ضفائر ألياف الكربون: ما هي ولماذا يتم استخدامها

إذا كنت قد تساءلت يومًا لماذا قد تبدو قطعة من ألياف الكربون مختلفة عن الأخرى، فأنت لست وحدك. تأتي ألياف الكربون في العديد من النسج المختلفة، كل منها يخدم غرضًا مختلفًا، وهي ليست مجرد ديكور.

يتم تصنيع ألياف الكربون من سلائف مثل بولي أكريلونيتريل (PAN) والرايون. تتم معالجة الألياف الأولية كيميائيًا، وتسخينها وتمديدها، ثم يتم تفحيمها لتكوين ألياف عالية القوة. يتم بعد ذلك تجميع هذه الألياف أو الخيوط معًا ويتم تحديدها من خلال عدد خيوط الكربون التي تحتوي عليها. تقييمات السحب الشائعة هي 3k، 6k، 12k، و15k. يشير الحرف "k" إلى ألف، لذا فإن السحب 3k مصنوع من 3،000 خيوط كربون. يبلغ عرض السحب القياسي 3 كيلو 0.125 بوصة، مما يعني وجود الكثير من الألياف محشورة في مساحة صغيرة. يحتوي السحب 6 كيلو على 6،000 من خيوط الكربون، والسحب 12 كيلو يحتوي على 12،000 من خيوط الكربون، وهكذا. إن الكميات الكبيرة من الألياف عالية القوة المجمعة معًا تجعل ألياف الكربون مادة قوية.

 

نسج ألياف الكربون
غالبًا ما تأتي ألياف الكربون على شكل أقمشة منسوجة، مما يسهل العمل بها ويمكن أن يوفر قوة هيكلية إضافية اعتمادًا على التطبيق. ولذلك، يمكن نسج أقمشة ألياف الكربون بعدة طرق مختلفة. وأكثرها شيوعًا هي الساتان العادي، والتويل، والساتان المعلق، وسنغطي كل مادة بالتفصيل.

نسج عادي
تتميز صفائح ألياف الكربون العادية بمظهر متناسق مع مظهر رقعة الشطرنج الصغيرة. في هذا النسج، يتم نسج الخيوط بنمط علوي/سفلي. المسافة القصيرة بين النسج المتشابكة تمنح النسيج العادي درجة عالية من الثبات. يشير ثبات النسيج إلى قدرة القماش على الحفاظ على زاوية النسج واتجاه الألياف. بسبب هذا المستوى العالي من الثبات، فإن النسيج العادي أقل ملاءمة للطبقات ذات الخطوط المعقدة ولن يكون مرنًا مثل بعض الأقمشة الأخرى. بشكل عام، يعتبر النسيج العادي مناسبًا للألواح المسطحة والأنابيب والمنحنيات ثنائية الأبعاد.

أحد عيوب نمط النسيج هذا هو وجود تجعيد شديد في الخيوط بسبب المسافة القصيرة بين التشابكات (الزوايا التي تشكلها الألياف عند نسجها، انظر أدناه). يؤدي العقص القاسي إلى خلق تركيزات إجهاد تضعف الجزء بمرور الوقت.

نسج قطني طويل
نسيج قطني طويل هو الجسر بين النسيج العادي ونسيج الساتان الذي نناقشه بعد ذلك. يتمتع نسيج التويل بمرونة جيدة ويمكن أن يشكل خطوطًا معقدة. إنه أسوأ من قماش الساتان الحمالات في الحفاظ على ثبات القماش، ولكنه ليس بجودة النسيج العادي. إذا اتبعت خيوط السحب في نسيج قطني طويل، فإنها تمر عبر عدد معين من السحبات ثم عبر نفس العدد من السحبات. ينشئ النمط لأعلى/لأسفل مظهر سهم قطري، يسمى "خط نسيج قطني طويل". المسافة الأطول بين السحب المتشابك تعني تجعيدًا أقل وتركيزات إجهاد محتملة أقل مقارنة بالأقمشة المنسوجة العادية.

من المحتمل أن يكون نسيج قطني طويل 2 × 2 هو نسيج ألياف الكربون الأكثر شهرة في الصناعة. يتم استخدامه في العديد من التطبيقات التجميلية والزخرفية ولكنه أيضًا عملي للغاية، فهو يجمع بين قابلية التشكيل المتوسطة والثبات المتوسط. كما يوحي الاسم 2×2، فإن كل سحبة سوف تمر عبر قطرتين ثم تعبر كلا القطرتين. وبالمثل، سيتم تمرير نسيج قطني طويل مقاس 4×4 من خلال 4 شدات ثم من خلال 4 شدات. إنه يشكل أفضل قليلاً من نسيج قطني طويل 2 × 2 لأن النسيج ليس ضيقًا، ولكنه أيضًا أقل استقرارًا.

تسخير الساتان
تم تصميم نسج الساتان منذ آلاف السنين لإنشاء أقمشة حريرية ذات ثنى ممتاز بينما تبدو ناعمة وغير ملحومة. بالنسبة للمركبات، فإن قابلية الثني هذه تعني أنه يمكن تشكيلها بسهولة ولفها حول محيطات معقدة. وبما أن هذا النسيج قابل للتشكيل بشكل كبير، فمن المتوقع أن يكون ثباته منخفضًا. تشتمل نسج الساتان المختلط الشائع على 4-الساتان المختلط (4HS) و5- الساتان المختلط (5HS) و8- الساتان المختلط (8HS). مع زيادة كمية نسج الساتان، تزداد قابلية التشكيل بينما يقل ثبات القماش.

السحب المنتشر مقابل السحب القياسي
يمكن أن تكون مواد السحب المنتشرة بمثابة حل وسط جيد بين استخدام المواد أحادية الاتجاه والمواد المضفرة القياسية. عندما يتم نسج خيوط الألياف لأعلى ولأسفل لتكوين نسيج، تقل قوتها بسبب تجعد الخيوط. عندما تقوم بزيادة عدد الخيوط في عملية سحب قياسية (على سبيل المثال، من 3k إلى 6k)، يصبح السحب أكبر (أكثر سمكًا) وتصبح زاوية التجعيد أكثر خشونة. إحدى الطرق لتجنب ذلك هي نشر الخيوط في شدات أوسع، وهذا ما يسمى نشر السحب، وهناك العديد من الفوائد للقيام بذلك.

يوفر توزيع السحب زاوية تجعيد أصغر من تجديل السحب القياسي ويمكن أن يقلل من عيوب التقاطع عن طريق زيادة النعومة. زاوية التجعيد السفلية ستؤدي إلى قوة أعلى. من السهل أيضًا التعامل مع مواد السحب المنتشرة مقارنة بالمواد أحادية الاتجاه ولا تزال توفر حماية جيدة إلى حد ما من سحب الألياف.

أحادي الاتجاه
كما يوحي الاسم، uni، يعني واحد، جميع الألياف موجهة في نفس الاتجاه. وهذا يوفر بعض المزايا عالية القوة للأقمشة أحادية الاتجاه (UD). قماش UD غير منسوج ولا يحتوي على أي ألياف متشابكة مجعدة من شأنها أن تضعف الهيكل. وفي المقابل، تضيف الألياف المستمرة القوة والصلابة. فائدة أخرى هي القدرة على تخصيص رمية الكرة مع تحكم أكبر في خصائص الأداء. تُعد إطارات الدراجات مثالًا رائعًا لكيفية استخدام أقمشة UD لتخصيص الأداء. يجب أن تكون منطقة الدعامة السفلية للإطار صلبة لنقل قوة الراكب إلى العجلات، ولكن يجب أن يكون الإطار أيضًا مرنًا ومرنًا لتجنب إصابة الراكب. باستخدام مواد UD، يمكنك اختيار الاتجاه الدقيق للألياف للحصول على القوة التي تحتاجها.

العيب الرئيسي لـ UD هو قدرته على المناورة. يمكن أن يتفكك UD بسهولة أثناء وضع الكرة لأنه لا يحتوي على ألياف متشابكة لتجميعها معًا. إذا تم وضع الألياف بشكل غير صحيح، فمن المستحيل تقريبًا إعادة توجيهها بشكل صحيح مرة أخرى. يمكن أيضًا أن تسبب الأجزاء المصنعة من نسيج UD مشاكل. إذا انسحبت أي ألياف إلى أعلى حيث تم قطع الميزة، فقد تسحب تلك الألياف السائبة الجزء بأكمله. عادةً، إذا تم اختيار مادة UD للتصفيح، فسيتم استخدام طبقة من المواد المنسوجة للطبقتين الأولى والأخيرة لتحسين قابلية التشغيل ومتانة الأجزاء. ويتم ذلك بدءًا من إطارات الطائرات بدون طيار للهواة وصولاً إلى إنتاج أجزاء الصواريخ.