1. تتكون مركبات ألياف الكربون بشكل أساسي من الألياف الكربونية المستندة إلى Polyacrylonitrile -
ألياف الكربون عبارة عن مادة كربون خيطية ، مصنوعة من ألياف المصفوفة العضوية مثل polyacrylonitrile (أو الأسفلت ، Viscose) بواسطة طريقة تحلل درجة الحرارة العالية - تحت غاز خامل عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية (والنتيجة هي إزالة معظم العناصر باستثناء الكربون) ، مع قطرها 5 { البوليمر العالي مع محتوى الكربون أكثر من 90 ٪
تتمتع ألياف الكربون بخصائص ميكانيكية ممتازة ، كما أن جاذبيتها المحددة أقل من 1/4 من الصلب. تزيد قوة الشد لمركبات ألياف الكربون بشكل عام عن 3500 ميجا باسكال ، وهي 7 - 9 مرات من الصلب. إنها الألياف ذات أعلى قوة محددة وأعلى معامل محددة بين ألياف الأداء العالية - التي يتم إنتاجها حاليًا بكميات كبيرة ، ولها كثافة منخفضة ، ومقاومة للتآكل ، ومقاومة درجة الحرارة العالية ، ومقاومة الاحتكاك ، ومقاومة التعب ، وتوهين الاهتزاز العالي ، والموصلة الكهربائية العالية والحرارية المنخفضة والمتوسطة الحارة ، غير مغناطيسية ولكن لديها خصائص تأثير التدريع الكهرومغناطيسي ، وهي مادة استراتيجية مهمة لتطوير الدفاع الوطني والاقتصاد الوطني. يستخدم على نطاق واسع في الصناعة العسكرية ، الفضاء ، السلع الرياضية ، صناعة السيارات ، معدات الطاقة ، المعدات الطبية ، الآلات الهندسية ، النقل ، البناء وتعزيزها الهيكلي.
يمكن تصنيف ألياف الكربون وفقًا لأبعاد مختلفة مثل نوع السلائف وطريقة التصنيع والأداء. وفقًا لنوع السلائف ، يمكن تصنيف ألياف الكربون إلى polyacrylonitrile (PAN) - ، على أساس الإسفلت - ، وألياف الكربون المستندة إلى Viscose -. من بينها ، يتمتع Polyacrylonitrile - بألياف الكربون المستندة إلى مزايا جودة المنتج النهائي الممتازة ، والعملية البسيطة ، والخصائص الميكانيكية الممتازة للمنتج. منذ ظهوره في الستينيات ، شغلت بسرعة المركز السائد ، وهو ما يمثل أكثر من 90 ٪ من إجمالي ألياف الكربون. في الوقت الحاضر ، تشير ألياف الكربون عمومًا إلى ألياف الكربون المستندة إلى ألياف الكربون المستندة إلى.
وفقًا لعدد الألياف ، يمكن تقسيم ألياف الكربون إلى السقوف الصغيرة والقلقات الكبيرة ، ووفقًا للخصائص الميكانيكية ، يمكن تقسيم Polyacrylonitrile - إلى ألياف الكربون المستندة إلى أربع فئات: عالي - نوع القوة ، عالي - ، نموذج متوسط ، ونموذج عالي-. كانت ألياف الكربون الصغيرة في البداية 1K و 3K و 6K ، وتطورت تدريجياً إلى 12K و 24K. يتم استخدامه بشكل أساسي في مجالات التكنولوجيا العالية- مثل الدفاع الوطني والصناعة العسكرية ، وكذلك المنتجات الرياضية والترفيهية ، مثل الطائرات ، الصواريخ ، الصواريخ ، الأقمار الصناعية ، معدات الصيد ، نوادي الجولف ، مضارب التنس ، وما إلى ذلك. الصحة والكهروميكانيكية والهندسة المدنية والنقل والطاقة ، إلخ.
تتكون المواد المركبة من ألياف الكربون من مواد المصفوفة ومواد تعزيز ألياف الكربون. من خلال التكامل المتبادل لمواد المصفوفة وألياف الكربون في الأداء ، يتم إنتاج تأثير تآزري. يعد الأداء الشامل للمواد المركبة الألياف الكربونية أفضل من الأداء الخاص بالمواد المكونة الأصلية ويفي بمتطلبات مختلفة. تحتوي المواد المركبة الألياف الكربونية على خصائص الوزن الخفيف ، والخصائص الميكانيكية الجيدة ، والتصميم الهيكلي المرن ، والأداء القابل للتعديل ، ومصادر واسعة ، وتكلفة منخفضة. إنهم يلعبون دورًا مهمًا في تطوير الدفاع الوطني والعسكري ، وقد استخدموا على نطاق واسع في مختلف الطائرات والطائرات بدون طيار والصواريخ ومركبات الإطلاق والأقمار الصناعية.
في المواد المركبة من ألياف الكربون ، تكون مادة المصفوفة بشكل أساسي راتنجًا - ، وهو ما يمثل أكثر من 90 ٪ من حصة السوق. تنقسم مادة المصفوفة إلى فئتين: المعدن وغير المعدني- المعدن. المصفوفة المعدنية الشائعة الاستخدام هي المصفوفة المعدنية ، والمغنيسيوم ، والنحاس ، والتيتانيوم وسبائكها ، والمصفوفة المعدنية غير المعدنية (5} الحصة السوقية.
2. بعد موجتين من التطوير ، يستمر مجال التطبيق في التوسع
نشأ تطور ألياف الكربون في الخمسينيات والستينيات. كانت الولايات المتحدة واليابان والمملكة المتحدة أول من قام بتطوير عمليات إنتاج ألياف الكربون. في عام 1958 ، قام روجر بيكون من شركة Union Carbide Corporation في الولايات المتحدة بتسخين Rayon في Argon وأنتج ألياف الكربون بطريق الخطأ. منذ ذلك الحين ، تم التعرف على إمكانات مواد ألياف الكربون تدريجياً. في عام 1960 ، طور ريتشارد ميلينجتون من شركة Hithompson Fiberglass Company (USA) طريقة لزيادة محتوى الكربون في ألياف Rayon إلى 99WT ٪. في الستينيات من القرن الماضي ، قادت الشركات اليابانية والبريطانية تطوير تكنولوجيا المختبرات لإنتاج ألياف الكربون (PAN) -. في عام 1959 ، نجح أكيو شيندو من معهد أوساكا للتكنولوجيا الهندسية في اليابان إلى إنتاج ألياف الكربون بنجاح مع محتوى كربون يبلغ حوالي 55WT باستخدام طريقة التكلفة المنخفضة - ؛ أنتجت Toray Industries of Japan Japan Trial - ألياف PAN في عام 1964 ووقعت اتفاقية ترخيص لعملية PAN مع معهد أوساكا للتكنولوجيا الهندسية في عام 1970. تقدمت W. Watt و LN Phillips و W. Johnson من شركة Royal Aircraft Corporation في المملكة المتحدة لبراءة الاختراع لعملية تصنيع ألياف الكربون في عام 1963 ؛ بعد ذلك ، منحت المؤسسة الوطنية للبحوث والتطوير في المملكة المتحدة تراخيص لعملية رولسرويس ومورغانيت و كورتولدز.
بدأت صناعة المواد المركبة من ألياف الكربون في السبعينيات والثمانينيات. في تطوير تكنولوجيا تصنيع ألياف الكربون ، عملت الولايات المتحدة والمملكة المتحدة واليابان بشكل وثيق. في عام 1970 ، وقعت توراي اتفاقية تعاون مع شركة Union Carbide Corporation بالولايات المتحدة ، حيث حصلت على تكنولوجيا كربنة Carbide Corporation بالولايات المتحدة ، وتمثل شركة Union Carbide للولايات المتحدة منتجات ألياف الكربون في Toray. في عام 1971 ، أنشأت Toray خط إنتاج ألياف الكربون 12 - وبدأ في إنتاج ألياف الكربون T300 ، وأطلق أول منتج مركب من ألياف الكربون التجارية - قضيب الصيد في عام 1972. جعلت أزمة الزيت في عام 1973 أن تتساقط في الحد من وزن الحوى لتقليل اتهام الوقود. بعد ذلك ، بدأ مصنعو الطائرات مثل بوينغ و Airbus في استكشاف تطبيق مركبات ألياف الكربون. في عام 1982 ، بدأ Boeing 757 و Boeing 767 و Space Shuttle في استخدام ألياف الكربون T300. دخلت CFRP التطبيق الهندسي لهياكل الفضاء ، بما في ذلك الطائرات العسكرية والمدنية. في الثمانينيات من القرن الماضي ، مع طاقة إنتاج خطية واحدة - تبلغ 1000 طن/سنة ، أدركت Toray أساسًا معظم سلسلة المنتجات الحالية ، وهي T300 المبكرة ، T800 و T1000 متوسطة الأجل ، و M60J لاحقًا. مع التطبيق الواسع النطاق لمركبات ألياف الكربون في مكونات الطائرات ، تجاوز إنتاج ألياف الكربون التراكمي لـ Toray 10000 طن بحلول عام 1988.
شهدت مركبات ألياف الكربون موجتين من الطلب ، وهو الأول الذي يقوده حقل الفضاء. ظهرت الموجة الأولى من تطبيق مركبات ألياف الكربون في التسعينيات والألفينيات من القرن الماضي ، عندما استخدم مصنعو الطائرات المدنية بنجاح وتدريجي المزيد من مواد مركبة ألياف الكربون لتصنيع جسم الطائرة ، وتلبية متطلبات شركات الطيران لخفض استهلاك الوقود ، وخفض تكاليف انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتكاليف الصيانة ، وتخفيض أداة التصميم وتكاليف التجميع. في عام 1990 ، تم استخدام Prepreg CFRP من Toray من قبل Boeing من أجل بنية جسم الطائرة الرئيسية في Boeing 777. في عام 2003 ، أطلقت Boeing مشروع Boeing 787 ، باستخدام كمية كبيرة من CFRP (50WT ٪) في الجسم الطائرة والهيكل الرئيسي ؛ في عام 2005 ، أطلقت Airbus مشروع A350 XWB ، والذي استخدم أيضًا كمية كبيرة من CFRP (53WT ٪).
The second wave of demand for carbon fiber composites was driven by non-aerospace industries. Since the 2010s, the application of carbon fiber composites has expanded dramatically from aerospace to non-aerospace industrial uses, and is characterized by large quantities and low costs. In 2007, Zoltek cooperated with wind turbine OEM Vestas to use carbon fiber in wind turbine blades. Compared with blades made of glass fiber composites, the use of carbon fiber composites in 60-meter-long blades is expected to reduce weight by 38%, reduce costs by 14%, and extend blade life. In 2014, Toray acquired Zoltek, a world-leading supplier of large-tow (>50 كيلو) ستزداد ألياف الكربون ، وسعة إنتاج ألياف الكربون إلى 35000 طن/سنة.
