أنبوب دائري من ألياف الكربون

الأنواع المختلفة لأنابيب ألياف الكربون
هناك نوعان رئيسيان من الأنابيب التي نغطيها في هذا البرنامج التعليمي: الأنابيب المضغوطة والأنابيب الملفوفة باللف.
تميل الأنابيب المنتفخة إلى أن تكون بأقطار أصغر وتوفر أقصى قوة طولية ممكنة ولكن على حساب كونها أكثر عرضة للسحق أو الكسر الالتوائي. السطح الداخلي والخارجي لها أملس مع ظهور الألياف عند النظر إليها عن كثب. يتم تشكيل هذه الأنابيب عن طريق سحب الألياف من خلال حمام الراتنج والقالب الساخن لتشكيل الأنبوب. يتم توجيه جميع الألياف إلى أسفل طولها. تعني عملية النتوء أن الأنابيب تتمتع بمستوى جيد من الصلابة ولكن من السهل تقسيمها.
تميل أنابيب ألياف الكربون الملفوفة باللف إلى أن تكون ذات أقطار أكبر - وبسبب طبقات التعزيز المتناوبة الخاصة بها - تنتج أنبوبًا أكثر مرونة، خاصة لقوى السحق والالتواء. تحتوي هذه الأنابيب على ألياف بطولها وحولها من أجل قوة الطوق. يتم تشكيلها عن طريق لف طبقات من التقوية المسبقة حول شياق قبل معالجتها بالفرن. تميل إلى الحصول على لمسة نهائية داخلية ناعمة. النهاية الخارجية يمكن أن تكون ناعمة أو مضلعة في النهاية. يتم ترك النهاية المضلعة من عملية التصنيع. يتم طحن هذا في الأنابيب المنسوجة ذات النهاية المنسوجة ويتم طلاء الأنابيب للحصول على لمسة نهائية شديدة اللمعان. تضحي الأنابيب الملفوفة باللف بكمية صغيرة من الصلابة من أجل قوة الطوق مما يمنحها قوة شاملة أكبر ومقاومة أفضل للسحق والانقسام من الأنابيب المضغوطة.
تشمل الطرق الأخرى لبناء الأنابيب سحب اللف ولكنها تتضمن أليافًا حلزونية إضافية. لف الخيوط حيث يتم لف الألياف حول شياق، وذلك في المقام الأول لزيادة قوة الطوق كما هو الحال في أوعية الضغط. يمكن أيضًا تشكيل الأنابيب باستخدام قالب خارجي ومثانة داخلية، ويتم ذلك بشكل أكثر شيوعًا للأنابيب ذات الأشكال الأكثر تعقيدًا.
الاختبارات الميكانيكية
الغرض من هذه الاختبارات الميكانيكية هو توفير بيانات مقارنة بين نوعي أنابيب ألياف الكربون، 304 الفولاذ المقاوم للصدأ و6063 الألومنيوم. نحن نستخدم نفس أحجام المقاطع خلال الاختبارات، أي القطر الخارجي 10 مم والقطر الداخلي 8 مم. سيُظهر هذا الأداء بالنسبة لبعضهم البعض لملفات تعريف متطابقة.
نحن لا نعمل وفقًا لأي معايير اختبار محددة حيث لا يوجد أي معايير تناسب جميع المواد والاختبارات التي يتم إجراؤها. كما أننا لا نستخدم وحدات SI القياسية بعد تحويلها إلى كيلوغرامات. هذا لجعل الأرقام أكثر ارتباطًا وغنية بالمعلومات لكثير من الأشخاص الذين يشاهدونها. لقد تم إنتاج العديد من المقابض خصيصًا لهذه الاختبارات، لذا سيكون هناك بعض التنازلات حتى تنجح الاختبارات.
اختبار قوة الشد
هذا اختبار شد بسيط حيث يتم سحب الأنابيب حتى تفشل. يتم سحب الأنابيب حتى الحد المرن ثم يتم سحبها مرة أخرى حتى تنكسر. يشار إلى حد المرونة بالتدرج الثابت على الرسم البياني وعندما يبدأ في الخضوع والانتقال إلى التشوه اللدن، يقل التدرج حتى ينكسر. على هذا النحو، فإن نقطة العائد أكثر أهمية بكثير أن نلاحظها.
ويتكرر الاختبار لجميع المواد. مع أنابيب الكربون، الفشل في قبضة. يعد هذا أحد القيود على طريقة الإمساك المستخدمة والتي تضع تركيزًا للضغط في تلك المنطقة، لذلك باستخدام طريقة إمساك أفضل، من المتوقع الحصول على نتائج أعلى بكثير. ولو أنهم لم يفشلوا بهذه الطريقة، لكان من المتوقع أن يصل حجم الدفع إلى 3 أضعاف مثيله في الفولاذ و16 ضعف مثيله في الألومنيوم.
اختبار قوة الضغط
هذا اختبار ضغط بسيط نسبيًا يضغط الأنبوب بين قبضتين. تتصرف العينات المعدنية كما هو متوقع إلى حد كبير وتفشل أنابيب الكربون مرة أخرى في الإمساك مما يوضح القيود المفروضة على طريقة الاختبار. يعتبر الأنبوب الفولاذي هو الأفضل أداءً عند 1.5 طن، يليه الأنابيب المتدفقة والملفوفة بوزن يقل قليلاً عن طن، مع فشل أنبوب الألومنيوم عند حوالي نصف طن.
اختبار الصلابة الالتوائية
نحن نقوم بمقارنة الأنابيب ذات الحمل الالتوائي المعروف لتوفير بيانات مقارنة حتى تنزلق الأنابيب في المقبض أو تفشل. من الصعب بشكل خاص الحصول على قبضة جيدة في هذا النوع من الاختبارات والاحتفاظ بها حتى الفشل، ولكن يمكننا اختبارها إلى مستوى معروف. في هذه الحالة 5 نيوتن متر وهو ما يمكنك تحقيقه باستخدام مفك البراغي، ثم استمر حتى تفشل المقبض أو الأنبوب.
قمنا باختبار عدد درجات الدوران لكل أنبوب عند حمل يبلغ 5 نيوتن متر، واستمرنا في ذلك حتى فشلت قبضة الأنابيب. كان أداء الفولاذ المقاوم للصدأ هو الأفضل، يليه الألومنيوم. من بين أنابيب الكربون، كان أداء كلاهما سيئًا حيث كان الأنبوب الملتف قليلاً خارج أداء الأنبوب النبضي.
3-اختبار نقطة الانحناء
هذا هو اختبار الانحناء ثلاثي النقاط للأنابيب. استخدام رؤوس الأدوات المخصصة لإظهار التشوه المرن وأخيراً البلاستيك والفشل في النهاية. كما هو متوقع، فشل كلا الأنبوبين المعدنيين بسبب تشوه البلاستيك والانحناء. انحرفت أنابيب الكربون قبل أن تفشل من خلال تكسير الأنبوب وسحقه. كان أداء الأنبوب المغلف باللف هو الأفضل بحوالي 200 كجم يليه الأنبوب الفولاذي بوزن 175 كجم. فشل الأنبوب المسحوق عند حوالي 140 كجم يليه الألومنيوم عند 50 كجم. يسلط هذا الاختبار الضوء بشكل خاص على فائدة الألياف الحلقية الإضافية الموجودة على أنبوب ملفوف مقارنةً بالأنابيب النابضة.
عندما نأخذ في الاعتبار الوزن والكثافة النسبية للمواد، يتغير توازن النتائج بشكل كبير. تبلغ كثافة الفولاذ المقاوم للصدأ ما يقرب من 5.5 مرة كثافة الكربون عند 8 جم / سم 3 والألومنيوم تقريبًا بمقدار 2.7 جم / سم 3. مع تعديل الوزن، تعمل أنابيب الفولاذ والألمنيوم بشكل مماثل مع أنابيب ألياف الكربون الآن. وبإجراء نفس التعديل على الاختبارات الأخرى، نرى نفس النتائج للجميع باستثناء الاختبار الالتوائي.
نتائج واعتبارات الأنبوبة Pultruded
نحن ندرس النتائج وكيف يمكن أن تؤثر على استخدام هذا النوع من الأنابيب. في أحمال الشد والضغط النقية، توفر هذه الأنابيب أداءً استثنائيًا بالنسبة لوزنها. عند تحميلها على طولها، تكون هذه الأنابيب النابضة قوية بقدر ما يمكن أن تكون عليه أنابيب الكربون، ولكن هذا على حساب الأداء الالتوائي والسحق ومقاومة الانقسام.
وهذا يجعل الأنابيب المضغوطة مثالية للتطبيقات مثل أعمدة الأسهم، وقضبان الدفع والسحب، والطائرات بدون طيار، والطائرات الورقية، والروبوتات، وأعمدة الخيام. يتم رؤيتها أيضًا في تطبيقات التضمين مثل أعناق الآلات وهياكل الأجنحة. نظرًا لأنه يتم إنتاجها في قالب، هناك تسامح دقيق بشكل معقول في OD وID، ومع ذلك، إذا كنت تبحث عن أقسام متداخلة، فمن المحتمل أنك ستحتاج إلى صنفرة أنبوب واحد أصغر حجمًا للحصول على ملاءمة محكمة.
نتائج واعتبارات الأنبوب المغلف
في هذا القسم سننظر في النتائج وكيف يمكن أن تؤثر على استخدام هذا النوع من الأنابيب. وكما رأينا في اختبارات التوتر والضغط، فإن أداء هذه الأنابيب يماثل أداء الأنابيب النابضة تقريبًا. لقد سلط اختبار الانحناء ذو ​​الثلاث نقاط الضوء بالفعل على فائدة الألياف الحلقية ومقاومة السحق التي توفرها على الأنابيب النابضة. كما سلط الضوء أيضًا على كيفية تحسين الألياف الحلقية للمقاومة الالتوائية قليلاً.
إنها قوة الطوق الإضافية التي تعني، على الرغم من أنها أضعف قليلاً في الصلابة، إلا أنها توفر أداءً أفضل في العالم الحقيقي من جميع النواحي مقارنة بالأنابيب المضغوطة. نظرًا لكونه مصنوعًا حول شياق، فإن القطر الداخلي يكون أكثر دقة مع اعتماد الخارج على كيفية الانتهاء منه.
توفر الأنابيب النهائية المنسوجة أفضل مظهر تجميلي مع النسيج المعروض واللمسة النهائية شديدة اللمعان. ومع ذلك، فإن الطبقة المنسوجة تضيف أيضًا إلى قوة الطوق وتمنع انتشار الشقوق وتحد من التشقق. وهذا يجعلها مثالية لتطبيقات مثل أعمدة مقاعد الدراجات، ومعدات الكاميرا، والطائرات الخفيفة للغاية، وأذرع الطائرات بدون طيار وما إلى ذلك.
لا تزال الأنابيب الملفوفة غير المنسوجة ذات أداء رائع ولكن من المحتمل أن تكون أكثر ملاءمة للتطبيقات إذا كانت مستحضرات التجميل ليست بنفس الأهمية، أو أن فوائد الطبقة المنسوجة ليست بالغة الأهمية. يمكن أن يشمل ذلك تمديدات الحارث، أو مجاذيف التجديف، أو الروبوتات، أو أذرع الطائرات بدون طيار، أو حتى أعمدة تنظيف النوافذ والتطبيقات المماثلة.
حدود أنابيب ألياف الكربون
على الرغم من أن أداء أنابيب ألياف الكربون جيد جدًا للعديد من التطبيقات، إلا أن هناك أيضًا قيودًا واستخدامات قد لا تكون فيها أنابيب ألياف الكربون مثالية أو مناسبة. وسنغطي بعض الأمثلة الشائعة هنا. من الأمثلة الجيدة على الحالات التي قد لا تكون فيها ألياف الكربون مناسبة هي تطبيقات درجات الحرارة المرتفعة. سوف تتدهور ألياف الكربون بشدة فوق 120 درجة. إنها غير مناسبة للتطبيقات التي تنطوي على مستويات عالية من التآكل مثل المحامل المنزلقة والبطانات حيث سيتآكل السطح بسرعة كبيرة. لا تعمل الآلات الدقيقة مثل قطع الخيوط بشكل جيد لأن الخيط سيكون ضعيفًا جدًا - الحل الأفضل هو استخدام ملحق معدني أو ما شابه ذلك مع الخيط في المعدن لمثل هذه التطبيقات.
سيحتاج ربط الأنابيب إلى تقوية مركبة أو صنع قطع ربط معقدة. كما أنه لا يمكن تشكيله وسيحتاج إلى الاحتفاظ بشكله الحالي، لذا فإن التطبيقات مثل المقاود المنحنية وما إلى ذلك لن تكون ممكنة باستخدام الأنابيب المعدة مسبقًا. ومع ذلك، يمكن صنع هذه الأنابيب كما هو موضح في هذا الفيديو؛ تصفيح وتغليف أنبوب من ألياف الكربون باستخدام قالب مقسم.