אחד החומרים המשמשים כיום לצורכי מיגון הם חומרים קראמיים וזאת בזכות קושיות גבוהה וחוזק לחיצה יוצא דופן. הבנת תכונות החומר טוב יותר תאפשר יצירת שיטה למדידה ויצירת וסימולציות, ובכך ניתן יהיה לשפר את המיגון ולהציל חיי אדם. השיטות המשמשות למדידת תכונות מתיחה דינמיות (מכיוון שדרוש תיעוד מאמץ במהירויות גבוהות ותחת כוחות בכיוונים שונים) של חומרים קראמיים מורכבות, יקרות ומסורבלות. הקושי הגבוה של הקרמיקות המשמשות לצורכי מיגון יוצר בעיה בתהליך המדידה מכיוון שהכלים המודדים צריכים לא להשתנות או להיהרס. אם יהיו בידי מדענים דרכים יעילות יותר ונוחות יותר למדידת תכונות מתיחה דינמיות של חומרים יוכלו להיות לכך שימושים מעשיים רבים.

זכוכית הינה סוג מיוחד של חומר קראמי בעל מבנה אמורפי ולא גבישי. התכונות המכאניות של זכוכית כמו קשיות גבוהה ופריכות דומות ביחסן לתכונות החומרים הקראמיים לצורכי מיגון, ואם זאת הזכוכית חלשה בהרבה, ולכן יותר נוח לעבוד איתה ולחתוך אותה. לכן היא מייצגת מודל טוב לחומר קראמי לצורכי מיגון.

לרשותנו עומדת מערכת ניסוי מתקדמת העובדת על ידי הפעלה של לחיצה דינמית, כלומר, מפעילה מאמץ לחיצה על הדגם תחת זמן קצר מאוד (מערכת הSHPB – ).  בעבודה נחקור את ישימות של מערכת ניסוי זאת לצורך מדידת תכונות מתיחה דינמיות של חומרים קרמים ובכך להציע דרך נוספת למדידת תכונות אלו. המחקר מבוצע עם מפעל פלסן ומשלב מחקר במעבדה פעילה של מחקר ופיתוח. 

שאלות מחקר

·       כיצד ניתן למדוד מתיחה בחומרים פריכים. והאם שיטות אלו פועלות גם במערכי ניסוי דינאמיים?

·       כיצד ניתן להגדיר מדידה מסוימת כמדידת מתיחה?

מטרות המחקר

–  אפיון חוזק לחיצה ומתיחה דינאמי לחומר פריך (זכוכית) באמצעות ניסוי לחיצה.

עקרונות פיזיקאליים

עבודה זאת מושתתת על העקרונות הפיזיקאליים הבאים :

– עיבור וקצבי עיבור –  ניסוי דינאמי וניסוי סטטי.

– אפיון תכונות חומרים – חוזק חומרים, הבדלים בין מתיחה ללחיצה.

מסקנות

בניסויים שבוצעו הושגו מספר מטרות: הוגדר חוזק הלחיצה של הזכוכית כפונקציה של קצב עיבור באמצעות שיטה ישנה, הוגדר מאמץ המתיחה של זכוכית כפונקציה קצב עיבור באמצעות שיטה חדשה,  והוכח כי שיטה זו אכן ניתנת לשימוש כשיטה למדידת מתיחה גם בתחום דינאמי. 

 שיטת הניסוי שנבחרה לניסוי הראשי  בעבודת החקר הוכחה כאופציה אפשרית לבדיקה מדידת מאמץ מתיחה בזכוכית ולכן אולי גם בחומרים נוספים. השלב הבא יהיה לבצע את אותן סדרות ניסויים בחומרים קראמיים, ולהשוות תוצאות שיטה זו לתוצאות שיטות אחרות המודדות מאמץ מתיחה בתאי ניסוי דינאמיים, בכך לאשר את נכונות השיטה, ולהתאימה לאפיון חומרים פריכים באופן כולל.

מסקנה נוספת מהניסויים שנעשו היא כי רצוי להשתמש בדגמים בעלי גובה הגדול משמונה מ"מ מכיוון שבדגמים קטנים יותר כמות הסדקים באזורי חיתוך בדגם גדולה מדי ביחס לנפח הדגם ולכן יוצרת עיוות בניתוח התוצאות. דבר זה יוצר קושי באפיון מדויק של תכונות הדגם ומספק פיזור תוצאות רחב מהצפוי.

בחירת הזכוכית התבררה כבחירה טובה בשביל ניסוי במסגרת עבודה בית ספרית מכיוון שזכוכית היא חומר נוח לעבודה, באופן יחסי לעומת חומרים קראמיים, ומראה התנהגות של חומר פריך כמו קראמיקות. זכוכית הינה חומר שקוף. דבר זה מספק יתרון באיתור פגמים בדגם מכיוון שסדקים מייצרים עיוות שנראה לעין בקלות ובכך מקלים על פסילת דגמים בעייתיים.

על מנת לאמת שיטה זו ניתן להשתמש בשיטה נוספת והיא השוואת שיטת המדידה באמצעות מערכת SHPB ו – BD לשיטות אחרות למדידת מאמץ מתיחה דינאמי. ניתן לנסות שיטה זו על חומרים שאינם פריכים ובכך להוסיף עוד רובד לפעולת השיטה ולעזור באימותה.

לסיכום, השיטה החדשה שהוצעה בעבודת מחקר זו לצורך אפיון התנהגות של חומר פריך ,זכוכית, בתחום מאמץ מתיחה התבררה כפשוטה באופן יחסי. עם זאת, מספקת השיטה הרבה מידע על החומר הנבדק, ועל כן תוכל להועיל רבות בתחומים שבהם עוד לא יושמה מדידת חוזק מתיחה דינאמי,. כדרך התאמת חומר ליישום מסוים והבטחת איכות. לדוגמא תכנון בניה וייצור מכוניות, כלי עבודה, מטוסים, ספינות  ועוד.