كيف تصنع ألياف كربون قوية؟
أولاً، يتم تسخين شريحة من الألياف والبوليمرات الأخرى إلى درجة حرارة عالية جدًا في مساحة خالية من الأكسجين. ونظرًا لعدم وجود الأكسجين، لا يمكن للألياف أن تحترق، بل تصبح ساخنة جدًا لدرجة أن ذرات الكربون هي كل ما تبقى.
بعد ذلك، يتم تثبيت الكربون وتفحيمه. يتضمن ذلك تسخين الكربون المقاوم للاحتراق إلى درجات حرارة عالية في الهواء الطلق، ثم وضعه في فرن مملوء بالغازات الكيميائية (ولكن ليس الأكسجين) وطهيه بدرجة أكبر.
ثالثًا، يتم تبريد الورقة وغمرها في غازات كيميائية مختلفة، بما في ذلك الأكسجين، لمنحها خصائص ترابط أفضل.
وأخيرًا، يتم تطبيق طلاء راتنجات الإيبوكسي على الورقة لحماية الألياف من التلف عند استخدامها لصنع المنتجات. يختلف تكوين الطلاء بناءً على المواد الأولية المستخدمة للألياف.
هذه هي عملية صنع لوح واحد من ألياف الكربون، وهي مادة بناء قوية للغاية ولكنها لا تزال هشة وسهلة الكسر في بعض النواحي. لمزيد من المعلومات حول كيفية جعل صفائح ألياف الكربون غير قابلة للكسر تقريبًا، راجع القسم أدناه بعنوان "هل تنكسر ألياف الكربون بسهولة؟"
من المهم أن تعرف أن صنع ألياف الكربون القوية هي عملية معقدة للغاية ولا يمكن إجراؤها في المنزل بالتأكيد.
لماذا تعتبر ألياف الكربون قوية جدًا؟
تعتبر ألياف الكربون من أقوى المواد على وجه الأرض بسبب الروابط المتسلسلة لجزيئاتها. يتم إنشاء هذا الهيكل أثناء جميع التفاعلات الكيميائية والتغيرات الشديدة في درجات الحرارة التي تمر بها الألياف أثناء تصنيعها.
تقوم هذه العمليات بربط آلاف الخيوط الصغيرة معًا وخلطها بالإيبوكسي. وتشكل هذه الخيوط طبقة من ألياف الكربون، وتتأثر قوتها بالاتجاه الدقيق للخيوط وأنواع القماش المستخدم في الطبقة.
عادةً ما يبلغ سمك الطبقة الواحدة من ألياف الكربون حوالي 0.25 مم، وهي ليست قوية جدًا على الإطلاق. في الواقع، عند هذا السُمك، من السهل جدًا كسر ألياف الكربون. قد يكون هذا غير بديهي لما تعرفه عن كون ألياف الكربون قوية، ولكن يتم إنشاء القوة في عملية تكديس طبقات متعددة بالإضافة إلى استخدام اتجاه الألياف ونسجها، والمعروف أيضًا باسم "رمية الكرة".
يساعد النقاء الجزيئي لألياف الكربون أيضًا على تطوير بنية مرتبطة بإحكام.
هل تنكسر ألياف الكربون بسهولة؟
الإجابة المختصرة هي أنه يمكن ذلك، كما هو موضح أعلاه. إن الشيء العظيم في ألياف الكربون هو أنه يمكنك التحكم في قوة واتجاه القوة. على سبيل المثال، إذا كنت تريد أن تكون قوية للغاية في اتجاه واحد، وأكثر مرونة في الاتجاه الآخر، فيمكنك القيام بذلك باستخدام نوع معين من القماش وطبقة من القماش.
صفائح أحادية الاتجاه
للتوضيح، تخيل إحدى تلك الحصائر الخشبية المستخدمة في صنع السوشي. تتكون الحصيرة من مجموعة من القضبان الخشبية الضيقة التي تتوازى مع بعضها البعض وترتبط ببعضها البعض. والنتيجة هي أنه من السهل ثني السجادة إذا انحنيت عكس اتجاه الحبوب. ومع ذلك، إذا انحنيت مع الحبوب، فلن تنحني الحصيرة بسهولة على الإطلاق لأن ذلك يعني في الواقع الانحناء بقوة كافية لقطع القضبان الخشبية.
تتكون صفائح ألياف الكربون من سلسلة من القضبان المتوازية، تشبه حصيرة السوشي. لكن في ألياف الكربون، تصنع القضبان من ألياف معالجة وهي أقوى بكثير من الخشب. ولهذا السبب، من الصعب جدًا كسر ورقة من ألياف الكربون إذا قمت بالضغط في نفس اتجاه القضبان. تشبه ورقة واحدة من القضبان التي تعمل في اتجاه واحد نوعًا من نسيج ألياف الكربون يسمى "أحادي الاتجاه"، حيث تسير جميع الألياف في نفس الاتجاه.
تخيل الآن أنك قمت بلصق بساطين من السوشي واحدة فوق الأخرى، بحيث تسير القضبان الخشبية للحصيرة السفلية في اتجاه واحد وقضبان الحصيرة العلوية في الاتجاه الآخر. الآن، تدعم الحصائر بعضها البعض وتمنع بعضها البعض من الانحناء في أي اتجاه.
باستخدام ألياف الكربون أحادية الاتجاه، أثناء تكديس طبقات المواد، يمكنك التحكم في اتجاه القوة مع كل طبقة. يعد التحكم في اتجاه القوة أحد فوائد ألياف الكربون. باستخدام طبقات متعددة، يمكنك جعل المنتج النهائي قويًا بالقدر الذي تحتاجه للتطبيق المحدد.
صفائح منسوجة
في الصفائح المنسوجة من ألياف الكربون، يتم نسج الخيوط معًا مثل خيوط السلة لتتماسك معًا بشكل أفضل. هناك الكثير من أنواع النسج المختلفة التي تستخدم لعدد من الأسباب المختلفة. يمكن أن يكون جماليًا، أو قد يكون من الأسهل عمل نوع معين من المواد في قالب، و/أو يمكن أن يتمتع بقوة أكبر في اتجاهات متعددة. تعد أنواع الأقمشة المستخدمة والاتجاه الذي يتم وضعها للتحكم في القوة جزءًا من تطوير استراتيجية رمي الكرة.
بغض النظر عن نوع النسج، فإن ورقة واحدة من الألياف المنسوجة ستظل ضعيفة جدًا ما لم يتم وضعها في طبقات.
تعتبر أكوام صفائح ألياف الكربون (إما المنسوجة أو أحادية الاتجاه) ذات الاتجاهات المتناوبة قوية للغاية -- وتصل في الواقع إلى 18 ضعف قوة الفولاذ.
هل يمكنك حرق ألياف الكربون؟
سيكون لديك صعوبة في حرق ألياف الكربون.
إذا قمت بتسخينه حتى 750 درجة، فسوف يحترق ببطء شديد طالما تم تطبيق مصدر وقود محترق عليه. لكن حتى في تلك المرحلة، سيتوقف الاحتراق بمجرد إزالة مصدر الوقود.
يحدث هذا الاحتراق المحدود بسبب دمج الراتينج مع الكربون الموجود في الألياف، لأن الكربون نفسه لن يحترق. السبب الوحيد لاحتراق الألياف هو أن المكونات غير الكربونية الموجودة فيها سوف تحترق.
هناك أنواع مختلفة من الراتنجات التي يمكنها تحمل أنواع مختلفة من الحرارة. يكون راتنج الإيبوكسي النموذجي جيدًا حتى حوالي 200 درجة فهرنهايت، لكن الراتينج عالي الحرارة عادة ما يقاوم الحرارة حتى 400 درجة. تحقق دائمًا من مواصفات الراتينج المستخدم.
نظرًا لأن ألياف الكربون مقاومة جدًا للحرارة ولكنها لا تزال قوية جدًا، يتم استخدامها في العديد من التطبيقات الهندسية مثل الجوانب الداخلية للمحركات.
هل يمكن أن تصدأ ألياف الكربون؟
لا، فالروابط الضيقة في ألياف الكربون محصنة ضد الأكسدة بسبب العمليات الكيميائية المعقدة المستخدمة أثناء التصنيع. راتنجات الإيبوكسي المستخدمة لحماية ألياف الكربون من التلف خاملة، مما يعني أنها آمنة من الصدأ وأنواع التآكل الأخرى.
ما مدى قوة خيوط ألياف الكربون؟
خيوط ألياف الكربون هي السلسلة الفردية المستخدمة في نسيج ألياف الكربون. عادةً ما يتم ربط هذه الخيوط معًا باستخدام الراتنج، وهو RP في CFRP (البلاستيك المقوى بألياف الكربون). ومن خلال دمج المادة المستخدمة مع التركيب الكيميائي الدقيق لألياف الكربون، يمكن للمهندسين إنشاء شيء أكثر متانة وقوة وخفيفة الوزن من أجزائه.
في القماش المنسوج، تحتوي كل خصلة من ألياف الكربون عادةً على ما يتراوح بين 1,000 و12,000 من الخيوط الفردية، أي أقل من عرض شعرة الإنسان.
إذن ما مدى قوة ألياف الكربون؟ دعونا نضع الأمر على هذا النحو: لا توجد مواد كثيرة في العالم أقوى من ألياف الكربون -- وخاصة تلك غير المتوفرة تجاريًا.
