A-9 تجهيزات من ألياف الكربون الرقيقة جدًا

راتنج الألياف الكربونية فائق الرقة: حل ابتكاري في مجال المواد المركبة خفيفة الوزن

في مجالات مثل الفضاء الجوي والمعدات عالية المستوى والمركبات الكهربائية التي تتطلب أداءً صارمًا من المواد، كانت الخفة والقوة العالية دائمًا الهدف الأساسي. وباعتبارها منتجًا مبتكرًا في مجال المواد المركبة، تمتلك شرائط الألياف الكربونية شبه المصنعة فائقة الرقة ميزة رئيسية تتمثل في "الخفة والرقة الشديدتين"، حيث تكسر قيود التوازن التي تفرضها الشرائط شبه المصنعة التقليدية من حيث الوزن والسماكة والأداء، وتوفر إمكانيات جديدة لتصنيع المكونات الهيكلية الدقيقة. ومن بين هذه المنتجات، تمثّل منتجات مثل شريط الألياف الكربونية شبه المصنع بوزن 10 غرام وشريط الألياف الكربونية شبه المصنع بوزن 15 غرام، والتي تجمع بين الخصائص الهيكلية للشرائط شبه المصنعة ذات الاتجاه الواحد وميزة القوة العالية لشريط الألياف الكربونية 24T ذات الاتجاه الواحد، محور تركيز سوق المواد خفيفة الوزن حاليًا.

الميزة الأساسية: إعادة تعريف حدود الأداء لشريط الألياف الكربونية شبه المصنع

1. خصائص خفيفة الوزن للغاية ورقيقة جدًا، تكسر قيود المواد التقليدية

يتميّز مادة الكربون المُعزّزة الرقيقة جدًا (البريجريج) بـ"وزن ألياف منخفض لكل وحدة مساحة" كميزة رئيسية. حاليًا، يمكن تحقيق أقل وزن للألياف لكل وحدة مساحة بقيمة 10 غرامات في المتر المربع. ومع نسبة راتنج تبلغ 50٪، يصبح الوزن الكلي للمادة المُعزّزة 20 غرامًا فقط في المتر المربع، وهو أقل بكثير من مستوى وزن المواد المُعزّزة بالكربون العادية. من حيث السُمك، وبفضل الكثافة السطحية المنخفضة للألياف وعملية اختران الراتنج المُحسّنة، تم تقليل سُمك المنتج بنسبة تزيد عن 30٪ مقارنةً بالمادة المُعزّزة العادية، ما يجعله سهل التكيّف مع السيناريوهات التي تتطلب متطلبات صارمة من حيث حجم المساحة مثل المكونات ذات الهياكل الرقيقة والأغلفة الدقيقة لمكونات الإلكترونيات الدقيقة.

باعتبار أخذ 10 غرامات من ورقة الألياف الكربونية المشربة و15 غراماً من ورقة الألياف الكربونية المشربة كأمثلة، فإن كلا النموذجين يحافظان على خصائصهما فائقة الرقة: حيث يركّز النموذج ذو 10 غرامات على "الخفة القصوى" وهو مناسب لأجزاء الطائرات الفضائية الحساسة للوزن، وأجسام الطائرات المُسيرة، إلخ؛ أما النموذج ذو 15 غراماً فيوازن بين الثبات الهيكلي والتصميم الخفيف الوزن، ويمكن استخدامه لأغطية حزم بطاريات المركبات الجديدة والمعدات الرياضية الراقية، وغيرها، لتلبية احتياجات الاستخدام التي تجمع بين "الخفة وعدم الضعف" في سيناريوهات مختلفة. وفي الوقت نفسه، يتبع المنتج بدقة معيار كثافة ورقة الألياف الكربونية فائقة الرقة بحيث لا تقل عن 5%، مما يضمن توزيعاً متجانساً للألياف والراتنج مع الحفاظ على خفة الوزن، ويتجنب التقلبات في الأداء الناتجة عن نقص الكثافة.

2. هيكل أحادي الاتجاه يعزز الأداء، لتحقيق قفزة في الأداء بمستوى شدة 24T

باعتبارها المنتج الأساسي في عائلة راتنج الألياف الكربونية أحادية الاتجاه، فإن هذا الراتنج شديد الرقة يتبنى تصميم ترتيب ألياف أحادي الاتجاه، مع اتساق في اتجاه الألياف يزيد عن 99%، مما يمكن من تحسين الخواص الميكانيكية المحورية للألياف الكربونية إلى أقصى حد. وفي هذا السياق، يُبرز راتنج الألياف الكربونية أحادية الاتجاه 24T ميزته القصوى من حيث القوة — حيث يشير 24T إلى درجة مقاومة الشد للألياف الكربونية. ويُظهر هذا الطراز أداءً ممتازًا في الاختبارات الميكانيكية الأساسية من خلال تحسين تقنية نسج الألياف وصيغة الراتنج: بالمقارنة مع راتنج الألياف الكربونية أحادية الاتجاه العادي، فإن مقاومة الشد عند 0° تزداد بنسبة 50%، ومعامل الشد عند 0° يزداد بنسبة 16%.

يعني هذا التقدم الأداءي أن المكونات المصنعة باستخدام ألياف الكربون الحرارية أحادية الاتجاه 24T يمكنها تحمل إجهادات وحمل محوري أكبر مع تقليل استهلاك المواد تحت نفس التصميم الهيكلي؛ كما يمكن للنماذج منخفضة الكثافة مثل 10 غرام و15 غرام تحقيق تقدم في المتطلبات المزدوجة "عالية القوة + خفيفة الوزن". على سبيل المثال، في مجال الفضاء الجوي، يمكن لتلسكوبات الأقمار الصناعية المصنوعة منها تقليل وزنها الذاتي بنسبة 15٪ - 20٪، مع ضمان الاستقرار الهيكلي أثناء التشغيل المداري وتقليل تكاليف الإطلاق.

3. مقاومة كبيرة للتشققات وتمديد عمر الخدمة للمواد المركبة

يُعتبر التخفيف سمة أساسية أخرى لهذا الراتنج المسبق التشرب بالألياف الكربونية فائق الرقة، وهو ما يؤدي مباشرةً إلى قفزة في مقاومة التشقق للمواد المركبة. فعلى عكس الراتنج المسبق التقليدي العادي الذي يميل بسبب سماكته الكبيرة إلى تكوّن تشققات دقيقة داخلية ناتجة عن انكماش الراتنج وتركيز الإجهادات أثناء عملية التشكيل، فإن حدوث تشققات في هذه الحالة يمكن أن ينتشر بسرعة في المواد ذات الطبقات السميكة، مما يؤثر في النهاية على عمر المكون الافتراضي؛ أما الراتنج المسبق فائق الرقة فقد تم تصميمه بطبقة رقيقة للتحكم في سماكة المادة على مستوى الميكرومتر، مما يؤدي إلى واجهة أكثر إحكاما بين الألياف والراتنج وتوزيعًا أكثر انتظامًا للإجهادات.

أظهرت الاختبارات الفعلية أن المادة المركبة المحضرة باستخدام هذه الطبقة القماشية شبه الجاهزة فائقة الرقة تتمتع بتحسين يزيد عن 40٪ في مقاومة بدء التشقق مقارنةً بالمواد المركبة العادية شبه الجاهزة، ولها ميزة أداء أكبر في كبح انتشار التشققات. عندما تتعرض المادة لتأثير خارجي وتُنتج تشققات صغيرة، فإن البنية ذات الطبقات الفائقة الرقة يمكنها منع التشقق بشكل فعال من التطور إلى عمق أعمق. وفي الوقت نفسه، يمكن للتأثير التآزري بين الراتنج والألياف امتصاص جزء من طاقة التأثير، مما يمنع توسع التشقق أكثر. تجعل هذه الميزة منها قيمة كبيرة في مكونات مثل شفرات توربينات الرياح وخزانات تخزين الغاز عالية الضغط التي يمكنها تحمل الأحمال الديناميكية لفترات طويلة، مما يمدّد بشكل كبير دورات الصيانة وأعمار الخدمة للمنتج.

4. مرونة تصميم عالية وانخفاض في التكرار لتلبية الاحتياجات المخصصة

مقارنةً بقيود الإنتاج القياسي وسيناريوهات التكيف المحدودة للمنتجات الأولية العادية، فإن هذا المنتج الأولي من ألياف الكربون فائق الرقة يتمتع بقدرات تصميم أقوى. من ناحية، يغطي المنتج مواصفات مختلفة لوزن الألياف لكل وحدة مساحة مثل 10 غرام و15 غرام، ويُطابَق مع ألياف كربونية أحادية الاتجاه بمستويات قوة مختلفة مثل 24T. ويمكن تعديل محتوى الراتنج (القيمة المرجعية 50% يمكن تخصيصها ضمن نطاق ±5%) واتجاه الألياف (يدعم الاتجاه الأحادي، والاتجاه ثنائي الاتجاه وترتيبات أخرى) وفقًا لمتطلبات العملاء، بما يتناسب مع احتياجات تصنيع متنوعة تمتد من المكونات الإلكترونية الدقيقة إلى المكونات الهيكلية الكبيرة؛ ومن ناحية أخرى، يتبع المنتج بدقة المعيار القائل بأن "درجة تشابه المنتجات تحت نفس الفئة لا ينبغي أن تتجاوز 70%". ومن خلال معايير عملية وتصميم صيغ مختلفة، فإنه يتفادى المنافسة المتجانسة مع المنتجات المماثلة، ويوفر للعملاء حلول مواد أكثر تميزًا.

على سبيل المثال، في مجال المعدات الطبية عالية الجودة، يحتاج العملاء إلى تخصيص مكونات هيكلية خفيفة الوزن وقوية وقابلة للتوافق الحيوي لأذرع الروبوتات الجراحية. يمكن لهذا الراتنج المسبق التصلب من ألياف الكربون فائقة النحافة أن يوفر نموذجًا أحادي الاتجاه بكثافة سطحية تبلغ 15 جرامًا/المتر المربع وقوة 24T، مقترنًا براتنج طبي، لتلبية احتياجات التخصيص الخاصة بـ"الوزن الخفيف، والصلابة الكافية، وعدم إطلاق مواد ضارة"؛ وفي مجال مركبات الطاقة الجديدة، استجابةً لطلب تخفيف وزن حزم البطاريات، يمكن دمج النماذج فائقة النحافة التي تزن 10 جرامات لكل متر مربع مع قواعد معدنية لتقليل وزن حزم البطاريات مع تحسين مقاومتها للصدمات من خلال مقاومة التشققات، مما يضمن سلامة القيادة.

5. قابلية عملية قوية وتوافق مع تقنيات التشكيل الشائعة للمواد المركبة

على الرغم من مزاياه الأداء العالية، فإن هذا الشريط المسبق التشرب بالألياف الكربونية فائق الرقة يحافظ على تكيف ممتاز مع العمليات الصناعية، وهو متوافق مع عمليات تصنيع المواد المركبة الشائعة مثل صب القوالب بالضغط الساخن، والتشكيل بالضغط، وصب التمديد الآلي، دون الحاجة إلى تعديل معدات الإنتاج من قبل العملاء. أثناء عملية صب القوالب بالضغط الساخن، يمكن لهيكل الطبقة فائقة الرقة أن يسرّع تدفق الراتنج ويُخرج الهواء، ويقلل من فقاعات الهواء المتبقية، ويحسّن جودة تشكيل المواد المركبة؛ وفي عملية التمديد الآلي للخيوط، فإن الكثافة السطحية المنخفضة تجعل من السهل التصاق الشريط المسبق التشرب بالأسطح المنحنية المعقدة، مما يقلل من خطر تجعد الطبقات، ما يجعله مناسبًا بشكل خاص للإنتاج الآلي للمكونات ذات الهياكل المعقدة في صناعة الفضاء الجوي.

في الوقت نفسه، تم تحسين تخزين المنتج وقابلية استخدامه أيضًا - حيث يمكن تخزينه لأكثر من 6 أشهر في بيئة بدرجة حرارة -18 ℃ باستخدام عبوة مفرغة الهواء، ويمكن استخدامه دون الحاجة إلى إعادة تسخين لفترة طويلة بعد إزالته، مما يقلل من وقت انتظار الإنتاج؛ بالمقارنة مع المواد الأولية شبه المصنعة العادية، فإن أليافه أقل عرضة للتلف أو التشقق أثناء عملية القص، مما يمكن أن يقلل من معدلات الهدر ويتيح التحكم أكثر في تكاليف الإنتاج.