مواد مختلفة جدا
تختلف المواد المركبة عن المواد التقليدية في أن الأجزاء المركبة تحتوي على مكونين متميزين - الألياف ومواد المصفوفة (الأكثر شيوعًا راتنجات البوليمر) - والتي تظل منفصلة عند دمجها ولكنها تتفاعل لتشكيل مادة جديدة لا يمكن التنبؤ بخصائصها بمجرد إضافة خصائصها. عناصر.
في الواقع ، تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لتوليفة الألياف / الراتينج في تكاملها. الألياف الزجاجية الرقيقة ، على سبيل المثال ، تتمتع بقوة شد عالية نسبيًا ولكنها تتلف بسهولة. في المقابل ، فإن معظم راتنجات البوليمر لها قوة شد ضعيفة ولكنها شديدة الصلابة وقابلة للطرق. عندما يتم الجمع بين الألياف والراتنج ، يمكنهما تعويض نقاط ضعف بعضهما البعض ، مما يخلق مادة أكثر فائدة بكثير من أي مكون فردي.
الخصائص الهيكلية للمركبات مشتقة بشكل أساسي من تقوية الألياف. المركبات التجارية للأسواق الكبيرة ، مثل قطع غيار السيارات ، والسفن ، والسلع الاستهلاكية ، والأجزاء الصناعية المقاومة للتآكل ، تصنع عادةً من الألياف الزجاجية المتقطعة أو العشوائية الموجهة أو أشكال الألياف المستمرة ولكن غير الموجهة.
تم تطوير المركبات المتقدمة في الأصل لسوق الطيران العسكري ، وهي الآن موجودة في أقمار الاتصالات والطائرات والسلع الرياضية والنقل والصناعات الثقيلة وقطاع الطاقة لاستكشاف النفط والغاز وبناء توربينات الرياح.
تستمد المركبات عالية الأداء خصائصها الهيكلية من مواد تقوية الألياف المستمرة والموجهة وعالية القوة -- الأكثر شيوعًا من ألياف الكربون أو ألياف أريل بولياميد أو الألياف الزجاجية -- في مصفوفة تعمل على تحسين إمكانية التشغيل الآلي وتعزز الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة والمقاومة الكيميائية.
يمكن التحكم في اتجاه الألياف ، وهو عامل يمكنه تحسين الأداء في أي تطبيق. على سبيل المثال ، في أعمدة مضرب الغولف المركبة ، يتم توجيه ألياف البورون والكربون في زوايا مختلفة داخل العمود المركب ، بحيث تكون قادرة على الاستفادة الكاملة من خصائص قوتها وصلابتها وتحمل أحمال عزم الدوران وقوى الانحناء والضغط والشد المتعددة.
الألياف الزجاجية
الغالبية العظمى من الألياف المستخدمة في صناعة المركبات هي الزجاج. الألياف الزجاجية هي أقدم وأشهر مواد التعزيز المستخدمة في معظم تطبيقات السوق النهائية (مع كون صناعة الطيران استثناء مهمًا) لاستبدال المكونات المعدنية الثقيلة.
تعتبر الألياف الزجاجية أثقل وأقل صلابة من ألياف الكربون ، وهي ثاني أكثر مواد التعزيز شيوعًا ، ولكنها أكثر مقاومة للصدمات ولديها استطالة أكبر عند الكسر (أي أنها تمتد إلى حد أكبر قبل الانكسار). يمكن الحصول على مجموعة كبيرة من الخصائص ومستويات الأداء اعتمادًا على نوع الزجاج وقطر الفتيل وكيمياء الطلاء (تسمى "التحجيم") وشكل الألياف.
يتم توفير خيوط الزجاج في شكل حزم تسمى خيوط ، وهي عبارة عن مجموعات من خيوط الزجاج المستمرة.
عادة ما يكون التجوال عبارة عن حزمة من الخيوط غير المجدولة ملفوفة مثل الخيط حول بكرة كبيرة. يتكون التجوال أحادي الطرف من خيط مستمر من خيوط زجاجية متعددة تمتد بطول الشريط. تحتوي التجوال متعدد الأطراف على خيوط طويلة ولكنها ليست مستمرة تمامًا والتي يتم إضافتها أو إسقاطها في ترتيب متعرج أثناء اللف. الغزل عبارة عن مجموعة من الخيوط الملتوية معًا.
ألياف عالية الأداء
ألياف الكربون - الألياف الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في التطبيقات عالية الأداء - مصنوعة من مجموعة متنوعة من أنظمة السلائف ، بما في ذلك بولي أكريلونيتريل (PAN) والحرير الصناعي والأسفلت. تتم معالجة ألياف السلائف كيميائيًا ، وتسخينها وشدها ، ثم تفحيمها لإنتاج ألياف عالية القوة. تم تصنيع أول ألياف كربون عالية الأداء في السوق من سلائف الرايون.
اليوم ، حلت ألياف البولي أكريلونيتريل والألياف القائمة على الأسفلت محل الألياف الاصطناعية في معظم التطبيقات. ألياف الكربون القائمة على عموم هي الأكثر تنوعًا. إنها توفر مجموعة مذهلة من الخصائص ، بما في ذلك القوة الممتازة والصلابة العالية. تصنع ألياف الإسفلت من البترول أو قار قطران الفحم وتتميز بصلابة عالية إلى عالية للغاية ومنخفضة إلى معامل التمدد الحراري المحوري السلبي (CTE). تعتبر خصائص CTE مفيدة بشكل خاص في تطبيقات المركبات الفضائية التي تتطلب إدارة حرارية ، مثل أغلفة الأجهزة الإلكترونية.
على الرغم من أنها أقوى من الزجاج أو ألياف الأراميد ، إلا أن ألياف الكربون ليست أقل مقاومة للصدمات فحسب ، بل تتعرض أيضًا للتآكل الجلفاني عندما تتلامس مع المعدن. يتغلب المصنعون على المشكلة الأخيرة باستخدام المواد الحاجزة أو طبقات الحجاب (عادة الألياف الزجاجية / الإيبوكسي) أثناء عملية التصفيح.
شكل الألياف الأساسي لألياف الكربون عالية الأداء عبارة عن حزمة ألياف مستمرة تسمى حزمة الفتيل. تتكون حزمة ألياف الكربون من آلاف الخيوط المستمرة غير المجدولة ، وعدد الخيوط التي يمثلها رقم متبوعًا بـ "K" ، مما يعني مضروبًا في 1 ، 000 (على سبيل المثال ، 12K يعني أن عدد الخيوط هو 12 ، 000). يمكن استخدام عناقيد مباشرة في عمليات مثل لف الخيوط أو صب pultrusion أو يمكن تحويلها إلى شرائط أحادية الاتجاه ، وأقمشة ، وغيرها من الأشكال المقواة.
