أجزاء من ألياف الكربون

لم يتم إنشاء جميع ألياف الكربون على قدم المساواة
تبدأ معظم أجزاء ألياف الكربون كقطعة قماش جافة، ثم يتم دمجها مع راتنج سائل. يعالج الراتينج ليشكل بوليمرًا صلبًا، مما يسمح للقماش بالحفاظ على شكله ويصبح جزءًا صلبًا من ألياف الكربون. أول شيء يجب معرفته عن ألياف الكربون هو أنه ليست كل ألياف الكربون متساوية. لا يشير هذا البيان إلى أنواع نسج القماش المختلفة أو عدد الألياف مثل 3k أو 6k أو 12k، بل يشير إلى درجة الألياف وجودة القماش نفسه.
تُباع ألياف الكربون عادة على شكل لفافة من القماش المنسوج. هناك العديد من أنماط نسج القماش المختلفة للاختيار من بينها لتناسب التطبيقات المختلفة. يتكون القماش نفسه من حزم ألياف تسمى "السحب" يتم نسجها أو خياطتها معًا. يوجد داخل كل حزمة ألياف خيوط فردية من ألياف الكربون أصغر من شعرة الإنسان. يتم تصنيف هذه الخيوط حسب درجتها. تعد الدرجة جزءًا كبيرًا مما يحدد قوة وصلابة جزء من ألياف الكربون.
في الطرف الأدنى من الطيف توجد ألياف الكربون "من الدرجة التجارية"، وهو أمر شائع جدًا. إنها عادةً الأقل تكلفة، ولكنها تتمتع أيضًا بقوة وصلابة أقل مقارنةً بألياف الكربون عالية الجودة. غالبًا ما تعتبر درجة T300، المميزة باللون البرتقالي، من الألياف التجارية.
الراتنج لا يقل أهمية عن الألياف
كما ذكرنا سابقًا، تبدأ ألياف الكربون كقطعة قماش جافة، ولا يمكن أن تصبح جزءًا صلبًا إلا من خلال دمجها مع الراتنج على شكل مادة مركبة. المصطلح المناسب لمكون الراتنج في المادة المركبة هو في الواقع "مادة المصفوفة" أو "المصفوفة" فقط، ولكن في هذه المقالة سيتم الإشارة إليه باسم الراتنج. التشبيه المبسط هو مقارنة مركب ألياف الكربون بالخرسانة وحديد التسليح. وتحمل الألياف أحمال شد مشابهة لحديد التسليح، ويسمح الراتينج للقماش بالحفاظ على شكله وتحمل أحمال ضاغطة مماثلة للخرسانة. لن يتم بناء الجسر أو المبنى من الخرسانة فقط أو من حديد التسليح فقط. كلاهما ضروري لتحقيق القوة الكاملة المطلوبة في الهيكل.
وفي حالة جزء من ألياف الكربون، فإن الشيء نفسه صحيح. بدون الراتنج، لا يمكن إنشاء أجزاء صلبة من ألياف الكربون. وبهذا المعنى، فإن الراتينج هو البطل الحقيقي المجهول في أي جزء من ألياف الكربون، واختيار الراتينج المناسب لا يقل أهمية عن اختيار ألياف الكربون المناسبة.
من المهم عدم التركيز على ألياف الكربون وحدها ومن ثم نسيان نوع الراتينج الذي سيتم استخدامه. تم اختبار أحد الراتنجات التي ادعى أنها تحافظ على قوة تصل إلى 300 درجة فهرنهايت، ولكن عندما تم اختبارها في درجات حرارة عالية، فإنها ستلين وتسمح للأجزاء بالانحناء عند درجات حرارة منخفضة تصل إلى 200 درجة فهرنهايت. كانت ألياف الكربون تقوم بعملها، لكن الراتنج لم يكن كذلك.
يمكن طلاء ألياف الكربون لتحسين الالتصاق
يضيف مصنعو ألياف الكربون عوامل اقتران خاصة (يُشار إليها أيضًا باسم عامل "الإنهاء" أو "التحجيم") إلى أقمشتهم لمساعدة الراتينج على الالتصاق بها. اعتمادًا على نوع الراتينج الذي تم اختياره، قد لا يرغب في تبليل ألياف الكربون وربطها كيميائيًا. وهذا مشابه من حيث المبدأ لكيفية عدم اختلاط الزيت والماء. قد يكون هذا الوضع نفسه غير مرغوب فيه عند الجمع بين ألياف الكربون والراتنج، لذلك يتم تطبيق عامل اقتران على الألياف للسماح للمادتين بالعمل معًا.
غالبًا ما تظل الكيمياء المحددة لعوامل التوصيل سرية من قبل الشركات المصنعة لألياف الكربون. سوف يحجبون الطلاء المحدد وبدلاً من ذلك سيكشفون فقط عن الكيمياء العامة التي يتوافق معها الطلاء. يظهر مثال يوضح توافق عامل الاقتران في مخطط Hexcel أعلاه. ضع عامل الاقتران في الاعتبار عند تجربة مواد مصفوفة غير تقليدية.
عملية تحدد الخصائص
هناك العديد من الطرق المختلفة لصنع أجزاء من ألياف الكربون مثل رمية الكرة المبللة أو التسريب أو التقوية المسبقة أو حتى الطباعة ثلاثية الأبعاد. ستصنع جميع هذه الطرق أجزاء ذات نسب مختلفة من الألياف إلى الراتنج وكميات مختلفة من العيوب، مما سيؤدي إلى اختلاف خصائص القوة والصلابة في الجزء النهائي. تؤثر درجة الحرارة التي يتم معالجة الجزء بها أيضًا على خصائص الجزء النهائي.
لا يوجد نهج رسمي "أفضل" لصنع جزء من ألياف الكربون. أفضل طريقة تعتمد حقًا على تصميم الجزء وأهداف التصنيع. هناك إيجابيات وسلبيات لكل طريقة.
على سبيل المثال، تعتبر عملية الرمي الرطب منخفضة التكلفة وسهلة التنفيذ، ولكنها عادةً ما تؤدي إلى أجزاء ذات خصائص فيزيائية غير متناسقة وعادةً ما تكون أثقل مقارنة بتقنيات التصنيع المركبة الأخرى.
يمكن أن تنتج ألياف الكربون المُجهزة مسبقًا أجزاء خفيفة عالية الجودة، ولكن هذه الطريقة غالبًا ما تتطلب أدوات أكثر تكلفة مثل مجمدات التخزين والأوتوكلاف. هناك أيضًا عدد أقل من الراتنجات ومجموعات النسيج للاختيار من بينها. يتمتع راتينج التقوية أيضًا بفترة صلاحية، مما يعني أن مادة التقوية المسبقة يمكن أن تنتهي صلاحيتها ويجب التخلص منها إذا لم يتم استخدامها خلال مدة صلاحيتها
الاختبار البدني أمر بالغ الأهمية
ألياف الكربون ليست مثل المعدن. المعادن بشكل عام متناحية الخواص، مما يعني أن لها نفس الخصائص في جميع الاتجاهات، مما يبسط التصميم والتحليل. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الخواص الميكانيكية المقاسة راسخة بالنسبة للسبائك المعدنية الشائعة. ولا يمكن قول الشيء نفسه بالنسبة للمواد المركبة بسبب توحيدها المحدود والمجموعة الواسعة من متغيرات المواد والعمليات في المواد المركبة. وهذا يعني أنه يجب إجراء الاختبار للتحقق من أن الأجزاء المركبة تلبي المتطلبات المطلوبة.
في مجال الطيران، إحدى أفضل الطرق لإجراء الاختبارات على المواد المركبة هي اتباع "نهج لبنة البناء". تبدأ هذه الطريقة باختبار الكوبونات والعناصر العامة لإنشاء قاعدة بيانات لخصائص المواد. تُستخدم هذه البيانات لتوجيه تصميم واختبار المكونات الأكبر حجمًا، ثم التجميعات الفرعية، وأخيرًا الهياكل الكاملة. يجب أن تكون كل مادة اختبار ممثلة للمواد والعملية المستخدمة في الهيكل النهائي.
هناك فكرة خاطئة مفادها أنه يمكن التحقق من صحة أجزاء ألياف الكربون من خلال المحاكاة وحدها. يمكن لأدوات التحليل مثل تحليل العناصر المحدودة (FEA) أن تساعد في توجيه تصميم الأجزاء المركبة، ولكنها تعتمد على مدخلات خصائص المواد التي يجب أن تكون دقيقة من أجل تحقيق نتائج موثوقة. أفضل طريقة للحصول على أرقام دقيقة لمتغيرات المدخلات هذه هي من خلال الاختبار المادي على عينات اختبار مركبة تمثيلية. وبدون مدخلات دقيقة، ستكون نتائج التحليل ذات فائدة محدودة. يجب إضافة هوامش أمان كبيرة إلى التصميم لمراعاة القياس الكمي غير المكرر لخصائص المواد. وهذا يضيف وزنًا، مما يؤدي في النهاية إلى التغلب على أحد الأسباب الرئيسية لاختيار المواد المركبة في المقام الأول. وبالتالي، لا توجد حقًا طريقة لإزالة الاختبار المادي تمامًا من عملية تصميم الهيكل المركب الأمثل.