البلاستيك المقوى بالألياف
البلاستيك المقوى بالألياف ( FRP ؛ ويُسمى أيضًا البوليمر المقوى بالألياف ، أو الألياف في الإنجليزية الأمريكية ) هو مادة مركبة تتكون من مصفوفة بوليمرية مُدعمة بألياف . عادةً ما تكون هذه الألياف من الزجاج (كما في الألياف الزجاجية )، أو الكربون (كما في البوليمر المقوى بألياف الكربون )، أو الأراميد ، أو البازلت . ونادرًا ما تُستخدم ألياف أخرى مثل الورق، أو الخشب، أو البورون، أو الأسبستوس . أما البوليمر، فعادةً ما يكون من أنواع البلاستيك الحراري المتصلد مثل الإيبوكسي ، أو فينيل إستر ، أو البوليستر ، مع أن راتنجات فينول فورمالدهيد لا تزال تُستخدم.
تُستخدم المواد المقواة بالألياف الزجاجية على نطاق واسع في صناعات الطيران والفضاء، والسيارات، والبحرية، والبناء. وتوجد عادةً في الدروع الباليستية والأسطوانات الخاصة بأجهزة التنفس الذاتية .
تاريخ
كان الباكليت أول بلاستيك مُقوّى بالألياف. سعى ليو بايكلاند في الأصل إلى إيجاد بديل للشيلاك (المصنوع من إفرازات حشرات اللك ). بدأ الكيميائيون يدركون أن العديد من الراتنجات والألياف الطبيعية هي بوليمرات، فبحث بايكلاند في تفاعلات الفينول والفورمالديهايد. أنتج أولًا شيلاكًا قابلًا للذوبان من الفينول والفورمالديهايد يُسمى "نوفولاك"، لكنه لم يحقق نجاحًا تجاريًا، ثم اتجه إلى تطوير مادة رابطة للأسبستوس الذي كان يُصنع آنذاك بالمطاط. من خلال التحكم في الضغط ودرجة الحرارة المُطبقة على الفينول والفورمالديهايد ، اكتشف في عام 1905 أنه يستطيع إنتاج ما كان يحلم به من مادة صلبة قابلة للتشكيل (أول بلاستيك صناعي في العالم ): الباكليت. [ 1 ] [ 2 ] أعلن عن اختراعه في اجتماع للجمعية الكيميائية الأمريكية في 5 فبراير 1909. [ 3 ]
كان تطوير البلاستيك المقوى بالألياف للاستخدام التجاري موضوعاً لبحوث مكثفة في ثلاثينيات القرن العشرين. وفي المملكة المتحدة ، أجرى رواد مثل نورمان دي بروين بحوثاً كبيرة في هذا المجال. وكان هذا الموضوع ذا أهمية خاصة لقطاع الطيران. [ 4 ]
اكتُشف الإنتاج الضخم لخيوط الزجاج عام 1932، عندما وجّه جيمس سلايتر ، الباحث في شركة أوينز-إلينوي، بالصدفة تيارًا من الهواء المضغوط نحو تيار من الزجاج المنصهر، مما أنتج أليافًا. وقُدِّم طلب براءة اختراع لهذه الطريقة في إنتاج الصوف الزجاجي لأول مرة عام 1933. [ 5 ] وانضمت أوينز إلى شركة كورنينج عام 1935، وقامت أوينز كورنينج بتكييف الطريقة لإنتاج منتجها الحاصل على براءة اختراع "الألياف الزجاجية" (بحرف "s" واحد) عام 1936. في الأصل، كانت الألياف الزجاجية عبارة عن صوف زجاجي ذي ألياف تحبس كمية كبيرة من الغاز، مما يجعلها مفيدة كعازل، خاصة في درجات الحرارة العالية.
في عام 1936، طوّرت شركة دوبونت راتنجًا مناسبًا لدمج الألياف الزجاجية مع البلاستيك لإنتاج مادة مركبة. ويُعدّ راتنج سياناميد ، الذي طُوّر عام 1942 ، السلف الأول لراتنجات البوليستر الحديثة. وكانت أنظمة المعالجة بالبيروكسيد مستخدمة آنذاك. [ 6 ] مع دمج الألياف الزجاجية والراتنج، استُبدل محتوى الغاز في المادة بالبلاستيك. أدى ذلك إلى انخفاض خصائص العزل إلى قيم نموذجية للبلاستيك، ولكن لأول مرة، أظهرت المادة المركبة قوة كبيرة وإمكانات واعدة كمادة إنشائية. ومن المثير للارتباك، أن العديد من المواد المركبة المصنوعة من الألياف الزجاجية استمرت تُسمى " الألياف الزجاجية " (كاسم عام)، كما استُخدم هذا الاسم أيضًا لمنتج الصوف الزجاجي منخفض الكثافة الذي يحتوي على غاز بدلًا من البلاستيك.
يُنسب إلى راي غرين من شركة أوينز كورنينج الفضل في إنتاج أول قارب مركب عام 1937، لكنه لم يتابع العمل عليه آنذاك بسبب هشاشة البلاستيك المستخدم. وفي عام 1939، أفادت التقارير أن روسيا صنعت قارب ركاب من مواد بلاستيكية، بينما صنعت الولايات المتحدة هيكل وأجنحة طائرة. [ 7 ] وكانت سيارة ستاوت سكاراب ، التي طُورت عام 1946، أول سيارة بهيكل من الألياف الزجاجية ، ولم يُصنع منها سوى نموذج واحد. [ 8 ] وربما كان نموذج فورد الأولي لعام 1941 أول سيارة بلاستيكية، لكن ثمة شكوكًا حول المواد المستخدمة فيه، إذ دُمر بعد ذلك بفترة وجيزة. [ 9 ] [ 10 ]
كانت أول طائرة مصنوعة من البلاستيك المقوى بالألياف إما طائرة فيرتشايلد إف-46 ، التي حلقت لأول مرة في 12 مايو 1937، أو طائرة بينيت البلاستيكية المصنعة في كاليفورنيا. [ 11 ] استُخدم هيكل من الألياف الزجاجية في طائرة فولتي بي تي-13 إيه المعدلة ، والتي سُميت إكس بي تي-16، والمتمركزة في قاعدة رايت الجوية في أواخر عام 1942. [ 12 ] في عام 1943، أُجريت تجارب إضافية لبناء أجزاء هيكلية للطائرات من مواد مركبة، مما أسفر عن أول طائرة، وهي فولتي بي تي-15 ، ذات هيكل من البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية، والتي سُميت إكس بي تي-19، وحلقت في عام 1944. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] حققت شركة ريبابليك للطيران تطورًا هامًا في أدوات تصنيع مكونات البلاستيك المقوى بالألياف الزجاجية في عام 1943. [ 16 ]
بدأ إنتاج ألياف الكربون في أواخر الخمسينيات من القرن الماضي، واستُخدمت، وإن لم يكن على نطاق واسع في الصناعة البريطانية، حتى أوائل الستينيات. وفي نفس الفترة تقريبًا، بدأ إنتاج ألياف الأراميد، التي ظهرت لأول مرة تحت الاسم التجاري نومكس من شركة دوبونت . واليوم، تُستخدم كل من هذه الألياف على نطاق واسع في الصناعة لأي تطبيقات تتطلب مواد بلاستيكية ذات قوة أو مرونة محددة . وتُعد الألياف الزجاجية الأكثر شيوعًا في جميع الصناعات، على الرغم من أن مركبات ألياف الكربون ومركبات ألياف الكربون والأراميد تُستخدم بكثرة في تطبيقات الفضاء والطيران والسيارات والسلع الرياضية. [ 17 ] ولا تزال هذه الأنواع الثلاثة ( الزجاج والكربون والأراميد ) تُشكل الفئات المهمة من الألياف المستخدمة في البلاستيك المقوى بالألياف.
بدأ الإنتاج العالمي للبوليمرات على نطاقه الحالي في منتصف القرن العشرين، عندما تضافرت عوامل انخفاض تكاليف المواد والإنتاج، وظهور تقنيات إنتاج جديدة، وفئات منتجات جديدة، مما جعل إنتاج البوليمرات اقتصاديًا. وبلغت هذه الصناعة ذروتها في أواخر سبعينيات القرن الماضي، عندما تجاوز إنتاج البوليمرات العالمي إنتاج الصلب ، مما جعل البوليمرات المادة واسعة الانتشار التي نعرفها اليوم. وقد شكلت المواد البلاستيكية المقواة بالألياف جانبًا مهمًا من هذه الصناعة منذ بدايتها.
تعريف العملية
يُصنع البوليمر عمومًا عن طريق بلمرة النمو التدريجي أو بلمرة الإضافة . وعندما يُدمج بوليمر واحد أو أكثر مع عوامل مختلفة لتحسين خصائصه المادية أو تغييرها بأي شكل من الأشكال، يُطلق على الناتج اسم البلاستيك . أما البلاستيك المركب، فهو نوع من البلاستيك ينتج عن ربط مادتين متجانستين أو أكثر ذات خصائص مادية مختلفة، للحصول على منتج نهائي بخصائص مادية وميكانيكية محددة مرغوبة. ويُعد البلاستيك المقوى بالألياف فئة من البلاستيك المركب، حيث يستخدم مواد الألياف تحديدًا لتعزيز قوة ومرونة البلاستيك ميكانيكيًا.
تُعرف المادة البلاستيكية الأصلية غير المدعمة بالألياف باسم المادة الأساسية أو المادة الرابطة . المادة الأساسية عبارة عن بلاستيك متين ولكنه ضعيف نسبيًا، ويتم تدعيمه بخيوط أو ألياف تقوية أقوى وأكثر صلابة. يعتمد مدى تحسين القوة والمرونة في البلاستيك المقوى بالألياف على الخصائص الميكانيكية لكل من الألياف والمادة الأساسية، وحجمهما النسبي، وطول الألياف واتجاهها داخل المادة الأساسية. [ 18 ] يحدث تدعيم المادة الأساسية، بحسب التعريف، عندما تُظهر مادة البوليمر المقوى بالألياف قوة أو مرونة متزايدة مقارنةً بقوة ومرونة المادة الأساسية وحدها. [ 17 ]
وصف العملية
تتضمن عملية تصنيع المواد الليفية المقواة بالبوليمر عمليتين متميزتين، الأولى هي عملية تصنيع وتشكيل المادة الليفية، والثانية هي عملية ربط المواد الليفية بالمصفوفة أثناء عملية التشكيل. [ 17 ]
الفيبر
صناعة الأقمشة الليفية
يتم تصنيع الألياف المقوية في كل من الاتجاهات ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد:
- يتميز البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية ثنائي الأبعاد ببنية صفائحية، حيث تتراصف الألياف فقط على طول مستوى المادة في الاتجاهين السيني والصادي . هذا يعني عدم وجود تراصف للألياف في الاتجاهين العمودي والعمودي ، مما قد يؤدي إلى ارتفاع التكلفة وزيادة تكاليف التصنيع. وتزداد التكاليف والعمالة لأن تقنيات التصنيع التقليدية المستخدمة في إنتاج المواد المركبة، مثل التشكيل اليدوي الرطب، والمعالجة في الأوتوكلاف، والقولبة بنقل الراتنج، تتطلب عددًا كبيرًا من العمالة الماهرة للقطع والتكديس والدمج في مكون مُشكّل مسبقًا.
- تُعدّ مركبات البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية ثلاثية الأبعاد مواد ذات هياكل ليفية ثلاثية الأبعاد، حيث تتداخل الألياف في الاتجاهات السينية والصادية والعينية . وقد نشأ تطوير هذه الهياكل ثلاثية الأبعاد من حاجة الصناعة إلى خفض تكاليف التصنيع، وزيادة الخواص الميكانيكية عبر السماكة، وتحسين مقاومة أضرار الصدمات؛ وهي جميعها مشاكل كانت مرتبطة بمركبات البوليمر المقوى بالألياف ثنائية الأبعاد.
تصنيع الألياف الأولية
تُعرف الأشكال الأولية للألياف بأنها طريقة تصنيع الألياف قبل ربطها بالنسيج الأساسي. تُصنع هذه الأشكال عادةً على شكل صفائح أو حصائر متصلة أو خيوط متصلة لتطبيقات الرش. وتتمثل الطرق الرئيسية الأربع لتصنيعها في تقنيات معالجة المنسوجات، وهي: النسيج ، والحياكة ، والضفيرة ، والخياطة .
- يمكن نسج الألياف بطريقة تقليدية لإنتاج ألياف ثنائية الأبعاد، كما يمكن نسجها بطريقة متعددة الطبقات لإنتاج ألياف ثلاثية الأبعاد. إلا أن النسيج متعدد الطبقات يتطلب استخدام عدة طبقات من خيوط السدى لتكوين الألياف في الاتجاه z، مما يُسبب بعض العيوب في التصنيع، أبرزها الوقت اللازم لتجهيز جميع خيوط السدى على النول . لذلك، يُستخدم النسيج متعدد الطبقات حاليًا في الغالب لإنتاج منتجات ذات عرض ضيق نسبيًا، أو منتجات عالية القيمة حيث تكون تكلفة إنتاج القوالب الأولية مقبولة. ومن المشاكل الرئيسية الأخرى التي تواجه استخدام الأقمشة المنسوجة متعددة الطبقات صعوبة إنتاج نسيج يحتوي على ألياف موجهة بزوايا غير قائمة.
- الطريقة الرئيسية الثانية لتصنيع الألياف الأولية هي التضفير. يُناسب التضفير تصنيع الأقمشة المسطحة أو الأنبوبية الضيقة، ولكنه أقل كفاءة من النسيج في إنتاج كميات كبيرة من الأقمشة العريضة. يتم التضفير فوق أسطوانات تختلف في شكلها أو أبعادها على طولها. يقتصر التضفير على الأجسام بحجم الطوب تقريبًا. على عكس النسيج التقليدي، يُمكن للتضفير إنتاج أقمشة تحتوي على ألياف بزوايا 45 درجة. يُمكن تضفير الألياف ثلاثية الأبعاد باستخدام التضفير رباعي الخطوات، أو ثنائي الخطوات، أو التضفير متعدد الطبقات المتشابك. يستخدم التضفير رباعي الخطوات، أو التضفير الصفّي والعمودي، سطحًا مسطحًا يحتوي على صفوف وأعمدة من حوامل الخيوط التي تُشكّل شكل الألياف الأولية المطلوبة. تُضاف حوامل إضافية إلى الجزء الخارجي من المصفوفة، ويعتمد موقعها وعددها الدقيق على شكل الألياف الأولية وبنيتها المطلوبة. هناك أربع سلاسل منفصلة من حركة الصفوف والأعمدة، تعمل على تشابك الخيوط وإنتاج الألياف الأولية المضفرة. تُدفع الخيوط ميكانيكيًا داخل البنية بين كل خطوة لتقويتها، كما هو الحال في النسيج باستخدام المشط. يختلف التضفير ثنائي الخطوات عن التضفير رباعي الخطوات، إذ يتضمن الأخير عددًا كبيرًا من الخيوط المثبتة محوريًا وعددًا أقل من خيوط التضفير. تتكون العملية من خطوتين تتحرك فيهما حوامل التضفير بالكامل عبر البنية بين الحوامل المحورية. هذا التسلسل البسيط نسبيًا من الحركات قادر على تشكيل أشكال أولية بأي شكل تقريبًا، بما في ذلك الأشكال الدائرية والمجوفة. على عكس التضفير رباعي الخطوات، لا يتطلب التضفير ثنائي الخطوات ضغطًا ميكانيكيًا، إذ تسمح الحركات بشد الضفيرة بإحكام عن طريق شد الخيوط فقط. أما النوع الأخير من التضفير فهو التضفير المتشابك متعدد الطبقات، ويتكون من عدد من أدوات التضفير الدائرية القياسية المتصلة لتشكيل إطار تضفير أسطواني. يحتوي هذا الإطار على عدد من مسارات التضفير المتوازية حول محيط الأسطوانة، لكن الآلية تسمح بنقل حوامل الخيوط بين المسارات المتجاورة لتشكيل نسيج مضفر متعدد الطبقات تتشابك خيوطه مع الطبقات المجاورة. يختلف النسيج المضفر المتشابك متعدد الطبقات عن كلٍ من النسيج المضفر ذي الأربع خطوات والنسيج المضفر ذي الخطوتين في أن الخيوط المتشابكة تقع بشكل أساسي في مستوى الهيكل، وبالتالي لا تُقلل بشكل ملحوظ من خصائص النسيج الأولي في المستوى. تُنتج عمليات النسيج المضفر ذي الأربع خطوات والنسيج المضفر ذي الخطوتين درجة أكبر من التشابك أثناء مرور خيوط التضفير عبر سُمك النسيج الأولي، ولكنها تُساهم بالتالي بشكل أقل في أداء النسيج الأولي في المستوى. من عيوب معدات النسيج المضفر المتشابك متعدد الطبقات أنه نظرًا للحركة الجيبية التقليدية لحوامل الخيوط لتشكيل النسيج الأولي، فإن هذه المعدات لا تستطيع توفير كثافة حوامل الخيوط التي تُتيحها آلات النسيج المضفر ذي الخطوتين والأربع خطوات.
- يمكن حياكة الألياف الأولية باستخدام الطرق التقليدية للحياكة السداة واللحمة، وغالبًا ما يُنظر إلى النسيج الناتج على أنه نسيج ثنائي الأبعاد، إلا أن الآلات المزودة بسريرين أو أكثر من الإبر قادرة على إنتاج أقمشة متعددة الطبقات بخيوط تتداخل بين الطبقات. وقد ساهم التطور في أنظمة التحكم الإلكترونية لاختيار الإبر ونقل حلقات الحياكة، وفي الآليات المتطورة التي تسمح بتثبيت مناطق محددة من النسيج والتحكم في حركتها، في تشكيل النسيج إلى الشكل الأولي ثلاثي الأبعاد المطلوب بأقل قدر من هدر المواد.
- تُعدّ الخياطة، بلا شك، أبسط تقنيات تصنيع المنسوجات الأربع الرئيسية، ويمكن تنفيذها بأقل استثمار في الآلات المتخصصة. وتتلخص الخياطة في إدخال إبرة تحمل خيط الخياطة عبر طبقات من القماش لتشكيل بنية ثلاثية الأبعاد. ومن مزايا الخياطة إمكانية خياطة كل من الأقمشة الجافة والأقمشة المشبعة مسبقًا، على الرغم من أن لزوجة الأقمشة المشبعة مسبقًا تجعل العملية صعبة، وعادةً ما تُسبب تلفًا أكبر في مادة الأقمشة المشبعة مسبقًا مقارنةً بالأقمشة الجافة. كما تستخدم الخياطة الأقمشة ثنائية الأبعاد القياسية الشائعة الاستخدام في صناعة المواد المركبة، مما يُسهّل التعامل مع أنظمة المواد. ويتيح استخدام الأقمشة القياسية أيضًا مرونة أكبر في ترتيب طبقات القماش للمكون مقارنةً بعمليات النسيج الأخرى، التي تفرض قيودًا على اتجاهات الألياف التي يمكن إنتاجها. [ 19 ]
عمليات التشكيل
تُستخدم عادةً بنية صلبة لتحديد شكل مكونات البلاستيك المقوى بالألياف. يمكن وضع الأجزاء على سطح مستوٍ يُسمى "لوحة التشكيل" أو على بنية أسطوانية تُسمى "المندريل". مع ذلك، تُصنع معظم أجزاء البلاستيك المقوى بالألياف باستخدام قالب أو "أداة". قد تكون القوالب مقعرة (أنثوية)، أو مقعرة (ذكرية)، أو قد يُحيط القالب بالجزء تمامًا بقالب علوي وسفلي.
تبدأ عملية تشكيل البلاستيك المقوى بالألياف (FRP) بوضع الألياف الأولية على القالب أو داخله. يمكن أن تكون الألياف الأولية جافة، أو أليافًا تحتوي مسبقًا على كمية محددة من الراتنج تُسمى "بريبريج". تُبلل الألياف الجافة بالراتنج إما يدويًا أو عن طريق حقن الراتنج في قالب مغلق. ثم تُعالج القطعة، تاركةً المادة الأساسية والألياف بالشكل الذي شكله القالب. يُستخدم أحيانًا الحرارة و/أو الضغط لمعالجة الراتنج وتحسين جودة القطعة النهائية.
الطرق المختلفة للتشكيل مذكورة أدناه.
قالب المثانة
تُوضع صفائح فردية من مادة ما قبل التشريب في قالب على شكل أنثى مع كيس هوائي يشبه البالون. يُغلق القالب ويُوضع في مكبس ساخن. وأخيرًا، يُضغط الكيس الهوائي، مما يدفع طبقات المادة باتجاه جدران القالب.
التشكيل بالضغط
عندما تحتوي المادة الخام (كتلة بلاستيكية، أو كتلة مطاطية، أو صفيحة بلاستيكية، أو حبيبات) على ألياف تقوية، يُصنف الجزء المُشكّل بالضغط على أنه بلاستيك مُقوّى بالألياف. في الغالب، لا تحتوي القوالب البلاستيكية الأولية المستخدمة في التشكيل بالضغط على ألياف تقوية. في عملية التشكيل بالضغط، تُوضع "القوالب الأولية" أو "الشحنة" من مادة SMC أو BMC في تجويف القالب. يُغلق القالب، ويتم تشكيل المادة ومعالجتها داخليًا بالضغط والحرارة. يوفر التشكيل بالضغط تفاصيل دقيقة للغاية للأشكال الهندسية، بدءًا من النقوش والتفاصيل البارزة وصولًا إلى المنحنيات المعقدة والأشكال الإبداعية، وانتهاءً بالهندسة الدقيقة ، كل ذلك في غضون 20 دقيقة كحد أقصى للمعالجة. [ 20 ]
جهاز التعقيم بالبخار وكيس التفريغ
تُرصّ صفائح فردية من مادة ما قبل التشريب وتوضع في قالب مفتوح. تُغطى المادة بغشاء فاصل، ومادة تهوية، وكيس تفريغ . يُسحب الهواء من القطعة، ثم يُوضع القالب بأكمله في جهاز تعقيم ( وعاء ضغط ساخن ). تُعالج القطعة تحت تفريغ مستمر لاستخراج الغازات المحتبسة من الرقائق. تُعد هذه العملية شائعة جدًا في صناعة الطيران والفضاء لأنها تتيح تحكمًا دقيقًا في عملية التشكيل نظرًا لدورة المعالجة الطويلة والبطيئة التي تتراوح مدتها من ساعة إلى عدة ساعات. [ 21 ] يُنتج هذا التحكم الدقيق الأشكال الهندسية الدقيقة للرقائق اللازمة لضمان المتانة والسلامة في صناعة الطيران والفضاء، ولكنه أيضًا بطيء ويتطلب عمالة كثيفة، مما يعني أن التكاليف غالبًا ما تحصر استخدامه في صناعة الطيران والفضاء. [ 20 ]
لف المندريل
تُلفّ صفائح من مادة ما قبل التشريب حول قالب فولاذي أو ألومنيوم. تُضغط مادة ما قبل التشريب بشريط لاصق من النايلون أو البولي بروبيلين. تُعالج الأجزاء عادةً على دفعات عن طريق التغليف الفراغي والتعليق في فرن. بعد المعالجة، يُزال الشريط اللاصق والقالب، تاركين أنبوبًا كربونيًا مجوفًا. تُنتج هذه العملية أنابيب كربونية مجوفة قوية ومتينة.
التسديدة الرطبة
تجمع عملية التشكيل بالطبقات الرطبة بين تقوية الألياف والمادة الأساسية أثناء وضعهما على أداة التشكيل. [ 17 ] توضع طبقات الألياف المقوية في قالب مفتوح، ثم تُشبع براتنج رطب عن طريق سكبه فوق النسيج وفركه فيه. يُترك القالب بعد ذلك حتى يتصلب الراتنج، عادةً في درجة حرارة الغرفة، مع أنه يُستخدم التسخين أحيانًا لضمان التصلب التام. في بعض الأحيان، تُستخدم أكياس التفريغ لضغط الطبقات الرطبة. تُعد الألياف الزجاجية الأكثر شيوعًا في هذه العملية، وتُعرف النتائج باسم الألياف الزجاجية ، وتُستخدم في صناعة منتجات شائعة مثل الزلاجات والزوارق وقوارب الكاياك وألواح ركوب الأمواج. [ 20 ]
مروحية
تُدفع خيوط متواصلة من الألياف الزجاجية عبر مسدس يدوي يقوم بتقطيعها ودمجها مع راتنج مُحفز مثل البوليستر. يُرش الزجاج المقطع المشبع على سطح القالب بالسماكة والتصميم اللذين يراهما المشغل مناسبين. تُعد هذه العملية مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة بتكلفة اقتصادية، ولكنها تُنتج أشكالًا هندسية أقل قوة من عمليات التشكيل الأخرى، كما أنها ذات دقة أبعاد ضعيفة. [ 20 ]
لف الخيوط
تقوم الآلات بسحب حزم الألياف عبر حمام رطب من الراتنج، ثم تلفها حول مغزل فولاذي دوار باتجاهات محددة. تُعالج الأجزاء إما في درجة حرارة الغرفة أو في درجات حرارة مرتفعة. يُستخرج المغزل، تاركًا الشكل الهندسي النهائي، ولكن يمكن تركه في بعض الحالات. [ 20 ]
عملية السحب
تُسحب حزم الألياف والأقمشة المشقوقة عبر حمام رطب من الراتنج، ثم تُشكّل إلى الشكل الأولي للجزء. تُبثق المادة المشبعة من قالب مغلق ساخن، وتتصلب أثناء سحبها باستمرار عبر القالب. من بين المنتجات النهائية لعملية السحب بالبثق أشكال هيكلية، مثل العوارض على شكل حرف I، والزوايا، والقنوات، والصفائح المسطحة. يمكن استخدام هذه المواد لإنشاء جميع أنواع الهياكل المصنوعة من الألياف الزجاجية، مثل السلالم، والمنصات، والدرابزينات ، والأنابيب ، ودعامات المضخات. [ 20 ]
قولبة نقل الراتنج
تُعرف هذه العملية أيضاً باسم حقن الراتنج . تُوضع الأقمشة في قالب يُحقن فيه الراتنج الرطب. في عملية قولبة نقل الراتنج ، يُضغط الراتنج ويُدفع إلى تجويف تحت فراغ . أما في قولبة نقل الراتنج بمساعدة الفراغ، فيُسحب الراتنج بالكامل إلى داخل التجويف تحت الفراغ. تتيح هذه العملية دقة عالية في الأبعاد وتشكيلاً دقيقاً، ولكنها قد لا تُشبع القماش بالكامل أحياناً، مما يؤدي إلى ظهور نقاط ضعف في الشكل النهائي. [ 20 ]
المزايا والعيوب
تتيح تقنية البوليمر المقوى بالألياف (FRP) محاذاة ألياف الزجاج في اللدائن الحرارية لتناسب برامج تصميم محددة. ويمكن أن يؤدي تحديد اتجاه ألياف التقوية إلى زيادة قوة البوليمر ومقاومته للتشوه. وتكون البوليمرات المقواة بالزجاج في أقوى حالاتها وأكثرها مقاومة لقوى التشوه عندما تكون ألياف البوليمر موازية للقوة المؤثرة، وفي أضعف حالاتها عندما تكون الألياف عمودية عليها. وتعزز هذه المحاذاة بشكل كبير قوة الشد للمادة على طول اتجاه الألياف، مما يجعلها مثالية لتطبيقات تحمل الأحمال حيث تكون القوة الاتجاهية بالغة الأهمية. وبالتالي، تُعد هذه الميزة في الوقت نفسه ميزة أو قيدًا اعتمادًا على سياق الاستخدام. ويمكن استخدام نقاط الضعف في الألياف العمودية للمفاصل والوصلات الطبيعية، ولكنها قد تؤدي أيضًا إلى فشل المادة عندما تفشل عمليات الإنتاج في توجيه الألياف بشكل صحيح بالتوازي مع القوى المتوقعة. [ 22 ] عندما تُؤثر القوى عموديًا على اتجاه الألياف، تكون قوة ومرونة البوليمر أقل من قوة ومرونة المادة الأساسية وحدها. في مكونات الراتنج المصبوب المصنوعة من بوليمرات مقواة بالألياف الزجاجية مثل البولي يوريثان والإيبوكسي، يمكن توجيه الألياف في أنماط نسج ثنائية وثلاثية الأبعاد. وهذا يعني أنه عندما تكون القوى عمودية على اتجاه معين، فإنها تكون موازية لاتجاه آخر؛ مما يزيل احتمالية وجود نقاط ضعف في البوليمر.
أنماط الفشل
يمكن أن يحدث الفشل الهيكلي في مواد البوليمر المقوى بالألياف عندما:
- تؤدي قوى الشد إلى تمدد المادة الأساسية أكثر من الألياف، مما يتسبب في قص المادة عند السطح الفاصل بين المادة الأساسية والألياف.
- تتجاوز قوى الشد بالقرب من نهاية الألياف حدود تحمل المادة الأساسية، مما يؤدي إلى فصل الألياف عن المادة الأساسية.
- يمكن أن تتجاوز قوى الشد أيضًا حدود تحمل الألياف مما يؤدي إلى كسر الألياف نفسها وبالتالي فشل المادة. [ 17 ]
آليات الفشل
يمكن أن تُظهر المواد المركبة من الألياف المقواة بالبوليمر أضرارًا على المستويين المجهري والعياني:
تلف البنية المجهرية
- الشقوق الدقيقة في المصفوفة، وهي شقوق صغيرة تتشكل في مصفوفة البوليمر.
- انفصال الألياف عن المادة الأساسية، وهو ما يحدث عندما تنفصل الألياف المقوية والمادة الأساسية، مما يشير إلى الفشل عند السطح البيني.
- انكسار الألياف، وهو عبارة عن كسر الألياف داخل المادة الأساسية.
- اقتران الشقوق هو تفاعل الشقوق المتعددة داخل المادة ككل. [ 23 ] [ 24 ]
الضرر العياني
- الشقوق العرضية التي تحدث بشكل عمودي على اتجاه ألياف التقوية.
- فشل القص في حزم الألياف.
- تشققات في المصفوفة.
- انفصال الطبقات بين حزم الألياف في الصفائح المركبة. [ 25 ]
- فشل حزم الألياف تحت تأثير الشد،
- الكسر النهائي . [ 23 ] [ 24 ]
اتجاه التحميل
يؤثر نوع الحمل واتجاهه بالنسبة للألياف على آليات الفشل المفضلة.
- الاصطدام بزاوية منخفضة: يُفضّل التآكل الكاشط الذي يؤدي إلى تجعد السطح، وزيادة الخشونة، وظهور شقوق طويلة. وينتج عن ذلك تساقط المادة بعد اتصال الشقوق الناتجة. [ 23 ]
- الاصطدام بزاوية عالية: يُفضّل حدوث أضرار ناتجة عن الاصطدام تؤدي إلى تشققات أصغر. [ 23 ]
- أحمال الضغط: تُشكل القنوات التي تُكوّنها حزم الألياف نقاط تلف حرجة. تحت تأثير الضغط، تبدأ الألياف بالانبعاج، مما قد يؤدي إلى قص قطري، أو ضغط صافٍ، وذلك بحسب اتجاه الألياف. [ 23 ] [ 24 ]
بدء الفشل
تختلف آلية بدء الفشل في الصفائح المركبة اختلافًا كبيرًا، وذلك تبعًا لنوع المادة المستخدمة وظروف التحميل. ويمكن أن يبدأ نمو التلف إما بآليات فشل تعتمد على المادة الأساسية أو على الألياف. ومع ذلك، غالبًا ما تُشكل الواجهة بين الطبقات نقطة ضعف؛ إذ يُعدّ انفصال الطبقات نمطًا شائعًا للفشل لأن قوة الترابط بين الطبقات تكون عادةً الأدنى في المواد الصفائحية، مما يشير إلى أن الواجهة غالبًا ما تكون أول ما يفشل. [ 24 ] [ 25 ]
تُقدّم التسلسلات المرصودة لبدء الفشل مزيدًا من التوضيح. عمومًا، يظهر التدهور الأولي للمواد المركبة تحت تأثير الأحمال المتكررة غالبًا على شكل فقدان تدريجي للصلابة، يُعزى إلى الفشل أو الانهيار داخل الراتنج. [ 24 ] في الوصلات اللاصقة، قد يبدأ الكسر بانفصال عند سطح التلامس بين المادة اللاصقة والمادة الملتصقة، أو بتقشر الألياف من الطبقة الخارجية، أو بانفصال داخل أو بين الطبقات في المواد المركبة الملتصقة. ومن الجدير بالذكر أن العلاقة بين تغير المقاومة ومساحة الانفصال في هذه الوصلات قد لا تكون ثابتة عند تنافس آليات دقيقة مختلفة. [ 24 ] [ 25 ]
تحت تأثير أحمال الشد في المواد المركبة للأوعية الدموية الدقيقة، قد يبدأ تلف الألياف في الطبقات ذات الزاوية 0° أولًا، يليه تلف الراتنج في الطبقات ذات الزاوية 90°. في الصفائح البوليمرية المقواة بألياف الكربون والمعرضة لأحمال الشد، يكون التسلسل المعتاد هو تلف المادة الأساسية نتيجة الشد وتكوّن شقوق دقيقة في الطبقات ذات الزاوية 90°، مما يؤدي إلى انفصال الطبقات، وفي النهاية، فشل الألياف في الطبقات ذات الزاوية 0° تحت تأثير الشد. [ 23 ] علاوة على ذلك، قد يؤدي تشقق الطبقات، حيث تتجاوز الإجهادات العرضية قدرة تحمل الطبقة، إلى حدوث انفصال لاحق. كما يمكن أن يتسبب كسر الألياف في حدوث تشقق عرضي، مما يساهم في تقليل المقاومة العرضية الكلية للمادة. [ 24 ]
متطلبات المواد
يجب أن تستوفي مادة المصفوفة البوليمرية المتصلبة حراريًا ، أو مادة المصفوفة البوليمرية الحرارية الهندسية، متطلبات معينة لتكون مناسبة أولًا لمركبات البوليمر المقوى بالألياف (FRP) ولضمان تعزيزها بنجاح. يجب أن تكون المصفوفة قادرة على التشبع بشكل صحيح، ويفضل أن ترتبط كيميائيًا مع ألياف التعزيز لتحقيق أقصى قدر من الالتصاق خلال فترة معالجة مناسبة. كما يجب أن تغلف المصفوفة الألياف تمامًا لحمايتها من القطع والشقوق التي قد تقلل من قوتها، ولنقل القوى إلى الألياف. يجب أيضًا إبقاء الألياف منفصلة عن بعضها البعض بحيث يكون الفشل موضعيًا قدر الإمكان، وفي حالة حدوث الفشل، يجب أن تنفصل المصفوفة عن الألياف لأسباب مماثلة. أخيرًا، يجب أن تكون المصفوفة من نوع من البلاستيك الذي يظل مستقرًا كيميائيًا وفيزيائيًا أثناء وبعد عمليات التعزيز والتشكيل. لكي تكون إضافات الألياف مناسبة كمادة تعزيز، يجب أن تزيد من قوة الشد ومعامل المرونة للمصفوفة وأن تستوفي الشروط التالية: يجب أن تتجاوز نسبة الألياف الحد الحرج؛ يجب أن تتجاوز قوة وصلابة الألياف نفسها قوة وصلابة المصفوفة وحدها. ويجب أن يكون هناك ترابط مثالي بين الألياف والمادة الأساسية
الألياف الزجاجية
تستخدم "البلاستيكات المقواة بالألياف الزجاجية" أو FRPs (المعروفة اختصارًا بالألياف الزجاجية ) أليافًا زجاجية نسيجية . تختلف هذه الألياف النسيجية عن أنواع الألياف الزجاجية الأخرى المستخدمة لعزل الهواء (انظر الصوف الزجاجي ). تبدأ الألياف الزجاجية النسيجية بمزيج من مسحوق SiO₂ ، Al₂O₃ ، B₂O₃ ، CaO، أو MgO . تُسخّن هذه المخاليط مباشرةً إلى درجات حرارة تقارب 1300 درجة مئوية، ثم تُستخدم قوالب لبثق خيوط من الألياف الزجاجية بأقطار تتراوح بين 9 و17 ميكرومترًا . تُلف هذه الخيوط لتكوين خيوط أكبر وتُغزل على بكرات لنقلها ومعالجتها لاحقًا. تُعد الألياف الزجاجية الوسيلة الأكثر شيوعًا لتقوية البلاستيك، ولذا فهي تتمتع بتنوع كبير في عمليات الإنتاج، بعضها ينطبق أيضًا على ألياف الأراميد والكربون نظرًا لخصائصها الليفية المشتركة.
الغزل هو عملية يتم فيها غزل الخيوط إلى خيوط ذات قطر أكبر. تُستخدم هذه الخيوط بعد ذلك بشكل شائع في صناعة الأقمشة والحصائر الزجاجية المقواة المنسوجة، وفي تطبيقات الرش.
الأقمشة الليفية ( مثل قماش الألياف الزجاجية ) هي مواد تقوية نسيجية ذات بنية شبكية، وتتكون من خيوط طولية وعرضية. أما الحصائر الليفية فهي حصائر غير منسوجة من الألياف الزجاجية. تُصنع هذه الحصائر بأبعاد محددة باستخدام ألياف مقطعة، أو بشكل متصل باستخدام ألياف متصلة. يُستخدم الزجاج المُقطع في عمليات يتم فيها قص خيوط زجاجية بأطوال تتراوح بين 3 و26 مم، ثم تُستخدم هذه الخيوط في صناعة البلاستيك، وخاصةً في عمليات التشكيل. أما خيوط الألياف الزجاجية القصيرة فهي خيوط قصيرة يتراوح طولها بين 0.2 و0.3 مم، وتُستخدم لتقوية اللدائن الحرارية، وخاصةً في عمليات التشكيل بالحقن .
ألياف الكربون
تُصنع ألياف الكربون عند تكربن ألياف البولي أكريلونيتريل (PAN) أو راتنجات القار أو الرايون (عن طريق الأكسدة والتحلل الحراري) في درجات حرارة عالية. ويمكن تعزيز قوة الألياف أو مرونتها، على التوالي، من خلال عمليات إضافية كالتغرافيت أو التمديد. تُصنع ألياف الكربون بأقطار مماثلة لألياف الزجاج، حيث تتراوح أقطارها بين 4 و17 ميكرومترًا. تُلف هذه الألياف في خيوط أكبر حجمًا لتسهيل نقلها واستخدامها في عمليات إنتاج أخرى. [ 17 ] تشمل عمليات الإنتاج الأخرى نسج أو تجديل ألياف الكربون في أقمشة وسجادات وحصائر مماثلة لتلك المستخدمة في صناعة الزجاج، والتي يمكن استخدامها لاحقًا في عمليات التعزيز الفعلية. [ 18 ]
ألياف الأراميد
تُعرف ألياف الأراميد عادةً باسم كيفلار، ونومكس، وتكنورا. تُحضّر الأراميدات عمومًا من خلال تفاعل مجموعة أمينية مع مجموعة هاليد حمض الكربوكسيل (أراميد). [ 18 ] يحدث هذا عادةً عند غزل بولي أميد عطري من محلول حمض الكبريتيك المركز إلى ألياف متبلورة. [ 17 ] تُغزل الألياف بعد ذلك إلى خيوط أكبر لنسجها في حبال كبيرة أو أقمشة منسوجة (أراميد). [ 18 ] تُصنّع ألياف الأراميد بدرجات متفاوتة بناءً على قوتها وصلابتها، بحيث يمكن تكييف المادة لتلبية متطلبات تصميم محددة، مثل قطع المادة الصلبة أثناء التصنيع. [ 17 ]
أمثلة على تركيبات البوليمر والتقوية
| مواد التقوية [ 17 ] | أكثر مواد المصفوفة شيوعًا | العقارات المحسّنة |
|---|---|---|
| الألياف الزجاجية | UP ، EP ، PA ، PC ، POM ، PP ، PBT ، VE | القوة، المرونة، مقاومة الحرارة |
| ألياف الخشب | البولي إيثيلين ، والبولي بروبيلين، والأكريلونيتريل بوتادين ستايرين ، والبولي إيثيلين عالي الكثافة ، وحمض البولي لاكتيك. | قوة الانحناء، معامل الشد، قوة الشد |
| ألياف الكربون والأراميد | EP, UP, VE, PA | المرونة، قوة الشد، قوة الضغط، القوة الكهربائية. |
| الجسيمات غير العضوية | اللدائن الحرارية شبه البلورية، UP | الانكماش المتساوي الخواص، والتآكل، وقوة الانضغاط |
| الكريات المجهرية | كريات زجاجية مجهرية | انخفاض الوزن مقارنة بالحشوات الصلبة |
التطبيقات
تُعدّ المواد البلاستيكية المُقوّاة بالألياف الخيار الأمثل لأي برنامج تصميم يتطلب توفير الوزن، وهندسة دقيقة، وتفاوتات محددة، وتبسيط الأجزاء في كلٍ من الإنتاج والتشغيل. تُضفي الألياف على المادة القوة والصلابة، بينما تعمل مصفوفة البوليمر على تماسك الألياف ونقل الأحمال بينها. تتميز مركبات البوليمر المُقوّى بالألياف بتطبيقات واسعة النطاق في مختلف الصناعات بفضل خصائصها الفريدة، بما في ذلك نسبة القوة إلى الوزن العالية، ومقاومة التآكل، ومرونة التصميم. يُعدّ تصنيع منتج البوليمر المصبوب أرخص وأسرع وأسهل من تصنيع منتج الألمنيوم أو الفولاذ المصبوب، مع الحفاظ على تفاوتات وقوة مواد مماثلة، بل وأحيانًا أفضل.
البوليمرات المقواة بألياف الكربون
دفة طائرة إيرباص A310
- العيوب: المخاطر المتعلقة بحبات البرد، أو اصطدام الطيور، أثناء تحليق الطائرات أو أثناء وجودها على الأرض [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]
- تتمثل مزاياها مقارنةً بالدفة التقليدية المصنوعة من صفائح الألومنيوم فيما يلي:
- انخفاض الوزن بنسبة 25%
- انخفاض بنسبة 95% في المكونات من خلال دمج الأجزاء والأشكال في أجزاء مصبوبة أبسط.
- يؤدي الانخفاض الإجمالي في تكاليف الإنتاج والتشغيل، والاقتصاد في استخدام الأجزاء، إلى انخفاض تكاليف الإنتاج، كما أن توفير الوزن يخلق وفورات في الوقود مما يقلل من تكاليف تشغيل الطائرة.
البوليمرات المقواة بالألياف الزجاجية
تُصنع مشعبات سحب المحرك من مادة PA 66 المقواة بالألياف الزجاجية.
- تتمثل مزايا هذا المنتج مقارنةً بمشعبات الألمنيوم المصبوب فيما يلي:
- انخفاض في الوزن يصل إلى 60%
- تحسين جودة السطح والديناميكا الهوائية
- تقليل عدد المكونات عن طريق دمج الأجزاء والأشكال في أشكال مصبوبة أبسط.
دواسات الوقود والقابض للسيارات مصنوعة من مادة PA 66 المقواة بالألياف الزجاجية (DWP 12–13)
- من مزايا الألمنيوم المصبوب مقارنةً بالألمنيوم العادي ما يلي:
- يمكن تشكيل الدواسات كوحدات منفردة تجمع بين الدواسات والوصلات الميكانيكية مما يبسط عملية إنتاج وتشغيل التصميم.
- يمكن توجيه الألياف لتعزيز مقاومتها لضغوط محددة، مما يزيد من المتانة والسلامة.
تُعزل النوافذ والأبواب والواجهات المصنوعة من الألومنيوم حرارياً باستخدام مواد بلاستيكية عازلة مصنوعة من البولي أميد المقوى بالألياف الزجاجية. وفي عام 1977، أنتجت شركة إنسينجر المحدودة أول قطاع عازل لأنظمة النوافذ.
التطبيقات الهيكلية
يمكن استخدام البوليمر المقوى بالألياف ( FRP) لتقوية العوارض والأعمدة [ 29 ] والبلاطات في المباني والجسور. من الممكن زيادة قوة العناصر الإنشائية حتى بعد تعرضها لأضرار بالغة نتيجةً لأحمالها . في حالة العناصر الخرسانية المسلحة المتضررة ، يتطلب ذلك أولاً إصلاح العنصر بإزالة الأنقاض المتناثرة وملء الفراغات والشقوق بالمونة أو راتنج الإيبوكسي . بعد إصلاح العنصر، يمكن تقويته من خلال وضع طبقات من الألياف المشبعة براتنج الإيبوكسي يدويًا على أسطح العنصر بعد تنظيفها وتجهيزها.
تُستخدم تقنيتان رئيسيتان لتقوية العوارض، وذلك حسب مستوى التقوية المطلوب: تقوية الانحناء أو تقوية القص . وفي كثير من الحالات، قد يكون من الضروري الجمع بين التقنيتين. لتقوية الانحناء، تُطبَّق صفائح أو ألواح من البوليمر المقوى بالألياف (FRP) على سطح الشد للعتبة (السطح السفلي للعتبة البسيطة المدعومة بأحمال علوية أو أحمال جاذبية). تُوجَّه ألياف الشد الرئيسية بالتوازي مع المحور الطولي للعتبة، على غرار حديد التسليح الداخلي للانحناء. يؤدي ذلك إلى زيادة قوة العتبة وصلابتها ( الحمل اللازم لإحداث انحراف مقداره وحدة واحدة)، ولكنه يُقلل من قدرة الانحراف ومطيلية العتبة.
لتقوية القص في الكمرات، يُطبَّق البوليمر المقوى بالألياف (FRP) على جوانبها، مع توجيه الألياف بشكل عرضي على محورها الطولي. وتتحقق مقاومة قوى القص بطريقة مشابهة لتلك المستخدمة في الأساور الفولاذية الداخلية ، وذلك عن طريق سد شقوق القص التي تتشكل تحت تأثير الأحمال. يمكن تطبيق البوليمر المقوى بالألياف (FRP) بأشكال متعددة، حسب الأسطح المكشوفة للكمرة ودرجة التقوية المطلوبة، وتشمل هذه الأشكال: التثبيت الجانبي، والتغليف على شكل حرف U، والتغليف الكامل. يقتصر التثبيت الجانبي على تطبيق البوليمر المقوى بالألياف (FRP) على جوانب الكمرة فقط، وهو يوفر أقل قدر من تقوية القص نظرًا لاحتمالية حدوث أعطال نتيجة انفصال البوليمر عن سطح الخرسانة عند حوافه الحرة. أما في حالة التغليف على شكل حرف U، فيُطبَّق البوليمر المقوى بالألياف (FRP) بشكل متواصل على شكل حرف U حول جوانب الكمرة وسطحها السفلي (سطح الشد). إذا كانت جميع أسطح الكمرة قابلة للوصول، يُفضَّل استخدام التغليف الكامل لأنه يوفر أعلى مستوى من تعزيز القوة. تتضمن عملية التغليف المغلق تطبيق مادة البوليمر المقوى بالألياف (FRP) حول المحيط الكامل للعنصر، بحيث لا توجد أطراف حرة، ويكون نمط الفشل النموذجي هو تمزق الألياف. في جميع تكوينات التغليف، يمكن تطبيق مادة البوليمر المقوى بالألياف على طول العنصر كطبقة متصلة أو كشرائط منفصلة، بعرض ومسافة محددين مسبقًا.
يمكن تقوية البلاطات بتطبيق شرائح من البوليمر المقوى بالألياف (FRP) على سطحها السفلي (سطح الشد). يؤدي ذلك إلى تحسين مقاومة الانحناء، حيث تُعزز مقاومة الشد للبلاطات بقوة شد البوليمر المقوى بالألياف. في حالة الكمرات والبلاطات، تعتمد فعالية تقوية البوليمر المقوى بالألياف على أداء الراتنج المستخدم في اللصق. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية، خاصةً عند تقوية القص باستخدام اللصق الجانبي أو التغليف على شكل حرف U. عادةً ما تُغلّف الأعمدة بالبوليمر المقوى بالألياف حول محيطها، كما هو الحال في التغليف المغلق أو الكامل. لا يؤدي هذا إلى زيادة مقاومة القص فحسب، بل والأهم في تصميم الأعمدة ، يؤدي إلى زيادة مقاومة الضغط تحت تأثير الأحمال المحورية. يعمل غلاف البوليمر المقوى بالألياف على تقييد التمدد الجانبي للعمود، مما يُحسّن من حصره بطريقة مشابهة لتأثير التسليح الحلزوني على لب العمود. [ 30 ] [ 31 ]
كابل المصعد
في يونيو 2013، أعلنت شركة KONE للمصاعد عن منتج Ultrarope كبديل للكابلات الفولاذية في المصاعد. يعتمد هذا المنتج على تغليف ألياف الكربون ببوليمر عالي الاحتكاك . وعلى عكس الكابلات الفولاذية، صُمم Ultrarope للمباني التي تتطلب ارتفاع رفع يصل إلى 1000 متر (3300 قدم) . بينما يصل أقصى ارتفاع للمصاعد الفولاذية إلى 500 متر (1600 قدم) . وقدّرت الشركة أن المصعد في مبنى بارتفاع 500 متر (1600 قدم) سيستهلك طاقة كهربائية أقل بنسبة 15% مقارنةً بالمصعد ذي الكابلات الفولاذية. وبحلول يونيو 2013، اجتاز المنتج جميع اختبارات الاعتماد في الاتحاد الأوروبي والولايات المتحدة. [ 32 ]
اعتبارات التصميم
يُستخدم البوليمر المقوى بالألياف (FRP) في التصاميم التي تتطلب مستوىً معينًا من القوة أو معامل المرونة، حيث لا تُناسب المواد البلاستيكية غير المقواة وغيرها من الخيارات، سواءً من الناحية الميكانيكية أو الاقتصادية. ويتمثل الاعتبار التصميمي الأساسي لاستخدام FRP في ضمان استخدام المادة بكفاءة اقتصادية وبطريقة تستفيد من خصائصها الهيكلية المحددة، ولكن هذا ليس هو الحال دائمًا. يُحدث اتجاه الألياف نقطة ضعف في المادة عمودية عليها. وبالتالي، يؤثر استخدام تقوية الألياف واتجاهها على قوة المنتج النهائي وصلابته ومرونته، ومن ثم على وظائفه. ويؤثر توجيه الألياف، سواءً كان أحادي الاتجاه أو ثنائي الأبعاد أو ثلاثي الأبعاد، أثناء الإنتاج على قوة المنتج النهائي ومرونته. تُظهر الألياف الموجهة في اتجاه القوى المؤثرة مقاومة أكبر للتشوه الناتج عن هذه القوى، ولذلك تُقوّى مناطق المنتج التي يجب أن تتحمل القوى بألياف موجهة بالتوازي معها، بينما تُقوّى المناطق التي تتطلب مرونة، مثل المفاصل الطبيعية، بألياف موجهة عموديًا على القوى.
يُجنّب توجيه الألياف في أبعاد متعددة هذا السيناريو الثنائي، ويُنتج أجسامًا تسعى لتجنب أي ضعف ناتج عن التوجيه أحادي الاتجاه للألياف. كما يُمكن تعزيز أو تقليل خصائص القوة والمرونة والمطاطية من خلال الشكل الهندسي وتصميم المنتج النهائي. على سبيل المثال، يُحسّن ضمان سُمك الجدار المناسب وإنشاء أشكال هندسية متعددة الوظائف يُمكن تشكيلها كقطعة واحدة، من سلامة المادة والهيكل للمنتج عن طريق تقليل الحاجة إلى الوصلات والوصلات والأدوات. [ 17 ]
مخاوف التخلص من النفايات وإعادة التدوير
باعتبارها نوعًا فرعيًا من البلاستيك، فإن البلاستيك المقوى بالألياف عرضة لعدد من المشكلات والمخاوف المتعلقة بالتخلص من النفايات البلاستيكية وإعادة تدويرها . يُمثل البلاستيك تحديًا خاصًا في إعادة التدوير لأنه مُشتق من بوليمرات ومونومرات يصعب فصلها وإعادتها إلى حالتها الأصلية. لهذا السبب، لا يُمكن إعادة تدوير جميع أنواع البلاستيك لإعادة استخدامها، بل تشير بعض التقديرات إلى أن 20-30% فقط من البلاستيك قابلة لإعادة التدوير. يشترك البلاستيك المقوى بالألياف ومصفوفاته في هذه المخاوف المتعلقة بالتخلص منه والبيئة. وقد أدى البحث عن طرق التخلص الآمنة إلى نوعين رئيسيين يتضمنان استخدام حرارة شديدة: في أحدهما، تُحرق المواد الرابطة - مما يُعيد جزءًا من تكلفة المواد المهدرة على شكل حرارة - وتُجمع العناصر غير القابلة للاحتراق عن طريق الترشيح؛ وفي الآخر، تُحرق المواد غير القابلة للاحتراق في فرن أسمنت، فتُصبح الألياف جزءًا لا يتجزأ من المادة المصبوبة الناتجة. [ 33 ] بالإضافة إلى المخاوف المتعلقة بالتخلص الآمن، فإن صعوبة فصل الألياف نفسها عن المادة الأساسية وحفظها لإعادة استخدامها تزيد من هذه التحديات في المواد البلاستيكية المقواة بالألياف. فمن الصعب بطبيعتها فصل هذه المواد إلى موادها الأساسية، أي إلى ألياف ومادة أساسية، كما يصعب فصل المادة الأساسية إلى مواد بلاستيكية وبوليمرات ومونومرات قابلة للاستخدام. كل هذه الأمور تشكل تحديات أمام التصميم المراعي للبيئة اليوم. غالبًا ما توفر المواد البلاستيكية وفورات في الطاقة والتكاليف مقارنةً بالمواد الأخرى. علاوة على ذلك، مع ظهور مواد أساسية جديدة أكثر ملاءمة للبيئة، مثل البلاستيك الحيوي والبلاستيك القابل للتحلل بالأشعة فوق البنفسجية ، ستكتسب المواد البلاستيكية المقواة بالألياف حساسية بيئية أكبر. [ 18 ]
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ أماتو، إيفان (29 مارس 1999). "قائمة تايم 100: ليو بايكلاند" . مجلة تايم . مؤرشف من الأصل في 4 يناير 2007.
- ↑ ترويمان، سي إن (17 مارس 2015). "البلاستيك" . موقع تعلم التاريخ .
- ↑ "مادة كيميائية جديدة" (ملف PDF) . صحيفة نيويورك تايمز . 6 فبراير 1909.
- ↑ الراتنج الصناعي - استخدامه في صناعة الطائرات، صحيفة التايمز ، لندن، إنجلترا، 5 أكتوبر 1936، الصفحة 14، العدد 47497
- ↑ رقم براءة الاختراع الأمريكية 2133235: طريقة وجهاز لصنع الصوف الزجاجي. أول براءة اختراع للصوف الزجاجي من شركة سلاتر، 1933.
- ↑ خمسون عامًا من القوارب البلاستيكية المقواة، جورج مارش، 8 أكتوبر 2006، http://www.reinforcedplastics.com/view/1461/50-years-of-reinforced-plastic-boats-/ مؤرشف في 6 أغسطس 2010 على موقع Wayback Machine
- ↑ تقدم ملحوظ - استخدام البلاستيك، صحيفة إيفنينج بوست ، ويلينغتون، نيوزيلندا، المجلد 128، العدد 31، 5 أغسطس 1939، الصفحة 28
- ↑ سيارة المستقبل المصنوعة من البلاستيك، صحيفة ميركوري (هوبارت، تسمانيا)، الاثنين 27 مايو 1946، الصفحة 16
- ↑ "سيارة ما بعد الحرب" . صحيفة برادفورد ديلي ريكورد . 28 مارس 1941. ص 12. تم الاطلاع عليه في 17 يونيو 2015 – عبر موقع Newspapers.com .
- ↑ "السيارات ما بعد الحرب" . صحيفة كوربوس كريستي تايمز . ١٢ يناير ١٩٤٢. ص ٣. تم الاطلاع عليه بتاريخ ١٧ يونيو ٢٠١٥ – عبر موقع Newspapers.com .
- ↑ "الطائرات البلاستيكية المصنوعة من القوالب هي خطة الجيش" . صحيفة غريلي ديلي تريبيون . 24 يونيو 1938. ص 2. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 أغسطس 2015 - عبر موقع Newspapers.com .
- ↑ الطائرات الحربية الأمريكية في الحرب العالمية الثانية، ديفيد دونالد، دار نشر الفضاء الجوي المحدودة، 1995، الصفحات 251-252، رقم ISBN 1-874023-72-7
- ↑ تسريع استخدام المواد الجديدة، لجنة المجلس الوطني للبحوث (الولايات المتحدة) المعنية بتسريع استخدام المواد الجديدة، واشنطن، الأكاديمية الوطنية للعلوم - الأكاديمية الوطنية للهندسة، سبرينغفيلد، فرجينيا، 1971، الصفحات 56-57 بقلم دبليو بي كونرادي
- ↑ هياكل طائرة BT-15 المصنوعة من الألياف الزجاجية المقولبة، التقرير الفني رقم 5159 لسلاح الجو الأمريكي، 8 نوفمبر 1944
- ↑ دليل البلاستيك المقوى؛ دونالد ف. روزاتو، دومينيك ف. روزاتو، وجون مورفي؛ إلسيفير؛ 2004؛ صفحة 586
- ↑ برناديت، تيم؛ بينساود-فينسنت، بالوكا (19 أكتوبر 2002). "نظرة عامة على المواد المركبة" . تاريخ العلوم والتكنولوجيا الحديثة .
- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 إرهارد، غونتر. التصميم باستخدام البلاستيك . ترجمة مارتن طومسون. ميونيخ: دار هانسر للنشر، 2006.
- 1 2 3 4 5 سمولمان، ر. إي.، وبيشوب، ر. ج. علم المعادن الفيزيائي الحديث وهندسة المواد . الطبعة السادسة. أكسفورد: باتروورث-هاينمان، 1999.
- ↑ تونغ، إل، إيه بي موريتز، وإم كيه بانيستر. مركبات البوليمر المقواة بالألياف ثلاثية الأبعاد . أكسفورد: إلسيفير، 2002.
- 1 2 3 4 5 6 7 "عمليات كواترو كومبوزيتس 101: قولبة أجزاء من مركبات الكربون" . 15 فبراير 2008. مؤرشف من الأصل في 15 فبراير 2008. تم الاطلاع عليه في 2 أبريل 2018 .
- ↑ دوغان، فاتح؛ هادافينيا، همايون؛ دونتشيف، تودور؛ بهونج، براساناكومار س. (5 أغسطس 2012). "انفصال طبقات الهياكل المركبة المتأثرة بعناصر واجهة منطقة التماسك وتلامس كسر الربط" . المجلة الأوروبية المركزية للهندسة . 2 (4): 612-626 . Bibcode : 2012CEJE....2..612D . doi : 10.2478/s13531-012-0018-0 . hdl : 10057/16013 .
- ↑ هوو، ل.؛ كاسابوغلو، س.؛ ألدرليستن، ر. س. (1 يوليو 2024). "تأثير التلف الموجود مسبقًا على نمو الانفصال في المواد المركبة المعرضة للضغط المتكرر" . المواد والتصميم . 243 113068. doi : 10.1016/j.matdes.2024.113068 . ISSN 0264-1275 .
- 1 2 3 4 5 6 تشنغ، شياو تشوان؛ هوانغ، وين جون؛ تشانغ، تشيان (22 يناير 2025). " تحليل التلف والفشل في المركبات القائمة على البوليمر" . بوليمرات . 17 (3): 272. doi : 10.3390/polym17030272 . ISSN 2073-4360 . PMC 11820979. PMID 39940475 .
- 1 2 3 4 5 6 7 نور، أ.ك.؛ شوارت، م.ج.؛ ستارنز، ج.هـ.؛ ويليامز، ج.ج. (1 أغسطس 1983). تحليل الفشل وآليات فشل الهياكل المركبة الليفية (تقرير).
- 1 2 3 ويسنوم، إم آر (28 أبريل 2012). "دور الانفصال الطبقي في فشل المواد المركبة المدعمة بالألياف". المعاملات الفلسفية للجمعية الملكية أ: العلوم الرياضية والفيزيائية والهندسية . 370 (1965): 1850-1870 . doi : 10.1098/rsta.2011.0441 . hdl : 1983/e60b92aa-03a8-4a0c-bdd2-4627ebcb9f41 . ISSN 1364-503X .
- ↑ سالاموني، سالفاتوري؛ بارتولي، إيفان؛ دي ليو، باتريزيا؛ لانزا دي سكالا، فرانشيسكو؛ أجوفالاسيت، أوغوستو؛ داكويستو، ليوناردو؛ رايمر، جينيفر؛ كيم، هيوني (1 يونيو 2010). "تحديد موقع الاصطدام عالي السرعة على ألواح الطائرات باستخدام وردات كهرضغطية مركبة من ألياف كبيرة" . مجلة أنظمة ومواد ذكية . 21 (9): 887-896 . doi : 10.1177/1045389X10368450 . ISSN 1045-389X .
- ↑ كيم، هيوني؛ ويلش، دوغلاس أ؛ كيدوارد، كيث ت (1 يناير 2003). "دراسة تجريبية لتأثيرات الجليد عالي السرعة على ألواح مركبة من ألياف الكربون/الإيبوكسي المنسوجة" . Composites Part A: Applied Science and Manufacturing . 34 (1): 25–41 . doi : 10.1016/S1359-835X(02)00258-0 . ISSN 1359-835X .
- ↑ أبلبي-توماس، غاريث جيه؛ هازيل، بول جيه؛ داهيني، غوسان (1 سبتمبر 2011). "حول استجابة هيكلين من ألياف الكربون المقواة بالبوليمر (CFRP) ذوي أهمية تجارية لتأثيرات الجليد المتعددة" . الهياكل المركبة . 93 (10): 2619-2627 . doi : 10.1016/j.compstruct.2011.04.029 . ISSN 0263-8223 .
- ↑ نادر بور، ح.؛ ناجاي، ك.؛ فخاريان، ب.؛ حاجي، م. (1 مايو 2019). "نماذج مبتكرة للتنبؤ بمقاومة الضغط لأعمدة الخرسانة المسلحة الدائرية المحصورة بألياف البوليمر المقوى باستخدام أساليب الحوسبة المرنة" . الهياكل المركبة . 215 : 69-84 . doi : 10.1016/j.compstruct.2019.02.048 . ISSN 0263-8223 . S2CID 139800570 .
- ↑ ميغالويكونومو، كونستانتينوس ج.؛ مونتي، جورجيو؛ سانتيني، سيلفيا (2012). "نموذج تكويني للخرسانة المقواة بالألياف البوليمرية والمقيدة بالروابط". مجلة ACI الإنشائية . 109 (4): 569-578 . doi : 10.14359/51683876 .
- ↑ ميغالويكونومو، كونستانتينوس ج.؛ بابافاسيليو، جورجيوس س. (2019). "نموذج تحليلي للإجهاد والانفعال لأعمدة خرسانية مسلحة مستطيلة محصورة بألياف البوليمر المقوى" . مجلة فرونتيرز في البيئة المبنية . 5 : 39. doi : 10.3389/fbuil.2019.00039 .
- ↑ «أعلنت شركة UltraRope عن توفير خدمة تسلق سريعة وسهلة للمباني الشاهقة» . Phys.org . تم الاطلاع عليه بتاريخ 13 يونيو 2013 .
- ↑ "تقرير إعادة تدوير المواد المركبة 2010" (ملف PDF) . مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) بتاريخ 4 ديسمبر 2017.
- المواد المركبة
- البلاستيك
- الهندسة الإنشائية
- البوليمرات المقواة بالألياف
- المواد المركبة المدعمة بالألياف
- علم المواد