نسج ألياف الكربون: ما هي ولماذا نستخدمها

إذا 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 ، وليست مجرد زينة.

ألياف الكربون مصنوعة من سلائف مثل بولي أكريلونيتريل (PAN) والحرير الصناعي. تتم معالجة ألياف السلائف كيميائيًا وتسخينها وامتدادها ، ثم تفحيمها لإنتاج ألياف عالية القوة. يتم بعد ذلك تجميع هذه الألياف ، أو الخيوط ، معًا لتشكيل سحب ، والتي يتم تحديدها من خلال عدد خيوط الكربون التي تحتوي عليها. فئات القطر الشائعة هي 3 كيلو و 6 كيلو و 12 كيلو و 15 كيلو. "k" تعني ألف ، لذلك يتكون السحب 3 كيلو من 3 ، 000 خيوط كربون. يبلغ قطر القطر القياسي عادةً 0. 125 بوصة ، لذلك يحزم الكثير من الألياف في مساحة صغيرة. يحتوي القطر 6 كيلو على 6 ، 000 خيوط كربون ، و 12 كيلو خيطًا ، {{16 }} ، وهكذا دواليك .. الكثير من الألياف عالية القوة المجمعة معًا هي التي تجعل ألياف الكربون مادة قوية.

ألياف الكربون المنسوجة
تأتي ألياف الكربون عادةً على شكل قماش منسوج ، مما يسهل العمل به ، ويمكن أن يوفر قوة هيكلية إضافية حسب التطبيق. نتيجة لذلك ، تأتي أقمشة ألياف الكربون في العديد من النسج المختلفة. الأكثر شيوعًا هو الساتان الصلب ، والتويل ، والشريط ، وسننظر في كل منها بمزيد من التفصيل.

نسج عادي
تبدو ألواح ألياف الكربون المنسوجة بشكل عادي متناظرة ، مع مظهر رقعة الشطرنج الصغيرة. في هذا النسج ، يتم نسج السحب بنمط فوق / تحت. المسافة القصيرة بين النسج تمنح النسج البسيط درجة عالية من الثبات. ثبات النسيج هو قدرة النسيج على الحفاظ على زاوية النسج واتجاه الألياف. نظرًا لهذا المستوى العالي من الثبات ، فإن النسج العادي أقل ملاءمة للتركيبات المعقدة ، ولن يكون مرنًا مثل بعض النسج الأخرى. بشكل عام ، النسج العادي مناسب للألواح المسطحة والأنابيب والمنحنيات ثنائية الأبعاد.

أحد عيوب نمط النسج هذا هو التجعيد الخشن (الزاوية التي تصنعها الألياف عند النسج ، انظر أدناه) في السحب نظرًا لقصر المسافة بين النسج. يخلق التجعيد الخشنة تركيزات إجهاد يمكن أن تضعف الجزء بمرور الوقت.

نسج حك
يعمل حك كجسر بين نسج عادي ونسج الساتان الذي سنناقشه بعد ذلك. حك مرن بما يكفي لتشكيل ملامح معقدة وهو أفضل في الحفاظ على ثبات النسيج من نسج السرج الساتان ، ولكن ليس بنفس جودة النسيج العادي. إذا كنت تتبع سحبًا في نسيج قطني طويل ، فإنه يمر بعدد معين من السحب ثم يمر بنفس عدد السحب. يُنشئ النمط أعلاه / أدناه مظهر رأس سهم مائل يُعرف باسم "خط قطري". المسافة الأطول بين نسج القطر تعني تجعيد أقل وتركيز إجهاد أقل محتمل مقارنة بالنسيج العادي.

2 × 2 حك

4 × 4 نسيج قطني طويل
2 × 2 من المحتمل أن يكون Twill هو أفضل نسيج ألياف الكربون المعروف في الصناعة. يتم استخدامه في العديد من التطبيقات التجميلية والزخرفية ولكنه أيضًا وظيفي للغاية ، وله قابلية تشكيل معتدلة وثبات معتدل. كما يوحي اسم 2 × 2 ، سيمر كل سحب من خلال سحبين ثم من خلال سحبين. وبالمثل ، سوف يمر نسيج قطني 4 × 4 من خلال 4 جر ثم 4 جر. إنه أكثر قابلية للتشكيل قليلاً من نسيج قطني طويل 2 × 2 لأن النسج ليس ضيقًا ، ولكنه أيضًا أقل ثباتًا.

نسج الساتان تسخير
تم ابتكار نسج الساتان منذ آلاف السنين لصنع أقمشة حريرية ذات ثنى ممتاز بينما تبدو ناعمة وسلسة. بالنسبة للمركبات ، تعني هذه المتانة أنها يمكن أن تشكل وتلف ملامح معقدة بسهولة. بسبب القابلية العالية للتشكيل لهذا النسيج ، من المتوقع أن يكون له ثبات منخفض. النسج الشائعة هي أربعة أضلاع (4HS) وخمسة أضلاع (5HS) وثمانية أضلاع (8HS). مع زيادة عدد نسج الساتان ، تزداد قابلية التشكيل بينما يقل ثبات النسيج.

4HS

5HS

8HS

يشير الرقم الموجود في اسم Harness Satin إلى العدد الإجمالي لعمليات السحب التي تم تمريرها. بالنسبة لـ 4HS سيكون أكثر من 3 جر ثم أقل من 1. بالنسبة لـ 5 HS ، ستكون أكثر من 4 جر ثم أقل من 1 و 8 HS ستكون أكثر من 7 جر ثم أقل من 1 سحب.

انتشار السحب مقابل السحب القياسي
يمكن أن تكون مواد السحب المنتشرة حلاً وسطاً جيداً بين استخدام المواد أحادية الاتجاه والمواد المنسوجة القياسية. عندما يتم نسج سحب الألياف لأعلى ولأسفل لتشكيل نسيج ، تقل القوة بسبب التجعيد في الجر. كلما زادت عدد الخيوط في السحب القياسي ، لنقل من 3k إلى 6k ، يصبح القطر أكبر (أكثر سمكًا) وتصبح زاوية التجعيد أكثر حدة. تتمثل إحدى طرق تجنب ذلك في نشر الخيوط في سحب أوسع ، تُعرف باسم سحب السحب ، والتي لها العديد من الفوائد.

توفر الجرارات المنتشرة زاوية تجعيد أصغر من ضفائر السحب القياسية ويمكن أن تقلل من العيوب المتقاطعة عن طريق زيادة النعومة. ستؤدي زوايا التجعيد المنخفضة إلى قوة أعلى. تعتبر مواد السحب المنتشرة أسهل في العمل معها من المواد أحادية الاتجاه ولا تزال تتمتع بمنع سحب الألياف جيدًا إلى حد ما.

انتشر عادي السحب

انتشار نسج قطني طويل
أحادي الاتجاه
كما يوحي الاسم ، uni تعني واحدًا ، وجميع الألياف تواجه نفس الاتجاه. يوفر هذا بعض مزايا القوة العالية للأقمشة أحادية الاتجاه (UD). نسيج UD غير منسوج ولا يحتوي على أي ألياف متشابكة مجعدة من شأنها إضعاف الهيكل. بدلا من ذلك ، هناك ألياف مستمرة تضيف القوة والصلابة. فائدة أخرى هي القدرة على تخصيص التجميع مع قدر أكبر من التحكم في خصائص الأداء. إطار الدراجة هو مثال رائع لكيفية استخدام أقمشة UD لضبط الأداء. يجب أن يكون الإطار صلبًا في منطقة الركيزة السفلية لنقل قوة الفارس إلى العجلات ، ولكن يجب أيضًا أن يكون متوافقًا ومرنًا حتى لا يربك الراكب. باستخدام مواد UD ، يمكنك اختيار الاتجاه الدقيق للألياف لتحقيق القوة المطلوبة.

عيب رئيسي من UD هو قدرتها على المناورة. ينهار UD بسهولة أثناء الرمي لأنه لا يحتوي على ألياف متشابكة لتثبيته معًا. إذا تم وضع الألياف بشكل غير صحيح ، فمن المستحيل تقريبًا إعادة توجيهها بشكل صحيح مرة أخرى. يمكن أن تتسبب الأجزاء المُشكلة من أقمشة UD أيضًا في حدوث مشكلات. إذا تم سحب أي ألياف إلى أعلى حيث تم قطع الميزة ، فسيتم سحب تلك الألياف الفضفاضة لأعلى طوال الجزء. عادةً ، إذا تم تحديد مادة UD للتجميع ، يتم استخدام طبقة من مادة منسوجة للطبقتين الأولى والأخيرة لتحسين قابلية المعالجة والمتانة الجزئية. هذا ما تفعله إطارات الطائرات بدون طيار للهواة طوال الطريق لإنتاج أجزاء الصواريخ.