مع التطور المستمر للمواد المركبة، ظهرت أنواع أخرى بالإضافة إلى البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية، مثل البلاستيك المقوى بألياف الكربون والبلاستيك المقوى بألياف البورون. تُعدّ مركبات البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP) مواد خفيفة الوزن وقوية تُستخدم في تصنيع العديد من المنتجات التي نستخدمها في حياتنا اليومية. وهو مصطلح يُستخدم لوصف المواد المركبة المقواة بالألياف التي تستخدم ألياف الكربون كمكون هيكلي رئيسي.
جدول المحتويات:
1. هيكل بوليمر مقوى بألياف الكربون
2. طريقة تشكيل البلاستيك المقوى بألياف الكربون
3. خصائص البوليمر المقوى بألياف الكربون
4. مزايا ألياف الكربون المقواة بالبوليمر
5. عيوب ألياف الكربون المقواة بالبوليمر
6. استخدامات البلاستيك المقوى بألياف الكربون
هيكل بوليمر مقوى بألياف الكربون
البلاستيك المقوى بألياف الكربون هو مادة تتكون من ترتيب ألياف الكربون في اتجاه معين واستخدام مواد بوليمرية مترابطة. يبلغ قطر ألياف الكربون 7 ميكرونات فقط، وهو قطر دقيق للغاية، لكن قوتها عالية جدًا.
الوحدة الأساسية المكونة للمواد المركبة المدعمة بألياف الكربون هي خيوط ألياف الكربون. المادة الخام الأساسية لخيوط الكربون هي بوليمر بولي أكريلونيتريل (PAN) أو رايون أو قطران البترول. ثم تُصنع خيوط الكربون إلى أقمشة من ألياف الكربون باستخدام طرق كيميائية وميكانيكية لتصنيع أجزاء من ألياف الكربون.
عادةً ما يكون البوليمر الرابط راتنجًا حراريًا مثل الإيبوكسي. تُستخدم أحيانًا بوليمرات حرارية أخرى، مثل بولي فينيل أسيتات أو نايلون. بالإضافة إلى ألياف الكربون، قد تحتوي المواد المركبة أيضًا على ألياف الأراميد Q، أو البولي إيثيلين ذي الوزن الجزيئي العالي جدًا، أو الألومنيوم، أو الألياف الزجاجية. كما تتأثر خصائص منتج ألياف الكربون النهائي بنوع الإضافات المُدخلة في مصفوفة الربط.
طريقة تشكيل البلاستيك المقوى بألياف الكربون
تختلف منتجات ألياف الكربون بشكل رئيسي بسبب اختلاف عمليات التصنيع. وهناك العديد من الطرق لتشكيل مواد البوليمر المقوى بألياف الكربون.
1. طريقة وضع الكرة باليد
تنقسم عملية التشكيل إلى طريقتين: الطريقة الجافة (في ورشة مُجهزة مسبقًا) والطريقة الرطبة (حيث يتم لصق ألياف القماش بالراتنج). كما تُستخدم طريقة التشكيل اليدوي لتحضير الألياف المُشربة مسبقًا لاستخدامها في عمليات التشكيل الثانوية، مثل التشكيل بالضغط. في هذه الطريقة، تُرقق طبقات من قماش ألياف الكربون على قالب لتشكيل المنتج النهائي. ويتم تحسين خصائص القوة والصلابة للمادة الناتجة عن طريق اختيار محاذاة ونسيج ألياف القماش. ثم يُملأ القالب بالإيبوكسي ويُعالج بالحرارة أو الهواء. تُستخدم هذه الطريقة التصنيعية غالبًا للأجزاء غير المعرضة للإجهاد، مثل أغطية المحركات.
2. طريقة التشكيل بالتفريغ
بالنسبة للمواد المركبة المُشَرَّبة مسبقًا والمُرقَّقة، من الضروري تطبيق ضغط من خلال عملية محددة لتقريبها من القالب، ثم معالجتها وتشكيلها تحت درجة حرارة وضغط معينين. تستخدم طريقة الكيس المفرغ مضخة تفريغ لإخراج الهواء من داخل كيس التشكيل، مما يُولِّد ضغطًا سلبيًا بين الكيس والقالب، فيُقرِّب المادة المركبة من القالب.
استنادًا إلى طريقة التغليف بالتفريغ الهوائي، طُوّرت لاحقًا طريقة التشكيل بالتغليف بالتفريغ الهوائي في الأوتوكلاف. توفر الأوتوكلاف ضغوطًا أعلى وتُعالج القطعة حراريًا (بدلًا من المعالجة الطبيعية) مقارنةً بطرق التغليف بالتفريغ الهوائي فقط. تتميز هذه القطعة ببنية أكثر تماسكًا، وجودة سطح أفضل، وقدرة فعّالة على التخلص من فقاعات الهواء (التي تؤثر بشكل كبير على متانة القطعة)، وجودة إجمالية أعلى. في الواقع، تُشبه عملية التغليف بالتفريغ الهوائي عملية لصق أغلفة الهواتف المحمولة، حيث يُعد التخلص من فقاعات الهواء مهمة أساسية.
3. طريقة التشكيل بالضغط
قولبة الضغطتُعدّ هذه الطريقة من طرق التشكيل التي تُسهّل الإنتاج بكميات كبيرة. تتكون القوالب عادةً من جزأين علوي وسفلي، يُطلق عليهما القالب الذكري والقالب الأنثوي. تتمثل عملية التشكيل في وضع مادة مُسبقة التشريب داخل قالب معدني، وتحت تأثير درجة حرارة وضغط مُحددين، تُسخّن المادة وتُليّن داخل تجويف القالب، ثم تتدفق تحت الضغط لتملأ التجويف، وبعد ذلك تُشكّل وتُعالج للحصول على المنتج النهائي. مع ذلك، تُعتبر هذه الطريقة ذات تكلفة أولية أعلى من الطرق السابقة، نظرًا لأن القالب يتطلب تصنيعًا دقيقًا للغاية باستخدام آلات CNC.
4. تشكيل اللفائف
بالنسبة للأجزاء ذات الأشكال المعقدة أو التي تتخذ شكل جسم دوراني، يمكن استخدام آلة لف الخيوط لتصنيعها عن طريق لف الخيط على مغزل أو قلب. بعد اكتمال اللف، يتم معالجة المادة ثم إزالة المغزل. على سبيل المثال، يمكن تصنيع أذرع الوصلات الأنبوبية المستخدمة في أنظمة التعليق باستخدام هذه الطريقة.
5. قولبة نقل الراتنج
يُعدّ قولبة نقل الراتنج (RTM) طريقة قولبة شائعة نسبيًا. وتتلخص خطواتها الأساسية فيما يلي:
1. ضع نسيج ألياف الكربون المعبأ مسبقًا في القالب وأغلق القالب.
2. حقن الراتنج الحراري السائل فيه، وتشريب مادة التقوية، ثم المعالجة.
خصائص البوليمر المقوى بألياف الكربون
(1) قوة عالية ومرونة جيدة.
تبلغ قوة الشد النوعية (أي نسبة قوة الشد إلى الكثافة) لألياف الكربون ستة أضعاف قوة الشد للفولاذ وسبعة عشر ضعفًا للألمنيوم. أما معامل المرونة النوعي (أي نسبة معامل يونغ إلى الكثافة، وهو مؤشر على مرونة الجسم) فيزيد عن ثلاثة أضعاف معامل المرونة النوعي للفولاذ أو الألمنيوم.
بفضل قوته النوعية العالية، يمكنه تحمل أحمال تشغيل كبيرة. يصل أقصى ضغط تشغيل له إلى 350 كجم/سم². إضافةً إلى ذلك، فهو أكثر قابلية للانضغاط ومرونة من مادة F-4 النقية وجدائلها.
(2) مقاومة جيدة للإجهاد والتآكل.
تتميز هذه المادة بمقاومة عالية للإجهاد تفوق مقاومة راتنجات الإيبوكسي والمواد المعدنية. كما أن ألياف الجرافيت ذاتية التشحيم ولها معامل احتكاك منخفض. ويقل معدل التآكل فيها بمقدار 5 إلى 10 مرات عن معدل التآكل في منتجات الأسبستوس العادية أو جدائل F-4.
(3) موصلية حرارية جيدة ومقاومة للحرارة.
تتميز المواد البلاستيكية المقواة بألياف الكربون بموصلية حرارية جيدة، حيث تتبدد الحرارة الناتجة عن الاحتكاك بسهولة. كما أنها لا تسخن بسهولة من الداخل ولا تحتفظ بالحرارة، مما يجعلها مناسبة للاستخدام كمادة مانعة للتسرب. في الهواء، تعمل هذه المواد بثبات في نطاق درجات حرارة يتراوح بين -120 و350 درجة مئوية. ومع تقليل محتوى المعادن القلوية في ألياف الكربون، يمكن رفع درجة حرارة التشغيل. أما في وجود غاز خامل، فتصل درجة حرارتها المناسبة إلى حوالي 2000 درجة مئوية، كما أنها تتحمل التغيرات الحادة في درجات الحرارة بين البرودة والحرارة.
(4) مقاومة جيدة للاهتزاز.
ليس من السهل أن يرن أو يرفرف، كما أنه مادة ممتازة لتقليل الاهتزاز وتقليل الضوضاء.
مزايا ألياف الكربون المقواة بالبوليمر
1. خفيف الوزن
تستخدم المواد البلاستيكية التقليدية المقواة بالألياف الزجاجية أليافًا زجاجية متصلة، وتتكون من 70% من الألياف الزجاجية (وزن الزجاج/الوزن الإجمالي)، ويبلغ متوسط كثافتها 0.065 رطل لكل بوصة مكعبة. أما مركب CFRP الذي يحتوي على نفس نسبة الألياف (70%)، فيبلغ متوسط كثافته 0.055 رطل لكل بوصة مكعبة.
2. قوة عالية
على الرغم من أن البوليمرات المقواة بألياف الكربون خفيفة الوزن، إلا أن مركبات CFRP تتميز بقوة وصلابة أعلى لكل وحدة وزن مقارنةً بمركبات الألياف الزجاجية. وتبرز هذه الميزة بشكل أوضح عند مقارنتها بالمواد المعدنية.
عيوب ألياف الكربون المقواة بالبوليمر
1. التكلفة العالية
تُعدّ تكلفة إنتاج البلاستيك المقوى بألياف الكربون باهظة للغاية. وتتفاوت أسعار ألياف الكربون بشكل كبير تبعًا لظروف السوق الحالية (العرض والطلب)، ونوع ألياف الكربون (الخاصة بصناعة الطيران والفضاء مقابل النوع التجاري)، وحجم حزمة الألياف. فعلى أساس الوزن، قد تكون ألياف الكربون الخام أغلى من ألياف الزجاج من 5 إلى 25 ضعفًا. ويزداد هذا الفرق بشكل ملحوظ عند مقارنة الفولاذ بالبلاستيك المقوى بألياف الكربون.
2. الموصلية
هذه هي مزايا وعيوب المواد المركبة من ألياف الكربون، ويعتمد ذلك على التطبيق. تتميز ألياف الكربون بموصلية عالية، بينما تتميز الألياف الزجاجية بعزلها. تستخدم العديد من المنتجات الألياف الزجاجية بدلاً من ألياف الكربون أو المعادن نظرًا لمتطلبات العزل العالية. وفي صناعة المرافق، يتطلب استخدام الألياف الزجاجية في كثير من المنتجات.
استخدامات البلاستيك المقوى بألياف الكربون
تتنوع استخدامات البوليمر المقوى بألياف الكربون في مختلف جوانب الحياة، من الأجزاء الميكانيكية إلى المواد العسكرية.
(1)كحشوة مانعة للتسرب
يمكن تصنيع حلقات أو حشوات مانعة للتسرب مقاومة للتآكل والتلف ودرجات الحرارة العالية من مادة PTFE المقواة بألياف الكربون. عند استخدامها في منع التسرب الثابت، يكون عمرها الافتراضي أطول بأكثر من عشرة أضعاف من عمر حشوات الأسبستوس المغمورة بالزيت. كما تحافظ على كفاءة منع التسرب حتى في ظل تغيرات الأحمال والتبريد والتسخين السريعين. ولأن المادة لا تحتوي على مواد أكالة، فلا يحدث تآكل تنقيري على المعدن.
(2)كأجزاء طحن
بفضل خصائصه ذاتية التشحيم، يُمكن استخدامه في صناعة المحامل والتروس وحلقات المكابس لأغراض خاصة. على سبيل المثال، المحامل المُشحّمة بدون زيت لأجهزة الطيران ومسجلات الصوت، والتروس المُشحّمة بدون زيت لقاطرات الديزل الكهربائية (لتجنب الحوادث الناجمة عن تسرب الزيت)، وحلقات المكابس المُشحّمة بدون زيت في الضواغط، وغيرها. إضافةً إلى ذلك، يُمكن استخدامه أيضًا في صناعة المحامل الانزلاقية أو موانع التسرب في الصناعات الغذائية والصيدلانية، وذلك بفضل خصائصه غير السامة.
(3) كمواد هيكلية في صناعات الفضاء والطيران والصواريخ. استُخدمت لأول مرة في صناعة الطائرات لتقليل وزنها وتحسين كفاءتها في الطيران. كما تُستخدم في الصناعات الكيميائية والبترولية والطاقة الكهربائية والميكانيكية وغيرها، كمواد مانعة للتسرب دوارة أو ترددية ديناميكية، أو كمواد مانعة للتسرب ثابتة متنوعة.
تشنغشي محترفمصنع مكابس هيدروليكية في الصين، وتوفير جودة عاليةمكبس هيدروليكي مركبلتشكيل منتجات CFRP.
تاريخ النشر: 25 مايو 2023
