ألياف الكربون 101: فهم النسج والأقمشة

بعد تصنيع ألياف الكربون وتشكيلها، غالبًا ما يتم نسجها في القماش. للبدء في صناعة القماش، يقوم المصنعون بإنشاء حزم من ألياف الكربون تسمى السحب. يتم تصنيف القطرات بناءً على محتوى الألياف أو الخيوط ويشار إليها عادةً باسم 3k و6k و12k و15k. يرمز الحرف k إلى "ألف"، مما يشير إلى أن قطر 3k يتكون من 3،000 خيوط كربون. نظرًا لأن سمك خيط واحد من ألياف الكربون يبلغ حوالي 5-10 ميكرون فقط، فإن سمك السحب 3 كيلو يبلغ حوالي 0.125 بوصة فقط. يبلغ سمك القطر 6 كيلو ضعف سمك القطر 3 كيلو تقريبًا، وأربعة أضعاف سمك القطر 12 كيلو، وهكذا. إن الكمية الكبيرة من ألياف الكربون القوية في مثل هذه المساحة المدمجة تمنح المادة قوة لا تصدق.

جديلة ألياف الكربون
يتم نسج بكرات من ألياف الكربون في القماش على النول. النسج الأكثر شيوعا هي نسج عادي، نسج نسيج قطني طويل ونسج هيدل.

نسج عادي أو نسيج ألياف الكربون 1 × 1 متماثل ويشبه رقعة الشطرنج. يتم نسج السحب بنمط علوي/سفلي، مما يوفر أليافًا عالية الثبات ومتشابكة بإحكام. يشير ثبات النسيج إلى قدرة المادة على الحفاظ على اتجاه الألياف وزاوية النسج. نظرًا لثبات النسيج العالي، فإن نسيج ألياف الكربون العادي أقل ملاءمة للخطوط المعقدة لأنه ليس مرنًا بشكل خاص. ومع ذلك، فهو أسهل في التعامل معه ولا يسبب تشوهًا في النسيج. لذلك، فهو مثالي للألواح المسطحة والأنابيب والمنحنيات ثنائية الأبعاد.

التجعيد هو انحناء الألياف الفردية في النسج، والأقمشة المصنوعة من ألياف الكربون العادية لها تجعيد خشن بسبب التشابك الضيق بين خيوط الخيوط. بمرور الوقت، يؤدي هذا التجعيد القاسي إلى إنشاء نقاط ضغط تؤدي إلى ظهور مناطق ضعيفة.

نسج التويل، الذي يتكون من نمط 2x2 أو 4x4، هو النوع الأكثر شيوعًا من نسيج ألياف الكربون. في جديلة 2x2، يتم تمرير كل خصلة على خيطين ثم تحت كلا الخيطين. من المنطقي إذن أن جديلة 4 × 4 تتكون من كل سحب يمر عبر أربعة سحبات ثم أربعة سحبات أخرى. هذا النسيج الزائد/السفلي يخلق نمطًا قطريًا مميزًا. المسافة بين الخيوط المتشابكة في نسج قطني طويل أطول منها في نسج عادي. ونتيجة لذلك، يحدث تجعيد أقل، مما يقلل من فرصة ظهور نقاط الضغط.

يتميز نسيج التويل بالمرونة ويمكن أن يشكل خطوطًا معقدة مع الحفاظ على ثبات جيد. ويجب التعامل معه بعناية أكبر من النسيج العادي لتجنب زيادة تشوه الأنسجة. يعد تشكيل نسج 4x4 أسهل من نسج 2x2، لكن القماش أيضًا أقل ثباتًا.

تم استخدام نسج الساتان منذ آلاف السنين لإعطاء الأقمشة الحريرية ثنية جميلة مع جعل القماش ناعمًا وسلسًا. عند استخدامها في مركبات ألياف الكربون، يمكن أن تشكل نسج الساتان خطوطًا معقدة بسهولة. من الواضح أن هذا يعني أن ثبات نسج الساتان أقل أيضًا من النسج الأخرى.

نسج الساتان الأكثر شيوعًا هو الساتان ذو الأربعة هيدل (4HS)، الساتان ذو الخمسة هيدل (5HS) والساتان ذو الثمانية هيدل (8HS). يمثل هذا الرقم إجمالي عدد عمليات السحب التي تم تمريرها ثم تمريرها. على سبيل المثال، يحتوي نسيج 4HS على ثلاثة خيوط تمر من خلاله ثم حبلا خيوط واحد يمر عبره. في نظام 5HS، يتم تقاطع أربع قواطع ثم واحدة تحتها، بينما في 8HS يتم تقاطع سبع قوارير ثم واحدة تحتها. كلما زاد رقم نسج الساتان، كانت قابلية التشكيل أفضل، ولكن كان الاستقرار أسوأ.

هناك العديد من طرق النسيج الأخرى المستخدمة لإنشاء أقمشة ألياف الكربون. وتشمل هذه جديلة السمك، وانتشار السحب، والجديلة، والجديلة أحادية الاتجاه والجديلة المخصصة. يحتوي كل نسج على خصائص فريدة تجعله مثاليًا للاستخدام في بعض التصميمات، ولكنه ليس خيارًا جيدًا للآخرين. هناك العديد من العوامل التي يجب أخذها في الاعتبار عند تحديد جديلة ألياف الكربون التي يجب استخدامها لأداء وظيفة معينة. وتشمل هذه العوامل القوة والقابلية للتشكيل والاستقرار والالتفاف. يعتبر مصنعو ألياف الكربون خبراء في معرفة القماش الذي يجب استخدامه لأي تصميم.