प्रबलित रबर

तान्या द्वारा सम्मिश्र आकार के रबर उत्पादों पर फाइबर सुदृढीकरण संरचना का फोटो

प्रबलित रबर उत्पाद मिश्रित सामग्रियों के सबसे उच्च समूहों में से हैं, चूंकि इन्हें कंदाचन ही कभी मिश्रित सामग्री के रूप में जाना जाता है। इस प्रकार से परिचित उदाहरण ऑटोमोबाइल टायर, होज़ और कन्वेयर बेल्ट पर बढ़ जाती हैं।

समग्र प्रबलित संरचना

इस प्रकार से प्रबलित रबड़ उत्पाद रबर मैट्रिक्स और दृढ़ सामग्री को जोड़ते हैं जिससे लचीलेपन अनुपात के लिए उच्च शक्ति प्राप्त की जा सकती है। और सुदृढ़ीकरण सामग्री, सामान्यतः प्रकार का फाइबर, शक्ति और कठोरता प्रदान करती है। तथा रबर मैट्रिक्स, कम शक्ति और कठोरता के साथ, वायु-द्रव जकड़न प्रदान करता है और इस प्रकार से दृढ़ करने वाली सामग्रियों को उनकी सापेक्ष स्थिति बनाए रखने के लिए समर्थन देता है। ये स्थितियाँ अधिक महत्वपूर्ण हैं क्योंकि ये परिणामी यांत्रिक गुणों को प्रभावित करती हैं।

अतः मिश्रित संरचना जिसमें दबाव डालने पर सभी तंतुओं को सभी जगह समान रूप से लोड किया जाता है, इस प्रकार से यह आइसोट्रोपिक संरचना कहलाती है, और लोडिंग के प्रकार को आइसोटेन्सॉइडल लोडिंग का नाम दिया जाता है। जिससे आइसोटेन्सॉइडल अवधारणा को पूरा करने के लिए संरचना ज्यामिति में आइसोटेन्सॉइड मेरिडियन प्रोफ़ाइल होनी चाहिए और तंतुओं को जियोडेसिक पथों के बाद स्थित होना चाहिए। जियोडेसिक पथ सतत सतह पर दो एकपक्षीय बिंदुओं को सबसे छोटे संभव विधि से जोड़ता है।

सीधे रबर की नली

54.7 डिग्री सुदृढीकरण कोण के साथ फाइबर प्रबलित सीधी नली।

प्रबलित सीधी नली

सीधी रबर की नली में इष्टतम लोडिंग प्राप्त करने के लिए फाइबर को लगभग 54.7 कोणीय डिग्री के कोण के नीचे स्थित किया जाना चाहिए, जिसे मैजिक कोण भी कहा जाता है। इस प्रकार से 54.7 का मैजिक कोण बिल्कुल आंतरिक-दबाव-प्रेरित अनुदैर्ध्य तनाव और घेरा (परिधि) तनाव को संतुलित करता है, जैसा कि धमनियों की तरह अधिकांश जैविक दबाव वाले फाइबर-घाव सिलेंडरों में देखा जाता है। इस प्रकार से यदि फाइबर कोण प्रारंभ में 54.7 से ऊपर या नीचे है, तो यह बढ़े हुए आंतरिक दबाव के अधीन परिवर्तन कर दिया जाएगा जब तक कि यह मैजिक कोण तक नहीं बढ़ जाता है जहां घेरा तनाव और अनुदैर्ध्य तनाव समान हो जाते हैं, और नली के व्यास और नली की लंबाई में सहवर्ती समायोजन के साथ समान हो जाते हैं। इस प्रकार से प्रारंभ में कम फाइबर कोण वाली नली दबाव में 54.7 तक बढ़ जाएगी, जिससे नली का व्यास बढ़ जाएगा और लंबाई कम हो जाएगी, जबकि प्रारंभिक उच्च फाइबर कोण वाली नली 54.7 तक गिर जाएगी, जिससे नली का व्यास कम हो जाएगा और लंबाई बढ़ जाएगी। इस प्रकार से संतुलन अवस्था 54.7 का फाइबर कोण है। इस स्थिति में, फाइबर पूर्ण रूप से तनाव में लोड होते हैं, इसलिए उनकी ~100% शक्ति आंतरिक दबाव के कारण नली पर कार्य करने वाली शक्तिों का विरोध करती है। और (54.7 कोणीय डिग्री के बेलनाकार आकार के लिए मैजिक कोण गणना पर आधारित है जिसमें मैट्रिक्स सामग्री के प्रभाव को उपेक्षित किया जाता है। इसलिए, प्रयुक्त रबड़ सामग्री की कठोरता के आधार पर, वास्तविक संतुलन कोण मैजिक कोण कुछ दसवें डिग्री से भिन्न हो सकता है।)

इस प्रकार से जब सुदृढीकरण संरचना के तंतुओं को 54.7 कोणीय डिग्री से बड़े कोण के नीचे रखा जाता है, तो दबाव पड़ने पर तंतु अपने इष्टतम पथ पर स्थानांतरित होना चाहते हैं। इसका अर्थ यह है कि फाइबर स्वयं को पुनः से उन्मुख करेंगे जब तक कि वे अपने बल संतुलन तक नहीं पहुंच जाते है। इस स्तिथि में इससे लंबाई में वृद्धि होगी और व्यास में कमी होगी। इस प्रकार से 54.7 डिग्री से छोटे कोणों पर विपरीत घटित होगा। इस प्रकार से उत्पाद जो की इस सिद्धांत का उपयोग करता है और वह वायवीय मांसपेशी है।

सम्मिश्र आकार के रबर उत्पादों का सुदृढीकरण

सिंगल-बेलो रबर एक्सपेंशन ज्वाइंट को फैब्रिक प्लाई के साथ दृढ़ किया गया है।

इस प्रकार से स्थिर व्यास वाले सिलेंडर के लिए, सुदृढीकरण कोण भी स्थिर है और 54.7º है। इसे मैजिक कोण या तटस्थ कोण भी कहा जाता है। और तटस्थ कोण वह कोण है जहां घाव की संरचना संतुलन में होती है। अतः सिलेंडर के लिए, यह 54.7º है, किन्तु भस्त्रिका जैसी अधिक सम्मिश्र आकृति के लिए, जिसकी त्रिज्या उत्पाद की लंबाई के साथ भिन्न-भिन्न होती है, यह तटस्थ कोण प्रत्येक त्रिज्या के लिए भिन्न होता है। इस प्रकार से दूसरे शब्दों में, सम्मिश्र आकृतियों के लिए मैजिक कोण नहीं होता है, किन्तु तंतु जियोडेसिक पथ का अनुसरण करते हैं, जिसके कोण त्रिज्या में परिवर्तन के साथ परिवर्तित होते रहते हैं। जिससे आइसोटेन्सॉइडल लोडिंग के साथ सुदृढीकरण संरचना प्राप्त करने के लिए सम्मिश्र आकार की ज्यामिति को आइसोटेन्सॉइड मेरिडियन प्रोफ़ाइल का पालन करना होता है।

सुदृढीकरण अनुप्रयोग प्रौद्योगिकी

मिल फैब्रिक सुदृढीकरण को विभिन्न प्रक्रियाओं के साथ रबर उत्पादों पर प्रयुक्त किया जा सकता है। इस प्रकार से सीधी नली के लिए, सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली प्रक्रियाएँ ब्रेडिंग, सर्पिलिंग, बुनाई और रैपिंग हैं। और प्रथम तीन प्रक्रियाओं में समानता है कि स्वचालित प्रक्रिया में पूर्व निर्धारित पैटर्न पर फाइबर के अनेक स्ट्रैंड को साथ उत्पाद पर प्रयुक्त किया जाता है। चूंकि चतुर्थ प्रक्रिया में फैब्रिक प्लाई के साथ प्रबलित रबर शीट की मैन्युअल या अर्ध-स्वचालित रैपिंग सम्मिलित है। इस प्रकार से भस्त्रिका जैसे सम्मिश्र आकार के रबर उत्पादों के सुदृढीकरण के लिए अधिकांश निर्माता इन फैब्रिक प्रबलित रबर शीट का उपयोग करते हैं। और ये चादरें पूर्व-बुने हुए कपड़े की पट्टियों पर रबर को कैलेंडर करके बनाई जाती हैं। जिससे उत्पादों का निर्माण इन शीटों को खराद के चारों ओर लपेटकर (अधिकतर मैन्युअल रूप से) किया जाता है जब तक कि पर्याप्त रबर और सुदृढीकरण प्रयुक्त न हो जाए। चूंकि, इन शीटों का उपयोग करने की हानि यह है कि सम्मिश्र आकृतियों पर प्रयुक्त होने पर कपड़े के व्यक्तिगत तंतुओं की स्थिति को नियंत्रित करना असंभव है। इसलिए, कोई जियोडेसिक पथ प्राप्त नहीं किया जा सकता है और इसलिए कोई आइसोटेन्सॉइड लोडिंग भी संभव नहीं है। इस प्रकार से सम्मिश्र आकार पर आइसोटेनसाइड लोडिंग प्राप्त करने के लिए, आकार में आइसोटेनसाइडल प्रोफ़ाइल होना चाहिए और फाइबर संरचना की जियोडेसिक स्थिति की आवश्यकता होती है। इसे फिलामेंट वाइंडिंग या स्पाइरलिंग जैसी स्वचालित वाइंडिंग प्रक्रियाओं का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।

संदर्भ

• Koussios, S.; Nooij, S. M.; Beukers, A. "Pressurised structures & hoses: improved structural performance and flexibility through optimal fibre reinforcement" (PDF). Faculty of Aerospace Engineering, Delft University of Technology. {{cite journal}}: Cite journal requires |journal= (help)