالسيليكون المعالج بالبلاتين مع معالجة لاحقة مناسبة يوفر تشوهاً دائماً منخفضاً، بينما لا يوفره السيليكون غير المعالج بشكل كافٍ أو المعالج بالبيروكسيد دون معالجة لاحقة مناسبة. إذا كانت الوظيفة هي منع التسرب على المدى الطويل، فإن قيمة التشوه الدائم بعد المعالجة اللاحقة هي القيمة المطلوبة في ورقة البيانات، وليس القيمة بعد التشكيل مباشرة.
كيف ترتبط الصلابة بالأرقام الميكانيكية
يتم قياس الصلابة (باستخدام مقياس الصلابة) لكل ASTM D2240 على مقياس شور أ، مع توفر السيليكون بشكل شائع من الشاطئ أ 10 إلى 80. الصلابة ليست قيمة قوة، ولكنها أسرع مؤشر على القيم الأخرى: فالدرجات الأكثر ليونة تتمدد أكثر (استطالة أعلى) وتكون أكثر مرونة (معامل مرونة أقل)؛ أما الدرجات الأكثر صلابة فتقاوم التشوه ولكنها تفقد الاستطالة.
في معظم مناقشات التوريد، يعتبر مقياس الصلابة هو العامل الأول. وتتغير أرقام الشد والتمزق ومعامل المرونة تبعاً له.
متعلق ب: صلابة السيليكون من نوع شور أ: تأثيرها على الملمس، والإحكام، والمتانة — دليل اختيار السيليكون الناعم مقابل الصلب الكامل ودرجة الصلابة حسب التطبيق.
السيليكون مقابل أنواع أخرى من المطاط الصناعي
لا قيمة للأرقام الميكانيكية إلا بالمقارنة. فمقارنةً بالمطاط العادي، يضحي السيليكون بالقوة الخام مقابل نطاق درجة الحرارة، ومقاومة التشوه الدائم، ومقاومة التقادم.
| ملكية | سيليكون (VMQ) | المطاط الطبيعي (NR) | EPDM | النتريل (NBR) |
|---|---|---|---|---|
| قوة الشد | 4-11 ميجا باسكال | 20-30 ميجا باسكال | 7-21 ميجا باسكال | 10-25 ميجا باسكال |
| استطالة عند نقطة الكسر | 200–800% | 400–700% | 200–600% | 300–600% |
| قوة التمزق | منخفض إلى متوسط | عالي | معتدل | معتدل |
| مجموعة الضغط | ممتاز (منخفض) | فقير | جيد | معتدل |
| درجة حرارة التشغيل | من -60 إلى +230 درجة مئوية | من -50 إلى +80 درجة مئوية | من -50 إلى +150 درجة مئوية | من -30 إلى +120 درجة مئوية |
| الأشعة فوق البنفسجية / الأوزون / الشيخوخة | ممتاز | فقير | ممتاز | فقير |
الخلاصة واضحة: إذا كان الجزء يتطلب أقصى قوة شد أو تمزق عند درجة حرارة الغرفة، فإن المطاط الطبيعي (NR) أو مطاط النتريل بوتادين (NBR) هو الخيار الأمثل في بنود المواصفات الميكانيكية. أما إذا كان يتطلب إحكامًا موثوقًا،, مقاوم للحرارة ومع مرور الوقت، ومع الحفاظ على شكله على مر السنين، فإن قوة السيليكون المنخفضة تعتبر مقايضة مقبولة.
أين تتوقف هذه الأرقام عن الانطباق؟
كل نطاق مذكور أعلاه يعتمد على الدرجة وعملية التصنيع. يمكن لنظام الحشو، وتركيبة المعالجة الكيميائية، والمعالجة اللاحقة أن تؤثر على قوة الشد، ومقاومة التمزق، وقوة الانضغاط عبر النطاق الكامل - قد يختلف مكونان يحملان علامة "سيليكون" بمقدار الضعف في مقاومة التمزق. كما أن الرقم المنشور يعكس عينات المختبر، وليس سمك الجدار، أو الشكل الهندسي، أو إجهادات فك القالب.
قبل أن تصبح هذه الأرقام مواصفاتٍ حقيقية، يلزم توفر ثلاثة مدخلات: صلابة شور A المستهدفة، والوظيفة المتحكمة (مانع تسرب ثابت، أو مرونة ديناميكية، أو هيكلية)، ونطاق درجة حرارة التشغيل. بوجود هذه المدخلات، يضيق نطاق الدرجة الميكانيكية بسرعة. وبدونها، يصبح أي رقم منفرد لقوة الشد أو التمزق مجرد نقطة بيانات، وليس مواصفةً.
التعليمات
ما هي قوة الشد لمطاط السيليكون؟
تتراوح قوة السيليكون للأغراض العامة بين 4 و11 ميجا باسكال وفقًا لمعيار ASTM D412، مع وجود درجات عالية القوة تصل إلى حوالي 13 ميجا باسكال. وهي أقل من قوة النتريل أو المطاط الطبيعي.
ما مدى قدرة السيليكون على التمدد قبل أن ينكسر؟
يبلغ الاستطالة عند الكسر عادةً 200-800%. وتتمدد الدرجات الأكثر ليونة والمنخفضة الصلابة بشكل أكبر.
هل يتمتع السيليكون بخاصية الانضغاط الجيد؟
نعم. عند حوالي 10-40% (أقل بعد المعالجة الكاملة)، يحتفظ السيليكون بشكله تحت الضغط المستمر بشكل أفضل من معظم المواد المطاطية، ولهذا السبب يتم استخدامه في صناعة الأختام والحشيات.
أيهما أقوى، السيليكون أم مادة EPDM؟
أيهما أقوى، السيليكون أم مادة EPDM؟
لماذا يتميز السيليكون بقوة شد منخفضة ولكن استطالة عالية؟
يتميز هيكل السيليكون المرن (Si–O) بقدرته على التمدد بسهولة، مما يمنحه استطالة تتراوح بين 200 و800%، إلا أن قوى التجاذب بين الجزيئات المنخفضة نفسها تحد من قوة الشد عند 4-11 ميجا باسكال. تعمل الحشوات المقوية مثل السيليكا المدخنة على رفع قوة الشد دون التضحية بالكثير من المرونة.
ما هو معيار ASTM المستخدم لقياس قوة تمزق السيليكون؟
تُقاس قوة التمزق وفقًا لمعيار ASTM D624 (عادةً Die B أو Die C) ويتم الإبلاغ عنها بوحدة كيلو نيوتن/متر. تتراوح قوة التمزق للسيليكون للأغراض العامة بين 10 و55 كيلو نيوتن/متر، مع وجود درجات عالية التمزق في الطرف الأعلى.
ما هو معامل المرونة (M100) للسيليكون 100%؟
يمثل M100 الإجهاد اللازم لتمديد عينة إلى استطالة 100%، وعادة ما يكون 0.5-3 ميجا باسكال للسيليكون وفقًا لمعيار ASTM D412. وهو يتنبأ بقوة الانحراف بشكل أفضل من قوة الشد للأجزاء التي تتعرض لانثناء متكرر منخفض الإجهاد، مثل لوحات المفاتيح والأغشية.
