بوليمر مقوى بألياف الكربون

الموسوعة الحرة

ذيل طائرة هليكوبتر يتم التحكم فيها عن بعد ، مصنوع من ألياف الكربون المقواة بالبوليمر

البوليمرات المقواة بألياف الكربون [ أ ] هي مواد بلاستيكية مقواة بألياف الكربون تتميز بقوة فائقة وخفة وزنها . قد يكون إنتاج هذه البوليمرات مكلفًا، لكنها شائعة الاستخدام في التطبيقات التي تتطلب نسبة عالية من القوة إلى الوزن وصلابة عالية ، مثل صناعة الطيران، وهياكل السفن، والسيارات، والهندسة المدنية، والمعدات الرياضية، بالإضافة إلى عدد متزايد من التطبيقات الاستهلاكية والتقنية. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

غالبًا ما يكون البوليمر الرابط راتنجًا حراريًا مثل الإيبوكسي ، ولكن تُستخدم أحيانًا بوليمرات حرارية أو لدنة حرارية أخرى ، مثل البوليستر أو فينيل الإستر أو النايلون . [ 4 ] يمكن أن تتأثر خصائص منتج CFRP النهائي بنوع الإضافات المُضافة إلى المادة الرابطة (الراتنج). تُعد السيليكا الإضافة الأكثر شيوعًا، ولكن يمكن استخدام إضافات أخرى مثل المطاط وأنابيب الكربون النانوية .

يُشار أحيانًا إلى ألياف الكربون باسم البوليمر المقوى بالجرافيت أو البوليمر المقوى بألياف الجرافيت ( يُعد مصطلح GFRP أقل شيوعًا، لأنه يتعارض مع البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية ).

ملكيات

تُعدّ ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) مواد مركبة . في هذه الحالة، يتكون المركب من جزأين: مادة أساسية ومادة تقوية. في CFRP، تكون مادة التقوية من ألياف الكربون، التي تُكسبها قوتها. أما المادة الأساسية، فعادةً ما تكون من البلاستيك المتصلد حراريًا، مثل راتنج البوليستر، لربط مواد التقوية معًا. [ 5 ] ولأن CFRP يتكون من عنصرين متميزين، فإن خصائص المادة تعتمد على هذين العنصرين.

تُكسب المواد المقواة بألياف الكربون (CFRP) قوتها وصلابتها، والتي تُقاس بالإجهاد ومعامل المرونة على التوالي. وعلى عكس المواد المتجانسة مثل الفولاذ والألومنيوم، تتميز المواد المقواة بألياف الكربون بخصائص قوة اتجاهية. وتعتمد خصائص هذه المواد على ترتيب ألياف الكربون ونسبتها إلى البوليمر. [ 6 ] ويمكن تطبيق المعادلتين المختلفتين اللتين تحكمان معامل المرونة الصافي للمواد المركبة، باستخدام خصائص ألياف الكربون ومصفوفة البوليمر، على البلاستيك المقوى بألياف الكربون أيضًا. [ 7 ] وتعطي قاعدة الخلط في حالة تساوي الإجهاد ما يلي :

هـج=Vمهـم+Vوهـو{\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+V_{f}E_{f}}

وهذا ينطبق على المواد المركبة ذات الألياف الموجهة بالتوازي مع الحمل المطبق.هـج{\displaystyle E_{c}}يمثل معامل المرونة الكلي المركب،Vم{\displaystyle V_{m}}وVو{\displaystyle V_{f}}تمثل هذه النسب الحجمية للمادة الأساسية والألياف على التوالي في المركب، وهـم{\displaystyle E_{m}}وهـو{\displaystyle E_{f}}يمثلان معامل المرونة للمادة الأساسية والألياف على التوالي. [ 7 ] ويمكن إيجاد الحالة القصوى الأخرى لمعامل المرونة للمركب مع توجيه الألياف بشكل عرضي للحمل المطبق باستخدام قاعدة الخلط العكسية لحالة الإجهاد المتساوي: [ 7 ]

هـج=(Vمهـم+Vوهـو)-1{\displaystyle E_{c}=\left({\frac {V_{m}}{E_{m}}}+{\frac {V_{f}}{E_{f}}}\right)^{-1}}

تعطي المعادلات المذكورة أعلاه حدًا أعلى وحدًا أدنى لمعامل يونغ لـ CFRP وهناك العديد من العوامل الأخرى التي تؤثر على القيمة الحقيقية.

تخضع متانة الكسر للبلاستيك المقوى بألياف الكربون لآليات متعددة:

  • انفصال ألياف الكربون عن مصفوفة البوليمر.
  • سحب الألياف.
  • انفصال الطبقات بين صفائح ألياف الكربون المقواة بالبوليمر. [ 8 ]

تُظهر المواد المركبة من ألياف الكربون المقواة بالإيبوكسي عادةً انعدامًا شبه تام لللدونة، حيث تقل نسبة الانفعال عند الكسر عن 0.5%. ورغم أن هذه المواد تتمتع بقوة عالية ومعامل مرونة مرتفع، إلا أن ميكانيكا الكسر الهش تُشكل تحديات فريدة للمهندسين في اكتشاف الكسر نظرًا لحدوثه بشكل كارثي. [ 8 ] ولذلك، تشمل الجهود الحديثة لتعزيز متانة هذه المواد تعديل مادة الإيبوكسي الحالية وإيجاد مصفوفة بوليمرية بديلة. ومن بين هذه المواد الواعدة مادة PEEK ، التي تُظهر متانة أكبر بعشرة أضعاف مع معامل مرونة وقوة شد مماثلة. [ 8 ] ومع ذلك، فإن معالجة PEEK أكثر صعوبة وتكلفة. [ 8 ]

على الرغم من نسب القوة إلى الوزن العالية الأولية لمركبات البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP)، إلا أن أحد عيوب تصميمها يكمن في عدم وجود حدٍّ واضحٍ للإجهاد . وهذا يعني، نظريًا، أنه لا يمكن استبعاد فشل دورة الإجهاد. في حين أن الفولاذ والعديد من المعادن والسبائك الإنشائية الأخرى لها حدود إجهاد أو تحمل قابلة للتقدير، فإن أنماط الفشل المعقدة للمواد المركبة تجعل من الصعب التنبؤ بخصائص فشل الإجهاد لمركبات البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP) وتصميمها وفقًا لذلك؛ ومع ذلك، فقد سلطت الأبحاث الحديثة الضوء على تأثيرات الصدمات منخفضة السرعة على المواد المركبة. [ 9 ] يمكن أن تجعل الصدمات منخفضة السرعة بوليمرات ألياف الكربون عرضة للتلف. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] ونتيجة لذلك، عند استخدام مركبات البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP) في تطبيقات التحميل الدوري الحرجة، قد يحتاج المهندسون إلى تصميم هوامش أمان كبيرة للقوة لتوفير موثوقية مناسبة للمكون طوال فترة خدمته.

يمكن أن تؤثر العوامل البيئية، كدرجة الحرارة والرطوبة، تأثيراً بالغاً على المواد المركبة القائمة على البوليمرات، بما في ذلك معظم المواد المركبة المقواة بألياف الكربون (CFRP). ورغم أن هذه المواد تُظهر مقاومة ممتازة للتآكل، إلا أن تأثير الرطوبة في نطاقات واسعة من درجات الحرارة قد يؤدي إلى تدهور خواصها الميكانيكية، لا سيما عند منطقة التماس بين المادة الأساسية والألياف. [ 12 ] وبينما لا تتأثر ألياف الكربون نفسها بالرطوبة المتغلغلة في المادة، فإن الرطوبة تُليّن المادة الأساسية البوليمرية. [ 8 ] ويؤدي ذلك إلى تغييرات كبيرة في الخواص التي تتأثر بشكل أساسي بالمادة الأساسية في المواد المركبة المقواة بألياف الكربون، مثل خواص الضغط، والقص بين الطبقات، والصدم. [ 13 ] وقد صُممت المادة الأساسية الإيبوكسية المستخدمة في شفرات مراوح المحركات لتكون مقاومة لوقود الطائرات، ومواد التشحيم، ومياه الأمطار، كما يُطلى الجزء المركب بطلاء خارجي لتقليل الضرر الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية. [ 8 ] [ 14 ]

يمكن أن تتسبب ألياف الكربون في حدوث تآكل جلفاني عند تثبيت أجزاء CFRP على الألومنيوم أو الفولاذ الطري، ولكن ليس على الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم. [ 15 ]

تُعدّ المواد المركبة من ألياف الكربون (CFRP) صعبة التشكيل، وتُسبب تآكلاً كبيراً للأدوات. ويعتمد تآكل الأدوات في تشكيل CFRP على اتجاه الألياف وظروف عملية القطع. وللحدّ من تآكل الأدوات، تُستخدم أنواع مختلفة من الأدوات المطلية في تشكيل CFRP وCFRP-المعدن. [ 1 ]

تصنيع

بوليمر مقوى بألياف الكربون

العنصر الأساسي في المواد المركبة المقواة بألياف الكربون (CFRP) هو خيوط الكربون ، والتي تُصنع من بوليمر أولي مثل بولي أكريلونيتريل (PAN) أو رايون أو قطران البترول . تتضمن عملية الإنتاج النموذجية لهذه المواد تحضير البوليمر الأولي، والأكسدة، والتفحيم، ومعالجة السطح، وتحضير النسيج أو الألياف المشبعة مسبقًا، والترسيب، والتصلب للحصول على الجزء المركب النهائي. [ 16 ] بالنسبة للبوليمرات الاصطناعية مثل PAN أو رايون، يُغزل البوليمر الأولي أولًا إلى خيوط، باستخدام عمليات كيميائية وميكانيكية لمحاذاة سلاسل البوليمر مبدئيًا بطريقة تُحسّن الخصائص الفيزيائية النهائية لألياف الكربون. قد تختلف تركيبات البوليمر الأولي والعمليات الميكانيكية المستخدمة أثناء غزل الخيوط بين الشركات المصنعة. بعد السحب أو الغزل، تُسخّن خيوط البوليمر لإزالة الذرات غير الكربونية ( التفحيم )، مما ينتج ألياف الكربون النهائية. يمكن معالجة خيوط ألياف الكربون بشكل إضافي لتحسين خصائص التعامل معها، ثم تُلف على بكرات . [ 17 ] من هذه الألياف، يتم إنشاء طبقة أحادية الاتجاه. يتم وضع هذه الطبقات فوق بعضها البعض في ترتيب شبه متساوي الخواص، على سبيل المثال 0°، +60°، أو -60° بالنسبة لبعضها البعض.

يمكن إنتاج صفائح منسوجة ثنائية الاتجاه من الألياف الأولية، أي نسيج مائل بنمط 2/2. تختلف عملية تصنيع معظم المواد المركبة المقواة بألياف الكربون (CFRP) باختلاف القطعة المراد تصنيعها، والتشطيب المطلوب (اللمعان الخارجي)، وعدد القطع المنتجة. إضافةً إلى ذلك، يؤثر اختيار المادة الأساسية تأثيرًا كبيرًا على خصائص المركب النهائي. [ 18 ]

تُصنع العديد من أجزاء البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP) من طبقة واحدة من نسيج الكربون المدعوم بالألياف الزجاجية. [ 19 ] تُستخدم أداة تُسمى مسدس التقطيع لإنتاج هذه الأجزاء المركبة بسرعة. بمجرد تكوين غلاف رقيق من ألياف الكربون، يقوم مسدس التقطيع بتقطيع لفائف الألياف الزجاجية إلى أطوال قصيرة ويرش الراتنج في الوقت نفسه، بحيث يختلط الراتنج والألياف الزجاجية في الموقع. [ 20 ] يكون الراتنج إما خلطًا خارجيًا، حيث يُرش المُصلِّب والراتنج بشكل منفصل، أو خلطًا داخليًا، مما يتطلب التنظيف بعد كل استخدام. قد تشمل طرق التصنيع ما يلي:

صب

إحدى طرق إنتاج أجزاء CFRP هي وضع طبقات من قماش ألياف الكربون في قالب على شكل المنتج النهائي. يُختار اتجاه ونسيج ألياف القماش لتحسين خصائص القوة والصلابة للمادة الناتجة. ثم يُملأ القالب بالإيبوكسي ويُسخّن أو يُعالج بالهواء. يتميز الجزء الناتج بمقاومة عالية للتآكل، وصلابة، وقوة كبيرة بالنسبة لوزنه. تُصنع الأجزاء المستخدمة في المناطق الأقل حساسية بتغطية القالب بالقماش، مع تشريب الألياف مسبقًا بالإيبوكسي (المعروف أيضًا باسم pre-preg ) أو طلائها. غالبًا ما تُغلّف الأجزاء عالية الأداء التي تستخدم قوالب مفردة بأكياس مفرغة من الهواء و/أو تُعالج في الأوتوكلاف ، لأن حتى فقاعات الهواء الصغيرة في المادة تُقلل من قوتها. بديلًا عن طريقة الأوتوكلاف، يُمكن استخدام الضغط الداخلي عبر أكياس هوائية قابلة للنفخ أو رغوة EPS داخل طبقات ألياف الكربون غير المعالجة.

التغليف بالتفريغ الهوائي

بالنسبة للقطع البسيطة التي لا تتطلب سوى عدد قليل من النسخ (نسخة أو نسختين يوميًا)، يمكن استخدام كيس تفريغ الهواء . يُصقل قالب من الألياف الزجاجية أو ألياف الكربون أو الألومنيوم ويُشمع، ثم يُوضع عليه عامل فصل قبل وضع القماش والراتنج، ويُسحب الهواء ويُترك جانبًا حتى تتصلب القطعة. توجد ثلاث طرق لوضع الراتنج على القماش في قالب التفريغ.

الطريقة الأولى يدوية وتسمى طريقة التشكيل الرطب، حيث يتم خلط الراتنج المكون من جزأين وتطبيقه قبل وضعه في القالب ووضعه في الكيس.

تُسمى الطريقة الثانية بالحقن، حيث يُوضع القماش الجاف والقالب داخل الكيس، بينما يقوم جهاز الشفط بسحب الراتنج عبر أنبوب صغير إلى داخل الكيس، ثم عبر أنبوب مثقوب أو ما شابه لتوزيع الراتنج بالتساوي على القماش. تتطلب كلتا الطريقتين المذكورتين أعلاه لتطبيق الراتنج عملاً يدوياً لتوزيعه بالتساوي والحصول على لمسة نهائية لامعة ذات ثقوب دقيقة جداً.

تُعرف الطريقة الثالثة لتصنيع المواد المركبة باسم التشكيل الجاف. في هذه الطريقة، تُشرب ألياف الكربون مسبقًا بالراتنج (مادة ما قبل التشريب) وتُوضع على القالب بطريقة مشابهة لطبقة لاصقة. ثم يُوضع المنتج في فراغ ليتصلب. تتميز طريقة التشكيل الجاف بأقل قدر من هدر الراتنج، كما أنها تُتيح تصنيع هياكل أخف وزنًا من طريقة التشكيل الرطب. بالإضافة إلى ذلك، نظرًا لصعوبة التخلص من كميات كبيرة من الراتنج في طرق التشكيل الرطب، فإن أجزاء ما قبل التشريب تحتوي عمومًا على عدد أقل من الثقوب الدقيقة. ويتطلب التخلص من الثقوب الدقيقة باستخدام كميات قليلة من الراتنج عادةً استخدام ضغط الأوتوكلاف لطرد الغازات المتبقية.

قولبة الضغط

تستخدم طريقة أسرع قالب ضغط ، يُعرف أيضًا باسم تشكيل ألياف الكربون. يتكون هذا القالب من جزأين (ذكر وأنثى)، أو من عدة أجزاء، ويُصنع عادةً من الألومنيوم أو الفولاذ، ومؤخرًا من البلاستيك المطبوع بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. تُضغط مكونات القالب معًا، ويُملأ التجويف الداخلي بالنسيج والراتنج، ليُشكّل في النهاية المكون المطلوب. وتكمن ميزة هذه الطريقة في سرعة العملية برمتها. فقد ادّعت بعض شركات تصنيع السيارات، مثل بي إم دبليو، قدرتها على إنتاج قطعة جديدة كل 80 ثانية. إلا أن هذه التقنية تُنتج قطعًا ذات قوة محدودة أو متغيرة، نظرًا لعدم إمكانية التحكم في اتجاه الألياف كما هو الحال في الطرق الأخرى.

لف الخيوط

بالنسبة للأشكال الصعبة أو المعقدة، يمكن استخدام آلة لف الخيوط لصنع أجزاء CFRP عن طريق لف الخيوط حول مغزل أو قلب.

قص

تتطلب المواد الأولية المُدعمة بألياف الكربون والمنسوجات الجافة المصنوعة من ألياف الكربون أساليب قطع دقيقة للحفاظ على سلامة المادة وتقليل العيوب مثل انفصال الألياف، وانفصال الطبقات ، وتلف حافة القطع. تُستخدم أنظمة القطع الرقمية CNC المزودة بخاصيتي السحب والاهتزاز غالبًا لقطع المواد الأولية المُدعمة بألياف الكربون، كما تُستخدم السكاكين الدوارة بشكل شائع لمعالجة أقمشة ألياف الكربون. يُعد القطع بالموجات فوق الصوتية طريقة أخرى لقطع المواد الأولية المُدعمة بألياف الكربون، وهو فعال بشكل خاص في تقليل انفصال الطبقات عن طريق تقليل الإجهاد الميكانيكي أثناء عملية القطع. قد يكون القطع بنفث الماء هو الطريقة المُفضلة للمركبات البوليمرية السميكة ومتعددة الطبقات .

التطبيقات

تشمل تطبيقات ألياف الكربون المقواة بالبوليمر ما يلي:

هندسة الطيران والفضاء

طائرة إيرباص A350 مطلية بطلاء مستوحى من ألياف الكربون . تُستخدم المواد المركبة على نطاق واسع في جميع أنحاء طائرة A350.

تتكون طائرة إيرباص A350 XWB من 53% من ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) [ 21 ] ، بما في ذلك دعامات الجناح ومكونات جسم الطائرة، متجاوزةً بذلك طائرة بوينغ 787 دريملاينر ، التي تُعدّ الطائرة ذات أعلى نسبة وزن لألياف الكربون المقواة بالبوليمر (50%). [ 22 ] وكانت من أوائل الطائرات التجارية التي صُنعت دعامات جناحها من مواد مركبة. كما كانت طائرة إيرباص A380 من أوائل الطائرات التجارية التي صُنع صندوق جناحها المركزي من ألياف الكربون المقواة بالبوليمر، والأولى ذات المقطع العرضي للجناح ذي الشكل الانسيابي بدلاً من تقسيمه إلى أقسام طولية. يُحسّن هذا المقطع العرضي الانسيابي المتصل الكفاءة الديناميكية الهوائية. علاوة على ذلك، فإن الحافة الخلفية، إلى جانب الحاجز الخلفي والذيل وجسم الطائرة غير المضغوط، مصنوعة من ألياف الكربون المقواة بالبوليمر. [ 23 ]

مع ذلك، أدت التأخيرات إلى تأجيل مواعيد تسليم الطلبات بسبب مشاكل التصنيع. وقد شهدت العديد من الطائرات التي تستخدم ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) تأخيرات في مواعيد التسليم نظرًا لحداثة عمليات تصنيع مكونات CFRP، في حين أن الهياكل المعدنية أكثر فهمًا. ومن المشاكل المتكررة رصد تقادم الهيكل، الأمر الذي يتطلب أساليب جديدة، نظرًا لطبيعة CFRP غير العادية متعددة المواد وغير المتجانسة [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] . [ 27 ]

في عام 1968، تم استخدام مجموعة مروحة من ألياف الكربون من نوع Hyfil في طائرات رولز رويس كونواي من طراز Vickers VC10 التي تشغلها شركة BOAC . [ 28 ]

استخدمت شركة Scaled Composites ، المتخصصة في تصميم وتصنيع الطائرات، ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) على نطاق واسع في جميع تصاميمها، بما في ذلك أول مركبة فضائية مأهولة خاصة ، Spaceship One . وتُستخدم ألياف الكربون المقواة بالبوليمر على نطاق واسع في المركبات الجوية الصغيرة (MAVs) نظرًا لنسبة قوتها العالية إلى وزنها.

ثم اتجهت شركة إيرباص إلى اعتماد البوليمرات الحرارية المقواة بألياف الكربون (CFRTP)، لأنها قابلة لإعادة التشكيل وإعادة المعالجة بعد التشكيل، ويمكن تصنيعها بشكل أسرع، وتتمتع بمقاومة أعلى للصدمات، وقابلة لإعادة التدوير وإعادة التشكيل، وتكاليف معالجة أقل. [ 29 ]

هندسة السيارات

سيارة سيتروين إس إم التي فازت برالي المغرب عام 1971 بعجلات من ألياف الكربون
ماكلارين إف 1 موديل 1996 – أول هيكل مصنوع من ألياف الكربون
ماكلارين MP4 (MP4/1)، أول سيارة فورمولا 1 مصنوعة من ألياف الكربون

تُستخدم ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) على نطاق واسع في سباقات السيارات عالية الأداء. [ 30 ] ويُعوض ارتفاع تكلفة ألياف الكربون بنسبة قوتها إلى وزنها التي لا تُضاهى، إذ يُعدّ الوزن الخفيف أمرًا بالغ الأهمية لسباقات السيارات عالية الأداء. كما طوّر مصنّعو سيارات السباق طرقًا لتعزيز قوة قطع ألياف الكربون في اتجاه مُحدد، مما يجعلها قوية في اتجاه تحمل الأحمال، وضعيفة في الاتجاهات التي لا تتعرض فيها القطعة لأحمال تُذكر. في المقابل، طوّر المصنّعون أنسجة ألياف كربون متعددة الاتجاهات تُطبّق القوة في جميع الاتجاهات. يُستخدم هذا النوع من تجميع ألياف الكربون على نطاق واسع في هيكل "خلية الأمان" أحادي الكتلة لسيارات السباق عالية الأداء. قدّمت ماكلارين أول هيكل أحادي الكتلة من ألياف الكربون في سباقات الفورمولا 1 في موسم 1981. صمّمه جون بارنارد، وتمّ تقليده على نطاق واسع في المواسم اللاحقة من قِبل فرق الفورمولا 1 الأخرى نظرًا للصلابة الإضافية التي يُوفّرها لهيكل السيارات. [ 31 ]

استخدمت العديد من السيارات الخارقة على مدى العقود القليلة الماضية ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) على نطاق واسع في تصنيعها، حيث استُخدمت في هيكلها الأحادي بالإضافة إلى مكونات أخرى. [ 32 ] ومنذ عام 1971، قدمت سيارة سيتروين SM عجلات اختيارية خفيفة الوزن مصنوعة من ألياف الكربون. [ 33 ] [ 34 ]

وقد تم اعتماد استخدام هذه المادة بسهولة أكبر من قبل الشركات المصنعة ذات الإنتاج المنخفض والتي استخدمتها في المقام الأول لصنع ألواح الهيكل لبعض سياراتها الفاخرة نظرًا لزيادة قوتها وانخفاض وزنها مقارنة بالبوليمر المقوى بالألياف الزجاجية الذي استخدموه في غالبية منتجاتهم.

الهندسة المدنية

أصبحت ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) مادةً بارزةً في تطبيقات الهندسة الإنشائية . فبعد دراستها أكاديمياً لفوائدها المحتملة في مجال البناء، أثبتت هذه الألياف جدواها الاقتصادية في العديد من التطبيقات الميدانية، حيث تُستخدم لتقوية الهياكل الخرسانية، والطوب، والفولاذ، والحديد الزهر، والخشبية. ويمكن استخدامها في الصناعة إما لترميم الهياكل القائمة وتقويتها، أو كبديلٍ للفولاذ في مواد التسليح (أو الشد المسبق) منذ بداية المشروع.

أصبح التحديث والتطوير الاستخدامَ السائدَ لهذه المادة في الهندسة المدنية، وتشمل تطبيقاته زيادة قدرة تحمل الأحمال للمنشآت القديمة (مثل الجسور، والعوارض، والأسقف، والأعمدة، والجدران) التي صُممت لتحمل أحمال تشغيل أقل بكثير مما تتعرض له اليوم، بالإضافة إلى التحديث الزلزالي، وإصلاح المنشآت المتضررة. ويُعدّ التحديث والتطوير خيارًا شائعًا في كثير من الحالات لأن تكلفة استبدال المنشأة المتضررة قد تتجاوز بكثير تكلفة تقويتها باستخدام ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP). [ 35 ]

عند تطبيق ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) على هياكل الخرسانة المسلحة المقاومة للانحناء، يكون لها عادةً تأثير كبير على المتانة (حيث يُضاعف أو يزيد عن ضعف قوة المقطع في كثير من الأحيان)، ولكنها تزيد الصلابة بشكل طفيف فقط (بنسبة لا تتجاوز 10%). ويعود ذلك إلى أن المادة المستخدمة في هذه التطبيقات عادةً ما تكون شديدة المتانة (مثلاً، قوة شد قصوى تبلغ 3 جيجا باسكال ، أي أكثر من 10 أضعاف قوة الفولاذ الطري)، ولكنها ليست شديدة الصلابة (معامل مرونة يتراوح عادةً بين 150 و250 جيجا باسكال، وهو أقل بقليل من معامل مرونة الفولاذ). ونتيجةً لذلك، تُستخدم مساحات صغيرة فقط من المادة. إن استخدام مساحات صغيرة من مادة شديدة المتانة ولكنها متوسطة الصلابة سيزيد المتانة بشكل ملحوظ، ولكنه لن يزيد الصلابة.

يمكن استخدام ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) لتعزيز مقاومة القص للخرسانة المسلحة عن طريق لفّ الأقمشة أو الألياف حول المقطع المراد تقويته. كما يُحسّن لفّ هذه الألياف حول المقاطع (مثل أعمدة الجسور أو المباني) من مرونة المقطع، مما يزيد بشكل كبير من مقاومته للانهيار تحت تأثير الأحمال الديناميكية. يُعدّ هذا النوع من "التدعيم الزلزالي" التطبيق الرئيسي في المناطق المعرضة للزلازل، نظرًا لكونه أكثر اقتصادية من الطرق البديلة.

إذا كان العمود دائريًا (أو شبه دائري)، يُمكن زيادة قدرته المحورية عن طريق التغليف. في هذه الحالة، يُعزز غلاف ألياف الكربون المقوى بالبوليمر (CFRP) مقاومة الخرسانة للضغط . مع ذلك، ورغم الزيادة الكبيرة في حمل الانهيار النهائي، فإن الخرسانة ستتشقق عند زيادة طفيفة فقط في الحمل، مما يعني أن هذا التطبيق نادر الاستخدام. تُعد ألياف الكربون المقوى بالبوليمر (CFRP) المتخصصة ذات معامل المرونة العالي جدًا (بمعامل شد 420 جيجا باسكال أو أكثر) من الطرق العملية القليلة لتقوية عوارض الحديد الزهر . في الاستخدام المعتاد، يتم لصقها بشفة الشد للمقطع، مما يزيد من صلابة المقطع ويخفض المحور المحايد ، وبالتالي يقلل بشكل كبير من أقصى إجهاد شد في الحديد الزهر.

في الولايات المتحدة، تُشكّل أنابيب الخرسانة الأسطوانية مسبقة الإجهاد (PCCP) الغالبية العظمى من شبكات نقل المياه الرئيسية. ونظرًا لأقطارها الكبيرة، فإنّ أعطال هذه الأنابيب عادةً ما تكون كارثية وتؤثر على أعداد كبيرة من السكان. وقد تم تركيب ما يقارب 31,000 كيلومتر (19,000 ميل) من أنابيب PCCP بين عامي 1940 و2006. ويُعزى التدهور التدريجي لأسلاك الشد المسبق في العديد من خطوط PCCP إلى التآكل الناتج عن تقصف الهيدروجين. على مدى العقد الماضي، استُخدمت ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) لتبطين أنابيب PCCP من الداخل، مما أدى إلى نظام تقوية هيكلي متكامل. داخل خط PCCP، يعمل غلاف CFRP كحاجز يتحكم في مستوى الإجهاد الذي تتعرض له الأسطوانة الفولاذية داخل الأنبوب الرئيسي. يُمكّن الغلاف المركب الأسطوانة الفولاذية من العمل ضمن نطاق مرونتها، لضمان الحفاظ على أداء خط الأنابيب على المدى الطويل. وتعتمد تصاميم أغلفة CFRP على توافق الإجهاد بين الغلاف والأنبوب الرئيسي. [ 36 ] 

تُعدّ مواد البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP) أغلى ثمناً من نظيراتها الشائعة الاستخدام في قطاع البناء، مثل البوليمرات المقواة بألياف الزجاج (GFRP) والبوليمرات المقواة بألياف الأراميد (AFRP)، على الرغم من أن CFRP تُعتبر عموماً ذات خصائص فائقة. ولا تزال الأبحاث جارية على نطاق واسع حول استخدام CFRP في أعمال الترميم وكبديل للفولاذ في مواد التسليح أو الشد المسبق. ولا تزال التكلفة تشكل عائقاً، كما أن هناك تساؤلات حول متانتها على المدى الطويل . ويشعر البعض بالقلق إزاء هشاشة CFRP، على عكس مرونة الفولاذ. وعلى الرغم من وضع معايير تصميم من قِبل مؤسسات مثل المعهد الأمريكي للخرسانة ، إلا أن هناك بعض التردد بين المهندسين بشأن تطبيق هذه المواد البديلة. ويُعزى ذلك جزئياً إلى نقص التوحيد القياسي وطبيعة الملكية الفكرية لتركيبات الألياف والراتنجات المتوفرة في السوق.

أقطاب كهربائية دقيقة من ألياف الكربون

تُستخدم ألياف الكربون في تصنيع الأقطاب الكهربائية الدقيقة المصنوعة من ألياف الكربون . في هذا التطبيق، تُغلّف عادةً ليف كربوني واحد بقطر 5-7 ميكرومتر داخل أنبوب شعري زجاجي. [ 37 ] عند طرف الأنبوب الشعري، يُغلّف إما بالإيبوكسي ويُصقل لصنع قطب كهربائي دقيق قرصي الشكل من ألياف الكربون، أو يُقطع الليف إلى طول 75-150 ميكرومتر لصنع قطب كهربائي أسطواني الشكل من ألياف الكربون. تُستخدم الأقطاب الكهربائية الدقيقة المصنوعة من ألياف الكربون إما في قياس التيار الكهربائي أو في قياس الفولتية الدورية السريعة للكشف عن الإشارات الكيميائية الحيوية.

السلع الرياضية

دراجة بيناريلو
زورق مصنوع من ألياف الكربون والكيفلار (Placid Boatworks Rapidfire في سباق Adirondack Canoe Classic )

تُستخدم ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) على نطاق واسع في المعدات الرياضية، مثل مضارب الاسكواش والتنس والريشة الطائرة، وأعمدة الطائرات الورقية الرياضية ، وأعمدة الأسهم عالية الجودة، وعصي الهوكي، وقصبات الصيد، وألواح ركوب الأمواج ، وزعانف السباحة المتطورة، وقوارب التجديف . كما يستخدم الرياضيون مبتورو الأطراف، مثل جوني بيكوك، شفرات من ألياف الكربون للجري. وتُستخدم أيضًا كدعامة في بعض أحذية كرة السلة للحفاظ على ثبات القدم، حيث تمتد عادةً على طول الحذاء فوق النعل مباشرةً، وتُترك مكشوفة في بعض المناطق، وخاصةً في قوس القدم.

أثار استخدام مضارب الكريكيت ذات الطبقة الرقيقة من ألياف الكربون على ظهرها جدلاً واسعاً في عام 2006، حيث استخدمها لاعبون بارزون مثل ريكي بونتينغ ومايكل هاسي في المباريات التنافسية. وزُعم أن ألياف الكربون تزيد من متانة المضارب فحسب، إلا أن المجلس الدولي للكريكيت حظر استخدامها في جميع مباريات الدرجة الأولى عام 2007. [ 38 ]

إطار الدراجة المصنوع من ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) أخف وزنًا من إطار مصنوع من الفولاذ أو الألومنيوم أو التيتانيوم بنفس القوة. يمكن تصميم نوع واتجاه نسيج ألياف الكربون لزيادة الصلابة إلى أقصى حد في الاتجاهات المطلوبة. يمكن ضبط الإطارات لتناسب أنماط الركوب المختلفة: تتطلب سباقات السرعة إطارات أكثر صلابة، بينما قد تتطلب سباقات التحمل إطارات أكثر مرونة لراحة الراكب لفترات أطول. [ 39 ] وقد ساهم تنوع الأشكال التي يمكن تصنيعها بها في زيادة الصلابة، كما سمح بتصميم مقاطع أنبوبية انسيابية . أصبحت شوكات CFRP، بما في ذلك تيجان شوكات التعليق وأنابيب التوجيه، ومقابض الدراجة ، وأعمدة المقاعد ، وأذرع الكرنك ، أكثر شيوعًا في الدراجات متوسطة وعالية السعر. لا تزال حواف CFRP باهظة الثمن، لكن ثباتها مقارنةً بالألومنيوم يقلل من الحاجة إلى إعادة ضبط استقامة العجلة، كما أن انخفاض كتلتها يقلل من عزم القصور الذاتي للعجلة. أسلاك CFRP نادرة، وتحتفظ معظم مجموعات عجلات الكربون بأسلاك الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدية. تُستخدم ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) بشكل متزايد في مكونات أخرى مثل أجزاء ناقل الحركة، وأذرع ومقابض الفرامل ومبدلات السرعة، وحوامل تروس الكاسيت، ووصلات نظام التعليق، وأقراص فرامل الدراجات، والدواسات، ونعال الأحذية، وقضبان السرج. ورغم قوتها وخفة وزنها، إلا أن الصدمات، أو عزم الدوران الزائد، أو التركيب غير الصحيح لمكونات ألياف الكربون المقواة بالبوليمر قد يؤدي إلى تشققات وأعطال، قد يصعب أو يستحيل إصلاحها. [ 40 ] [ 41 ]

تطبيقات أخرى

حذاء سترادا ذو الكعب العالي ذو التصميم الكابولي من تصميم بول كوادينز
ريش جيتار من ألياف الكربون من دانلوب "ماكس جريب". مقاسات 1 مم وجاز 3.
ريش جيتار من ألياف الكربون من دانلوب "ماكس جريب". مقاسات 1 مم وجاز 3.

تتحسن مقاومة البوليمرات والمركبات المتصلبة حرارياً للحريق بشكل ملحوظ إذا تم تشكيل طبقة رقيقة من ألياف الكربون بالقرب من السطح، لأن طبقة كثيفة ومتراصة من ألياف الكربون تعكس الحرارة بكفاءة. [ 42 ]

إصدارات Strandberg Boden Plini ذات الرقبة الممتدة والإصدارات المثبتة بمسامير والتي تستخدم شرائط تقوية من ألياف الكربون للحفاظ على الصلابة.

تُستخدم ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) في عدد متزايد من المنتجات الراقية التي تتطلب صلابة ووزنًا خفيفًا، وتشمل هذه المنتجات ما يلي:

  • الآلات الموسيقية، بما في ذلك أقواس الكمان؛ ريش الجيتار، أعناق الجيتار (المجهزة بقضبان من ألياف الكربون)، واقيات الريشة / ألواح الخدش؛ هياكل الطبول؛ مزمار القربة؛ آليات البيانو؛ والآلات الموسيقية الكاملة مثل آلات التشيلو والفيولا والكمان المصنوعة من ألياف الكربون، والجيتارات الصوتية والقيثارات الصغيرة؛ وكذلك المكونات الصوتية مثل أجهزة تشغيل الأسطوانات ومكبرات الصوت.
  • تستخدم الأسلحة النارية هذه المادة لاستبدال بعض المكونات المعدنية والخشبية والألياف الزجاجية، ولكن العديد من الأجزاء الداخلية لا تزال تقتصر على السبائك المعدنية لأن المواد البلاستيكية المقواة الحالية غير مناسبة.
  • هياكل الطائرات بدون طيار عالية الأداء ومكونات أخرى للمركبات والطائرات التي يتم التحكم فيها عن طريق الراديو مثل شفرات دوارات المروحيات.
  • الأعمدة الخفيفة مثل: أرجل الحامل الثلاثي، وأعمدة الخيام، وقصبات الصيد، وعصي البلياردو، وعصي المشي، والأعمدة الطويلة مثل تلك المستخدمة في تنظيف النوافذ.
  • في طب الأسنان، تُستخدم دعامات ألياف الكربون في ترميم الأسنان المعالجة بقناة الجذر.
  • عربات قطار مزودة بقضبان لخدمة نقل الركاب. يقلل هذا من الوزن بنسبة تصل إلى 50% مقارنة بالعربات المعدنية، مما يساهم في توفير الطاقة. [ 43 ]
  • أغطية أجهزة الكمبيوتر المحمولة وغيرها من الحافظات عالية الأداء.
  • أقمشة منسوجة من الكربون. [ 44 ] [ 45 ]
  • الرماية: سهام ومسامير من ألياف الكربون، ومخزون (للأقواس المتقاطعة) وقاعدة (للأقواس العمودية)، وسكة.
  • يُستخدم البلاستيك المقوى بألياف الكربون (خيوط البولي أميد-الكربون) كخيوط في عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد بتقنية الترسيب المنصهر، [ 46 ] وذلك لإنتاج أدوات وأجزاء متينة وخفيفة الوزن نظرًا لقوته العالية وطول مقاومته للتمزق. [ 47 ]
  • إعادة تأهيل أنابيب التدفئة المركزية باستخدام طريقة CIPP .

التخلص وإعادة التدوير

يكمن الجانب الأساسي في إعادة تدوير البوليمرات المقواة بالألياف في الحفاظ على خصائصها الميكانيكية مع استعادة كلٍ من المادة الأساسية الحرارية والألياف المقوية بنجاح. تتميز هذه البوليمرات بعمر خدمة طويل عند حمايتها من أشعة الشمس. وعند انتهاء عمرها الافتراضي، لا يمكن صهرها في الهواء كما هو الحال مع العديد من المعادن. وعندما تكون خالية من الفينيل (PVC أو كلوريد البولي فينيل ) والبوليمرات الهالوجينية الأخرى، يمكن تصنيف عمليات إعادة تدوير البوليمرات المقواة بالألياف إلى أربعة مناهج رئيسية: الميكانيكية، والحرارية ، والكيميائية، والبيولوجية. يوفر كل منهج مزايا فريدة من حيث استعادة المواد أو الطاقة ، مما يساهم في جهود الاستدامة في إدارة نفايات المواد المركبة.

عمليةاستعادة المصفوفةاستعادة الأليافتدهور الخواص الميكانيكيةالمزايا/العيوب
ميكانيكياًXXX+ لا استخدام للمواد الكيميائية الخطرة  + لا انبعاثات غازية  + طاقة منخفضة التكلفة  + إمكانية إعادة تدوير كميات كبيرة

- ضعف الترابط بين الألياف والمادة الأساسية - قد تتسبب الألياف في تلف المعدات

المواد الكيميائيةX+ ألياف طويلة ونظيفة + الحفاظ على الخواص الميكانيكية + في بعض الأحيان يكون هناك استعادة عالية للمادة الأساسية

- معدات باهظة الثمن - احتمال استخدام مذيبات خطرة

حراريXX+ الحفاظ على طول الألياف + عدم استخدام مواد كيميائية خطرة + خصائص ميكانيكية أفضل من الطريقة الميكانيكية + استخدام مادة أساسية لإنتاج الطاقة

تتأثر خصائص الألياف المستعادة بشكل كبير بمعايير العملية - بعض العمليات لا تستعيد مادة المصفوفة

إعادة التدوير الميكانيكي

تتضمن العملية الميكانيكية بشكل أساسي الطحن ، الذي يُفتت المواد المركبة إلى مسحوق ناعم وألياف تقوية. تركز هذه الطريقة على استعادة كل من المواد البلاستيكية الحرارية ومواد الحشو؛ إلا أن هذه العملية تُقصر الألياف بشكل كبير. وكما هو الحال مع الورق المُعاد تدويره ، فإن الألياف المُقصرة تجعل المادة المُعاد تدويرها أضعف من المادة الأصلية. لا تزال هناك العديد من التطبيقات الصناعية التي لا تتطلب قوة تقوية ألياف الكربون كاملة الطول. على سبيل المثال، يمكن استخدام ألياف الكربون المُعاد تدويرها والمقطعة في الإلكترونيات الاستهلاكية، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة. فهي تُوفر تقوية ممتازة للبوليمرات المستخدمة حتى وإن كانت تفتقر إلى نسبة القوة إلى الوزن الموجودة في مكونات صناعة الطيران. [ 48 ]

التفتيت الكهربائي

تعتمد هذه الطريقة على تمزيق ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) باستخدام تفريغات كهربائية نبضية . طُوّرت هذه الطريقة في البداية لاستخراج البلورات والأحجار الكريمة من الصخور المستخرجة من المناجم، ويُتوقع الآن تطويرها لتطبيقات المواد المركبة. توضع المادة في وعاء يحتوي على الماء وقطبين كهربائيين . تعمل النبضة الكهربائية عالية الجهد المتولدة بين القطبين (50-200 كيلو فولت) على تفتيت المادة إلى قطع أصغر. [ 49 ] لكن من عيوب هذه التقنية أن الطاقة المستهلكة فيها تزيد بمقدار 2.6 ضعف عن الطاقة المستهلكة في الطرق الميكانيكية، مما يجعلها غير مجدية اقتصاديًا من حيث توفير الطاقة، وتحتاج إلى مزيد من البحث.

إعادة التدوير الحراري

تشمل العمليات الحرارية عدة تقنيات مثل الحرق ، والتحلل الحراري ، والتحلل الحراري بالحرارة ، والتغويز ، ومعالجة الطبقة المميعة، واستخدامها في مصانع الإسمنت . وتتضمن هذه العمليات استخلاص الألياف عن طريق إزالة الراتنج بتطايره ، مما ينتج عنه منتجات ثانوية مثل الغازات أو السوائل أو المواد غير العضوية. [ 50 ]

الأكسدة في طبقة مميعة

تعتمد هذه التقنية على تعريض المادة المركبة لتيار ساخن غني بالأكسجين ، حيث تحترق ( 450-550 درجة مئوية، 840-1020 درجة فهرنهايت ). تُختار درجة حرارة التشغيل بناءً على المادة الأساسية المراد تحليلها ، وذلك للحد من تلف الألياف. بعد عملية التقطيع إلى حجم 6-20 مم، تُوضع المادة المركبة في طبقة من رمل السيليكا على شبكة معدنية، حيث يتحلل الراتنج إلى جزيئات مؤكسدة وخيوط ليفية. تحمل تيارات الهواء هذه المكونات إلى الأعلى، بينما تغوص الجزيئات الأثقل في الطبقة. تُعد هذه الميزة الأخيرة مفيدة للغاية للمنتجات الملوثة في نهاية عمرها الافتراضي، ذات الأسطح المطلية أو النوى الرغوية أو الحشوات المعدنية. يُمكّن الفاصل الإعصاري من استخلاص ألياف يتراوح طولها بين 5 و10 مم مع أدنى حد من التلوث. تتأكسد المادة الأساسية بالكامل في موقد ثانٍ يعمل عند درجة حرارة تقارب 1000 درجة مئوية (1850 درجة فهرنهايت)، مما يؤدي إلى استعادة الطاقة وإنتاج غازات احتراق نظيفة. [ 51 ]    

إعادة التدوير الكيميائي

تتضمن إعادة التدوير الكيميائي لمركبات البوليمر المقوى بألياف الكربون استخدام مذيب تفاعلي عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا (أقل من 350 درجة مئوية) لتفكيك الراتنج مع الحفاظ على الألياف سليمة لإعادة استخدامها. يعمل المذيب على تفكيك مصفوفة المركب إلى أجزاء جزيئية أصغر ( أوليغومرات )، وبناءً على نظام المذيب المُختار، يمكن تعديل معايير المعالجة المختلفة، مثل درجة الحرارة والضغط والمحفزات ، لتحسين العملية. يتغلغل المذيب، الذي غالبًا ما يُدمج مع مذيبات مساعدة أو محفزات، في المركب ويكسر روابط كيميائية محددة ، مما ينتج عنه استعادة المونومرات من الراتنج وألياف طويلة ونظيفة ذات خصائص ميكانيكية محفوظة. تعتمد درجة الحرارة والضغط المطلوبان على نوع الراتنج، حيث تحتاج راتنجات الإيبوكسي عمومًا إلى درجات حرارة أعلى من راتنجات البوليستر. من بين الوسائط التفاعلية المختلفة التي دُرست، يُعد الماء الأكثر شيوعًا نظرًا لفوائده البيئية. عند دمجه مع محفزات قلوية ، فإنه يُفكك العديد من الراتنجات بفعالية، بينما تُستخدم المحفزات الحمضية للبوليمرات الأكثر مقاومة. كما تم استكشاف مذيبات أخرى، مثل الإيثانول والأسيتون ومخاليطهما ، لهذه العملية.

على الرغم من مزايا هذه الطريقة، إلا أنها تنطوي على بعض القيود. فهي تتطلب معدات متخصصة قادرة على التعامل مع المذيبات المسببة للتآكل ، والمواد الكيميائية الخطرة، ودرجات الحرارة أو الضغوط العالية، لا سيما عند التشغيل في ظروف فوق الحرجة . وبينما خضعت هذه الطريقة لأبحاث مكثفة على نطاق المختبر، لا يزال اعتمادها الصناعي محدودًا، حيث وصلت التكنولوجيا حاليًا إلى مستوى جاهزية تكنولوجية (TRL) يبلغ 4 لإعادة تدوير ألياف الكربون. [ 52 ]

عملية التحلل

تُعدّ عملية الذوبان طريقةً لاستعادة كلٍّ من مصفوفة البوليمر والألياف من المركبات الحرارية البلاستيكية دون كسر الروابط الكيميائية . وعلى عكس التحلل المائي ، الذي ينطوي على التحلل الكيميائي للبوليمر، فإن الذوبان يُذيب سلاسل البوليمر ببساطة في مذيب، مما يسمح باستعادة المادة في شكلها الأصلي. وقد أظهر تحليل الطاقة لهذه العملية أن الذوبان متبوعًا بالتبخير أكثر كفاءةً في استهلاك الطاقة من الترسيب . بالإضافة إلى ذلك، ساعد تجنب الترسيب على تقليل فقدان البوليمر، مما حسّن كفاءة استعادة المادة بشكل عام. تُقدّم هذه الطريقة نهجًا واعدًا لإعادة التدوير المستدام للمركبات الحرارية البلاستيكية. [ 53 ]

إعادة التدوير البيولوجي

تركز العملية البيولوجية، التي لا تزال قيد التطوير، على التحلل الحيوي والتسميد . ويُبشر هذا الأسلوب بنتائج واعدة للمواد المركبة الحيوية والزراعية، بهدف إيجاد حلول صديقة للبيئة للتخلص من هذه المواد في نهاية عمرها الافتراضي. ومع تقدم الأبحاث، قد تُوفر إعادة التدوير البيولوجية وسيلة فعالة للحد من نفايات المواد البلاستيكية المركبة بطريقة مستدامة. [ 54 ]

بوليمر مقوى بأنابيب الكربون النانوية (CNRP)

في عام ٢٠٠٩، طرحت شركة زايفكس تكنولوجيز مادة الإيبوكسي المقوى بأنابيب الكربون النانوية ومواد الكربون المُشربة مسبقًا . [ ٥٥ ] يتميز البوليمر المقوى بأنابيب الكربون النانوية (CNRP) بقوة ومتانة تفوقان عدة مرات قوة ومتانة البوليمرات التقليدية المقواة بألياف الكربون (CFRP)، ويُستخدم في طائرة لوكهيد مارتن إف-٣٥ لايتنينغ ٢ كمادة هيكلية. [ ٥٦ ] لا يزال CNRP يستخدم ألياف الكربون كعنصر تقوية أساسي، [ ٥٧ ] ولكن المادة الرابطة عبارة عن إيبوكسي مملوء بأنابيب الكربون النانوية. [ ٥٨ ]

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ↑ يُعرف أيضًا باسم البلاستيك المقوى بألياف الكربون (CFRP)، أو البلاستيك الحراري المقوى بألياف الكربون (CFRT)، أو ألياف الكربون، أو مركب الكربون، أو ببساطة الكربون

مراجع

  1. 1 2 نغوين، دينه؛ عبد الله، محمد صايم بن؛ خوارزمي، ريان؛ كيم، ديف؛ كوون، باتريك (2020). "تأثير اتجاه الألياف على تآكل الأدوات في تشذيب حواف صفائح البلاستيك المقوى بألياف الكربون (CFRP)". مجلة Wear . 450-451 203213. دار النشر Elsevier BV. doi : 10.1016/j.wear.2020.203213 . ISSN 0043-1648 . S2CID 214420968 .  
  2. ↑ جير، نوربرت؛ دافيم، ج. باولو؛ زالاي، تيبور (1 أكتوبر 2019). "أدوات وتقنيات القطع المتقدمة لحفر مركبات البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP): مراجعة" . Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 125 105552. doi : 10.1016/j.compositesa.2019.105552 . hdl : 10773/36722 .
  3. ↑ درانسفيلد، كيمبرلي؛ بايلي، كارولين؛ ماي، ييو-وينغ (1 يناير 1994). "تحسين مقاومة انفصال طبقات ألياف الكربون المقواة بالبوليمر عن طريق الخياطة - مراجعة" . علوم وتكنولوجيا المواد المركبة . 50 (3): 305-317 . doi : 10.1016/0266-3538(94)90019-1 .
  4. 1 2 كودو، ناتسوكو؛ فوجيتا، ريوهي؛ أويا، يوتاكا؛ ساكاي، تاكينوبو؛ ناغانو، هوسي؛ كوياناجي، يونيو (30 يونيو 2023). "تحديد تلف الكلال غير المرئي لراتنجات الايبوكسي المتصلدة بالحرارة عن طريق القياس الحراري غير المدمر باستخدام توليد الانتروبيا" . المواد المركبة المتقدمة . 33 (2): 233-249 . دوى : 10.1080 / 09243046.2023.2230687 . ISSN 0924-3046 . 
  5. ↑ كوبيليوفيتش، ديمتري. "مركبات البوليمر المقواة بألياف الكربون" . مؤرشف من الأصل في 14 مايو 2012.substech.com
  6. ↑ كوروم، جيه إم؛ باتيست، آر إل؛ ليو، كيه سي؛ راجلز، إم بي (فبراير 2000). "الخصائص الأساسية لمركب ألياف الكربون المتقاطع المرجعي، ORNL/TM-2000/29، Pub57518" (ملف PDF) . مختبر أوك ريدج الوطني. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 27 ديسمبر 2016.
  7. 1 2 3 كورتني، توماس (2000). السلوك الميكانيكي للمواد . الولايات المتحدة الأمريكية: دار نشر ويفلاند، ص 247-249 . ISBN  1-57766-425-6.
  8. 1 2 3 4 5 6 تشاولا، كريشان (2013). المواد المركبة . الولايات المتحدة الأمريكية: سبرينغر. ISBN 978-0-387-74364-6.
  9. 1 2 لياو، بينبين؛ وانغ، باندينغ؛ تشنغ، جينيانغ؛ كاو، شياوفي؛ لي، يينغ؛ ما، كوانجين؛ تاو، ران؛ فانغ، داينينغ (1 سبتمبر 2020). "تأثير مواقع الاصطدام المزدوجة على سلوكيات الاصطدام منخفض السرعة وآلية تداخل التلف في الصفائح المركبة" . Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 136 105964. doi : 10.1016/j.compositesa.2020.105964 . ISSN 1359-835X . 
  10. ↑ ما، بينلين؛ كاو، شياوفي؛ فنغ، يو؛ سونغ، يوجيان؛ يانغ، فاي؛ لي، يينغ؛ تشانغ، ديوي؛ وانغ، ييبنغ؛ هي، يوتينغ (15 فبراير 2024). "دراسة مقارنة لسلوك الصدمات منخفضة السرعة لصفائح مركبة من الألياف البوليمرية أحادية الاتجاه، والمنسوجة، والهجينة أحادية الاتجاه/المنسوجة" . Composites Part B: Engineering . 271 111133. doi : 10.1016/j.compositesb.2023.111133 . ISSN 1359-8368 . 
  11. ↑ أمين أكبري، ناريمان؛ كبير، محمد زمان؛ رحائي، علي رضا؛ حسينيا، أمير علي (1 يناير 2024). "التقييم التجريبي والرقمي لعوارض الخرسانة المسلحة بألياف زجاجية مقواة بالبوليمر تحت تأثير أحمال صدمية متتالية منخفضة السرعة". المجلة الدولية للهندسة المدنية . 22 (1): 145-156 . Bibcode : 2024IJCE...22..145A . doi : 10.1007/s40999-023-00883-9 . ISSN 2383-3874 . 
  12. ↑ راي، بي سي (1 يونيو 2006). "تأثير درجة الحرارة أثناء التقادم الرطب على أسطح التلامس بين الألياف الزجاجية وألياف الكربون في مركبات الإيبوكسي المقواة". مجلة علوم الغرويات والأسطح البينية . 298 (1): 111-117 . Bibcode : 2006JCIS..298..111R . doi : 10.1016/j.jcis.2005.12.023 . PMID 16386268 . 
  13. ↑ المديحيش، فيصل؛ هولفورد، كارين؛ بولين، ريس؛ إيتون، مارك (1 فبراير 2020). "تأثير امتصاص الماء على مركبات ألياف الكربون أحادية الاتجاه وثنائية الأبعاد المنسوجة وأدائها الميكانيكي" . Composites Part B: Engineering . 182 107626. doi : 10.1016/j.compositesb.2019.107626 . ISSN 1359-8368 . S2CID 212969984. مؤرشف من الأصل في 1 أكتوبر 2021. تم الاسترجاع في 1 أكتوبر 2021 .  
  14. ↑ غوزمان، إنريكي؛ كوجنوني، جويل؛ غمور، توماس (مايو 2014). "نماذج متعددة العوامل لمركب ألياف الكربون/الإيبوكسي المعرض للتقادم البيئي المتسارع" . هياكل مركبة . 111 : 179-192 . doi : 10.1016/j.compstruct.2013.12.028 .
  15. ↑ ياري، مهدي (24 مارس 2021). "التآكل الجلفاني للمعادن المتصلة بالبوليمرات المقواة بألياف الكربون" . corruptedia.com . مؤرشف من الأصل في 24 يونيو 2021. تم الاطلاع عليه في 21 يونيو 2021 .
  16. ↑ "كيف تُصنع ألياف الكربون؟ العملية من البولي أكريلونيتريل إلى القطعة النهائية" . ماسترميت . الصين. ١٢ يونيو ٢٠٢٦. تاريخ الاطلاع: ٢٠ يوليو ٢٠٢٦ .
  17. ↑ "كيف يُصنع؟" . زولتك. مؤرشف من الأصل في 19 مارس 2015. تم الاطلاع عليه في 26 مارس 2015 .
  18. ↑ سيد موبين، سيد موبين؛ أزجرباشا، شيخ (2019). "اختبار الشد على المواد المركبة (CFRP) مع مادة لاصقة" (ملف PDF) . المجلة الدولية للعلوم والهندسة الناشئة . 5 (12): 6. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 21 أغسطس 2022. تم الاسترجاع في 21 أغسطس 2022 - عبر IJESE.
  19. ↑ شركات الزجاج، الألياف المقولبة (2018)، دليل التصميم الفني لمنتجات وأجزاء الألياف الزجاجية المقواة بالبلاستيك (ملف PDF) ، المجلد 1، صفحة 25، مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 21 أغسطس 2022 ، تم استرجاعه في 21 أغسطس 2022  
  20. ↑ كريس (مجهول، 22 يناير 2020). "أساليب تصنيع المواد المركبة" . استكشف المواد المركبة! . مؤرشف من الأصل في 21 أغسطس 2022. تم الاطلاع عليه في 21 أغسطس 2022 .
  21. ↑ "أخذ زمام المبادرة: عرض تقديمي عن طائرة A350XWB" (ملف PDF) . شركة إيرباص للدفاع والفضاء. ديسمبر 2006. مؤرشف من الأصل في 27 مارس 2009.
  22. ↑ "إيرو - بوينغ 787 من الألف إلى الياء" . بوينغ. 2006. مؤرشف من الأصل في 21 فبراير 2015. تم الاطلاع عليه في 7 فبراير 2015 .
  23. ↑ بورا، جيروم (2001). "المواد المركبة في طائرة إيرباص A380 - من التاريخ إلى المستقبل" (ملف PDF) . إيرباص. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل في 6 فبراير 2015. تم الاطلاع عليه في 7 فبراير 2015 .
  24. ^ ماتشادو، ميغيل أ. أنتين، كيم نيكلاس؛ روزادو، لويس س.؛ فيلاسا، بيدرو؛ سانتوس ، تيلمو جي. (نوفمبر 2021). "الفحص عالي السرعة لعيوب التصفيح في مادة CFRP أحادية الاتجاه عن طريق اختبار التيار الدوامي غير المتصل" . المركبات الجزء ب : الهندسة . 224 109167. دوى : 10.1016/j.compositesb.2021.109167 .
  25. ^ ماتشادو، ميغيل أ. أنتين، كيم نيكلاس؛ روزادو، لويس س.؛ فيلاسا، بيدرو؛ سانتوس ، تيلمو جي. (يوليو 2019). "فحص التيار الدوامي عالي السرعة بدون تلامس للبوليمر المقوى بألياف الكربون أحادي الاتجاه" . المركبات الجزء ب : الهندسة . 168 : 226-235 . دوى : 10.1016/j.compositesb.2018.12.021 .
  26. ↑ أنتين، كيم-نيكلاس؛ ماتشادو، ميغيل أ.؛ سانتوس، تيلمو ج.؛ فيلاسا، بيدرو (مارس 2019). "تقييم طرق الاختبار غير المدمرة المختلفة للكشف عن العيوب في حبال ألياف الكربون المركبة أحادية الاتجاه" . مجلة التقييم غير المدمر . 38 (1) 23. doi : 10.1007/s10921-019-0564-y . ISSN 0195-9298 . 
  27. ↑ غوزمان، إنريكي؛ غمور، توماس (محرران) (2014). طريقة جديدة لمراقبة السلامة الهيكلية لهياكل CFRP كاملة الحجم (ملف PDF) (أطروحة). أطروحة دكتوراه من جامعة EPFL. doi : 10.5075/epfl-thesis-6422 . مؤرشفة (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 25 يونيو 2016.
  28. ↑ "المحركات" . مجلة فلايت إنترناشونال . 26 سبتمبر 1968. مؤرشف من الأصل في 14 أغسطس 2014.
  29. ↑ زوندي، ديفيد (28 مارس 2025). "إيرباص تستعرض طائرة ركاب من الجيل التالي بأجنحة مستوحاة من الطيور" . نيو أطلس . تم الاطلاع عليه في 7 أبريل 2025 .
  30. ↑ "سلسلة ريد بُل "كيف تصنع سيارة فورمولا 1" تشرح استخدام ألياف الكربون: فيديو" . موقع موتور أثورتي . 25 سبتمبر 2013. مؤرشف من الأصل في 29 سبتمبر 2013. تم الاطلاع عليه في 11 أكتوبر 2013 .
  31. ↑ هنري، آلان (1999). ماكلارين: فريق سباقات الفورمولا 1. هاينز. ISBN 1-85960-425-0.
  32. ↑ هوارد، بيل (30 يوليو 2013). "بي إم دبليو i3: سيارات ألياف الكربون الرخيصة والمنتجة بكميات كبيرة تصل أخيرًا إلى مرحلة النضج" . إكستريم تك . مؤرشف من الأصل في 31 يوليو 2015. تم الاسترجاع في 31 يوليو 2015 .
  33. ↑ بيتراني، ماتي (17 مارس 2014). "ميشلان صنعت عجلات من ألياف الكربون لسيتروين عام 1971" . جالوبنيك . مؤرشف من الأصل في 18 مايو 2015. تم الاطلاع عليه في 31 يوليو 2015 .
  34. ↑ L:aChance، ديفيد (أبريل 2007). "إعادة ابتكار العجلة: دع الأمر لشركة سيتروين لطرح أول عجلات راتنجية في العالم في السوق" . هيمينغز . مؤرشف من الأصل في 6 سبتمبر 2015. تم الاطلاع عليه في 14 أكتوبر 2015 .
  35. ↑ إسماعيل، ن. "تقوية الجسور باستخدام مركبات CFRP." najif.net.
  36. ↑ رحمن، س. (نوفمبر 2008). "لا داعي للقلق بشأن أعطال أنابيب الخرسانة مسبقة الإجهاد الأسطوانية" . مجلة أوبفلو . 34 (11): 10-15 . Bibcode : 2008Opflo..34k..10R . doi : 10.1002/j.1551-8701.2008.tb02004.x . S2CID 134189821. مؤرشف من الأصل في 2 أبريل 2015 . 
  37. ↑ بايك، كارولين م.؛ غرابنر، تشاد ب.؛ هاركينز، إيمي ب. (4 مايو 2009). "تصنيع أقطاب أمبيرومترية" . مجلة التجارب المصورة ( 27). doi : 10.3791/1040 . PMC 2762914. PMID 19415069 .  
  38. ↑ «المجلس الدولي للكريكيت وشركة كوكابورا يتفقان على سحب مضرب الكربون» . نت كومبوزيتس. ١٩ فبراير ٢٠٠٦. مؤرشف من الأصل في ٢٨ سبتمبر ٢٠١٨. تم الاطلاع عليه في ١ أكتوبر ٢٠١٨ .
  39. ↑ "تقنية الكربون" . مجلة لوك سايكل. مؤرشف من الأصل بتاريخ 30 نوفمبر 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 30 نوفمبر 2016 .
  40. ↑ "مخاطر التقدم" . مجلة الدراجات . 16 يناير 2012. مؤرشف من الأصل في 23 يناير 2013. تم الاطلاع عليه في 16 فبراير 2013 .
  41. ↑ "الكربون المحطم" . مؤرشف من الأصل في 30 نوفمبر 2016. تم الاطلاع عليه في 30 نوفمبر 2016 .
  42. ↑ تشاو، ز.؛ غو، ج. (2009). "تحسين مقاومة الحريق للمركبات المتصلبة حرارياً المعدلة بألياف الكربون النانوية" . مجلة العلوم والتكنولوجيا للمواد المتقدمة ، 10 (1) 015005. Bibcode : 2009STAdM..10a5005Z . doi : 10.1088/1468-6996/10/1/015005 . PMC 5109595. PMID 27877268 .  
  43. ↑ "اختبار عربات بلاستيكية مُقوّاة بألياف الكربون" . جريدة السكك الحديدية . 7 أغسطس 2016. مؤرشف من الأصل في 8 أغسطس 2016. تم الاطلاع عليه في 9 أغسطس 2016 .
  44. ↑ لوموف، ستيبان ف.؛ غورباتيخ، لاريسا؛ كوتانياك، زيليكو؛ كويسين، فيتالي؛ هول، ماثيو؛ روشيز، أوليفييه؛ كاراخان، محمد؛ ميزو، لوكا؛ فيربوست، إغناس (فبراير 2011). "انضغاطية الأقمشة المنسوجة من الكربون مع أنابيب/ألياف نانوية كربونية نامية على الألياف" (ملف PDF) . علوم وتكنولوجيا المواد المركبة . 71 (3): 315-325 . Bibcode : 2011ComST..71..315L . doi : 10.1016/j.compscitech.2010.11.024 .
  45. ↑ هانز، كرايس (2 يوليو 2014). "أقمشة منسوجة من الكربون" . compositesplaza.com . مؤرشف من الأصل في 2 يوليو 2018. تم الاطلاع عليه في 2 يناير 2018 .
  46. ↑ علي نهران، شاكيلا؛ سحر الدين، محمد شاهنيل؛ محمد جاني، جاروني؛ وان محمد، وان منصور (2022). "تدهور الخواص الميكانيكية الناتج عن المعالجة الكيميائية بالأسيتون على مركبات ألياف الكربون-PLA المطبوعة ثلاثية الأبعاد" . في: إسماعيل، عثمان؛ دحلان، وردية محمد؛ أوشنر، أندرياس (محررون). التصميم في الهندسة البحرية . مواد هيكلية متقدمة. المجلد 167. تشام: دار نشر سبرينغر الدولية. الصفحات 209-216 . doi : 10.1007/978-3-030-89988-2_16 . ISBN   978-3-030-89988-2. S2CID 246894534 . 
  47. ↑ "خيوط بولي أميد CF - الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام طابعات EVO-tech ثلاثية الأبعاد " (بالألمانية). النمسا: EVO-tech. مؤرشف من الأصل في 30 أبريل 2019. تم الاطلاع عليه في 4 يونيو 2019 .
  48. ↑ شينر، ج.؛ براندت، ج.؛ ريختر، هـ. (1 يوليو 1996). "إعادة تدوير مركبات اللدائن الحرارية المقواة بألياف الكربون" . مجلة مواد اللدائن الحرارية المركبة . 9 (3): 239-245 . doi : 10.1177/089270579600900302 . ISSN 0892-7057 . 
  49. ↑ رو، ماكسيم؛ إيغيمان، نيكولا؛ درانسفيلد، كليمنس؛ ثيبو، فريدريك؛ بيرو، دومينيك (1 مارس 2017). "إعادة تدوير البوليمر المقوى بألياف الكربون الحرارية باستخدام التفتيت الكهروضوئي: من المهد إلى المهد" . مجلة المواد المركبة الحرارية . 30 (3): 381-403 . doi : 10.1177/0892705715599431 . ISSN 0892-7057 . 
  50. ↑ بيرناتاس، ريبيكا؛ داغريو، سيلفي؛ ديسباكس-فيريريس، أوريان؛ باراسينسكي، أناييس (2021). "إعادة تدوير المواد المركبة المدعمة بالألياف مع التركيز على المواد المركبة الحرارية البلاستيكية" . هندسة وتكنولوجيا أنظف . 5 100272. Bibcode : 2021CEngT...500272B . doi : 10.1016/j.clet.2021.100272 .
  51. ↑ نقفي، إس آر؛ برابهاكارا، إتش. ميسور؛ برامر، إي إيه؛ ديركس، دبليو؛ أكرمان، آر؛ بريم، جي. (1 سبتمبر 2018). "مراجعة نقدية لإعادة تدوير نفايات مركبات ألياف الكربون/الألياف الزجاجية المقواة في نهاية عمرها الافتراضي باستخدام التحلل الحراري نحو اقتصاد دائري" . الموارد، الحفظ وإعادة التدوير . 136 : 118-129 . Bibcode : 2018RCR...136..118N . doi : 10.1016/j.resconrec.2018.04.013 . ISSN 0921-3449 . 
  52. ↑ تشانغ، جين؛ تشيفالي، فينكاتا س.؛ وانغ، هاو؛ وانغ، تشون هوي (15 يوليو 2020). "الوضع الحالي لإعادة تدوير ألياف الكربون ومركبات ألياف الكربون" . Composites Part B: Engineering . 193 108053. doi : 10.1016/j.compositesb.2020.108053 . ISSN 1359-8368 . 
  53. ↑ كوزينز، ديلان س.؛ سوزوكي، ياسوهيتو؛ موراي، روبين إي.؛ سامانيوك، جوزيف ر.؛ ستبنر، آرون ب. (1 فبراير 2019). "إعادة تدوير مركبات الألياف الزجاجية الحرارية البلاستيكية من شفرات توربينات الرياح" . مجلة الإنتاج الأنظف . 209 : 1252-1263 . Bibcode : 2019JCPro.209.1252C . doi : 10.1016/j.jclepro.2018.10.286 . ISSN 0959-6526 . OSTI 1485554 .  
  54. ↑ بيرناتاس، ريبيكا؛ داغرو، سيلفي؛ ديسباكس-فيريريس، أوريان؛ باراسينسكي، أناييس (1 ديسمبر 2021). "إعادة تدوير المواد المركبة المدعمة بالألياف مع التركيز على المواد المركبة الحرارية البلاستيكية" . هندسة وتكنولوجيا أنظف . 5 100272. Bibcode : 2021CEngT...500272B . doi : 10.1016/j.clet.2021.100272 . ISSN 2666-7908 . 
  55. ↑ "شركة زيفكس للمواد عالية الأداء تُطلق مجموعة من المواد اللاصقة المُعززة بتقنية النانو لزيادة القوة وخفض التكاليف" (ملف PDF) (بيان صحفي). شركة زيفكس للمواد عالية الأداء. 9 أكتوبر 2009. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 16 أكتوبر 2012. تم الاطلاع عليه بتاريخ 26 مارس 2015 .
  56. ↑ تريمبل، ستيفن (26 مايو 2011). "شركة لوكهيد مارتن تكشف عن امتلاك طائرتها إف-35 هياكل نانوية مركبة" . مجلة فلايت إنترناشونال . مؤرشف من الأصل في 30 مايو 2011. تم الاطلاع عليه في 26 مارس 2015 .
  57. ↑ بوزيغيك، تي آر؛ جاياواردانا، كيه دي جي آي؛ تشين، جيه إس؛ أنغويتا، جيه في؛ بالوتشي، بي؛ ستولوجان، في؛ سيلفا، إس آر بي؛ هامرتون، آي. (1 نوفمبر 2016). "تطوير مركبات نانوية متعددة الوظائف من ألياف الكربون خالية من مواد التحجيم" . Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 90 : 306–319 . doi : 10.1016/j.compositesa.2016.07.012 . hdl : 1983/9e3d463c-20a8-4826-89f6-759e950f43e6 . ISSN 1359-835X . S2CID 137846813. مؤرشف من الأصل في 1 أكتوبر 2021 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 1 أكتوبر 2021 .  
  58. ↑ "ورقة بيانات سلامة المواد لمادة AROVEX™ المُعززة بألياف الكربون المُدعمة براتنج الإيبوكسي النانوي" (ملف PDF) . شركة Zyvex للمواد عالية الأداء. 8 أبريل 2009. مؤرشفة من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 16 أكتوبر 2012. تم الاطلاع عليها بتاريخ 26 مارس 2015 .