الكربون المقوى

الكربون المقوى بألياف الكربون ^{[ n 1 ]} ( CFRC)، ^{[ 4 ] أو} الكربون-كربون ( C/C)، ^{[ 2 ]} أو الكربون-كربون المقوى ( RCC ) هو مادة مركبة تتكون من ألياف الكربون المقواة في مصفوفة من الجرافيت . طُوِّرت هذه المادة لمركبات إعادة دخول الصواريخ الباليستية العابرة للقارات ، وتُعرف على نطاق واسع بأنها المادة المستخدمة في غطاء مقدمة المركبة الفضائية وحواف جناحها الأمامية . تُعد أقراص وفرامل الكربون - كربون المكون القياسي لأنظمة فرامل سيارات سباق الفورمولا 1 منذ أواخر سبعينيات القرن الماضي؛ وكان عام 1976 هو العام الأول الذي استُخدمت فيه فرامل الكربون في سيارة فورمولا 1.

يُعدّ الكربون-الكربون مناسبًا تمامًا للتطبيقات الإنشائية في درجات الحرارة العالية، أو حيثما تكون هناك حاجة إلى مقاومة الصدمات الحرارية و/أو معامل تمدد حراري منخفض . ورغم أنه أقل هشاشة من العديد من أنواع السيراميك الأخرى، إلا أنه يفتقر إلى مقاومة الصدمات؛ فقد دُمّرت مكوك الفضاء كولومبيا أثناء دخوله الغلاف الجوي بعد أن تحطمت إحدى ألواحه الخرسانية المدكوكة بالأسطوانات نتيجة اصطدام قطعة من عازل رغوة البولي يوريثان التي انفصلت عن الخزان الخارجي .

يتم تصنيع المادة على ثلاث مراحل: ^{[ 5 ]}

أولاً، يتم تشكيل المادة بالشكل النهائي المطلوب، حيث يتم إحاطة خيوط الكربون و/أو القماش بمادة رابطة عضوية مثل البلاستيك أو القطران . وفي كثير من الأحيان، تتم إضافة فحم الكوك أو أي ركام كربوني ناعم آخر إلى خليط المادة الرابطة.

ثانيًا، يتم تسخين الطبقة، مما يؤدي إلى تحويل المادة الرابطة إلى كربون نقي نسبيًا عن طريق التحلل الحراري . تفقد المادة الرابطة حجمها خلال هذه العملية، مما يتسبب في تكوّن فراغات؛ ويقلل إضافة الركام من هذه المشكلة، ولكنه لا يقضي عليها تمامًا.

ثالثًا، تُملأ الفراغات تدريجيًا بتمرير غاز مُكوِّن للكربون، مثل الأسيتيلين، عبر المادة عند درجة حرارة عالية، على مدار عدة أيام. تسمح عملية المعالجة الحرارية المطولة هذه أيضًا بتكوُّن الكربون في بلورات جرافيت أكبر ، وهي السبب الرئيسي لارتفاع تكلفة المادة. كلَّفت ألواح "الكربون المُقوَّى بالكربون (RCC)" الرمادية اللون، الموجودة على الحواف الأمامية لجناح مكوك الفضاء ومخروط أنفه، وكالة ناسا 100,000 دولار أمريكي للقدم المربع الواحد لإنتاجها، على الرغم من أن جزءًا كبيرًا من هذه التكلفة كان نتيجةً للهندسة المتقدمة وتكاليف البحث المرتبطة بالألواح. قد تشمل هذه المرحلة أيضًا تصنيع المنتج النهائي. ^{[ 5 ]}

مادة الكربون-كربون مادة صلبة يمكن جعلها شديدة المقاومة للتمدد الحراري، وتدرجات الحرارة، والتغيرات الحرارية الدورية، وذلك تبعًا لطريقة وضع هيكل الألياف وجودة/كثافة حشو المادة الأساسية. تحتفظ مواد الكربون-كربون بخصائصها عند درجات حرارة أعلى من 2000  درجة مئوية. ويمكن تجاوز هذه الدرجة باستخدام طبقات واقية لمنع الأكسدة. ^{[ 6 ]} تتراوح كثافة المادة بين 1.6 و1.98  غ/ ^سم³ . ^{[ 7 ]}

يُعدّ كربيد السيليكون المقوى بألياف الكربون ( C/SiC ) تطويراً للكربون النقي، حيث يستخدم كربيد السيليكون مع ألياف الكربون . وهو أكثر كثافة قليلاً من الكربون النقي، ويُعتقد أنه أكثر متانة.

يمكن استخدامه في أقراص وفرامل السيارات الرياضية عالية الأداء. أول سيارة استخدمته كانت مرسيدس-بنز C215 كوبيه إصدار F1. ^{[ 8 ]} وهو قياسي في بوغاتي فيرون والعديد من سيارات بنتلي ، وفيراري ، ولامبورغيني ، وبورش ، وكورفيت ZR1 و Z06 . كما يُقدم كخيار إضافي في بعض سيارات أودي عالية الأداء، بما في ذلك D3 S8 ، وB7 RS4 ، وC6 S6 و RS6 ، و R8 . لا يُستخدم هذا المعدن في سباقات الفورمولا 1 بسبب وزنه.

أصبحت مكابح الكربون متاحة على نطاق واسع للطائرات التجارية في الثمانينيات، ^{[ 9 ]} بعد أن تم استخدامها لأول مرة في طائرة النقل الأسرع من الصوت كونكورد .

ومن بين مركبات الكربون غير الخزفية ذات الصلة والتي تستخدم في سيارات السباق عالية التقنية مركب الكربون والتيتانيوم المستخدم في سيارات زوندا آر وهوايرا الخارقة التي تصنعها شركة باجاني الإيطالية لصناعة السيارات .

• مكابح كربونية لطائرة الكونكورد