أنابيب وألواح وأجزاء مخصصة دقيقة من ألياف الكربون | ويهاي دوشي

التصنيف الأساسي: تصنيف دقيق بناءً على سيناريوهات التطبيق وأشكال المنتجات

تتميز منتجات الألياف الكربونية بتنوّع واسع في الفئات، ويمكن تقسيمها إلى أربع فئات رئيسية استنادًا إلى مجالات الاستخدام وأشكال المنتجات وأنواع الركائز. وتركز كل فئة من هذه المنتجات على احتياجات مختلفة، مع التحكم الصارم في معدل التكرار ليكون أقل من 50%، مما يحقق تغطية شاملة لعدة صناعات.

1. حسب مجال الاستخدام: التقسيم القائم على السيناريوهات لمجالات التصنيع المتقدمة

يُعد مجال الاستخدام البُعد التصنيفي الأكثر جوهرية بالنسبة لمنتجات الألياف الكربونية، حيث أدّت متطلبات الأداء المختلفة في الصناعات المتنوعة إلى ظهور منتجات متخصصة بأشكال مختلفة. وتستأثر أربع مجالات رئيسية منها بأكثر من 80% من الحصة السوقية:

• منتجات الألياف الكربونية للطيران والفضاء: تتميز هذه المنتجات بالمتطلبات الأساسية من "أداء قصوى + موثوقية عالية"، وتشمل بشكل رئيسي المكونات الهيكلية لهيكل الطائرة، وجلود الأجنحة، والزعانف الذيلية، وغلاف المحركات، إلخ. كما تُستخدم بعض المنتجات عالية الجودة أيضًا في أجسام الصواريخ ودعامات الأقمار الصناعية. ويتم تصنيع المنتج من ألياف كربونية عالية الوطأة (أكثر من 40T) ومادة لاصقة مقاومة للحرارة، وتبلغ مقاومته الشد أكثر من 2800 ميجا باسكال، ويجب أن يحمل شهادة جودة تُعادل المستوى الفضائي (مثل AS9100). على سبيل المثال، تستخدم طائرة بوينغ 787 منتجات من ألياف الكربون تمثل 50٪ من وزن الهيكل، مما يزيد كفاءة استهلاك الوقود بنسبة 20٪؛ ويستخدم جسم صاروخ فالكون 9 من سبيس إكس غلافًا مركبًا من ألياف الكربون، وهو أخف بنسبة 40٪ من الغلاف المصنوع من سبائك الألومنيوم.
• منتجات ألياف الكربون للمركبات الكهربائية الجديدة: تركز على "الخفّة + السلامة"، وتشمل بشكل رئيسي هياكل الجسم، أغطية حزمة البطارية، مكونات الهيكل السفلي، تزيينات الداخل، إلخ. يُصنع هيكل السيارة من مادة مركبة مصنوعة من ألياف الكربون المنسوجة (3K-12K)، وتتميز بصلابة الالتواء التي تزيد عن 40000 نيوتن·م/درجة، وهي أخف بنسبة 30٪ - 50٪ مقارنة بهيكل الفولاذ التقليدي؛ ويستخدم غطاء حزمة البطارية منتجات ألياف كربون مقاومة للحريق، والتي تجمع بين مقاومة التصادم ومقاومة الحريق، ويمكنها اجتياز اختبارات السلامة مثل الثقب بالإبرة والضغط. وقد استخدمت شركات سيارات فاخرة مثل تسلا ونيو هذه المواد على نطاق واسع، حيث يحسّن جناح ألياف الكربون الخلفي في طراز Model S Plaid من ثبات السيارة عند السرعات العالية بنسبة 15٪.
• منتجات ألياف الكربون لمعدات الرياضة: مع التركيز على "الخفة + المتانة العالية"، تغطي منتجات مثل عصي الغولف، وصنارات الصيد، ومضارب التنس، والتزلج، وإطارات الدراجات، إلخ. غالبًا ما تستخدم هذه الفئة من المنتجات حزم ألياف كربونية صغيرة بسعة 1K-3K، وتتميز بنسيج دقيق وخصائص ميكانيكية متوازنة، ويمكن تحسينها في التصميم وفقًا لسياقات الاستخدام الرياضي – على سبيل المثال، يتم تعزيز جذع عصا الغولف بألياف كربونية أحادية الاتجاه، مما يزيد من قوة الانفجار عند الضرب بنسبة 10٪؛ أما صنارة الصيد فتستخدم طبقات كربونية متدرجة، لتحقيق توازن بين القوة والمرونة، ويمكنها تحمل قوة سحب تزيد عن 10 كجم على جسم السمكة.
• منتجات الألياف الكربونية المستخدمة في القطاعات الصناعية والبنية التحتية: مُعدّة لتلبية احتياجات "التحمل + الاقتصاد"، وتشمل شفرات توربينات الرياح، والحاويات المضغوطة، والأنابيب، ولوحات التقوية في المباني، وأذرع الروبوتات الصناعية، إلخ. تُصنع شفرات توربينات الرياح من حزم ألياف كربونية كبيرة (أكثر من 48K) من منتجات الألياف الكربونية، حيث يتجاوز طول الشفرة الواحدة بقدرة 10 ميغاواط 80 متراً، وتكون خفيفة بنسبة 25٪ مقارنة بشفرات الألياف الزجاجية؛ أما لوحة التقوية في المباني فتستخدم قماش الألياف الكربونية مع راتنج الإيبوكسي كمادة مركبة، ما يزيد من قدرة التحمل في المباني القديمة بأكثر من 30٪، كما أن تنفيذها سهل ويقلل فترة الإنشاء بنسبة 50٪.

2. وفقًا للشكل المنتج: تغطية كاملة للسلسلة من المقاطع الأساسية إلى المكونات الهيكلية المعقدة

وفقًا للشكل الذي يتم تشكيله به، يمكن تقسيم منتجات الألياف الكربونية إلى خمس فئات أساسية، مشكلةً بذلك سلسلة صناعية كاملة تمتد من معالجة المواد الخام إلى التطبيقات النهائية:

• لوحة الألياف الكربونية: واحدة من أكثر الملامح الأساسية، وتُقسَم إلى لوح صلب ولوح عسلي، وبسمك يتراوح بين 0.5 مم و50 مم، ويمكن تخصيصها بمقاسات مختلفة وقوام سطحي متنوع. تُستخدم الألواح الصلبة في أغلفة المعدات واللوحات الداخلية؛ وتتميز الألواح العسلية بأنها خفيفة الوزن وعالية القوة، وكثافتها لا تتجاوز 0.3 غ/سم³، وتُستخدم في أجزاء داخلية للطائرات الفضائية وألواح بطن شفرات توربينات الرياح. على سبيل المثال، يُصنع سقف كابينة الطائرة من ألواح كربونية عسلية، وهي أخف بنسبة 60٪ من الألواح المصنوعة من سبائك الألومنيوم.
• أنبوب ألياف الكربون: تنقسم إلى أنابيب دائرية، وأنابيب مربعة، وأنابيب غير منتظمة الشكل، بقطر يتراوح بين 3 مم و500 مم، وتُصنع باستخدام عملية اللف أو البثق. تُستخدم الأنابيب الدائرية في صناعة قضبان الصيد، وأعمدة الأعلام، ودعامات الخيم؛ وتُستخدم الأنابيب المربعة في هياكل دراجات هوائية وهياكل دعم المعدات؛ أما الأنابيب غير المنتظمة فمناسبة للمواقف الخاصة، مثل أغطية عزل أنابيب العادم في السيارات. ويتميز الأنبوب الكربوني الليفي الذي يُصنع بتقنية اللف بمقاومة محيطية تصل إلى 1500 ميجا باسكال، وهو ما يفوق بكثير مقاومة الأنبوب الفولاذي.
• مكونات هيكلية كربونية الليف على شكل خاص مخصص للأسطح المنحنية المعقدة أو متطلبات الأشكال الخاصة، مثل غلاف محركات الطائرات، ألواح أبواب السيارات الداخلية، والأذرع الروبوتية المفصلية، إلخ. يحتاج هذا النوع من المنتجات إلى التشكيل باستخدام قوالب، مع خطأ في دقة الأبعاد لا يزيد عن ±0.2 مم، ويتطلب تصميمًا لتراكب ألياف الكربون متعدد الاتجاهات لضمان توزيع متساوٍ للقوى. على سبيل المثال، بعد استخدام أجزاء مصنوعة من ألياف الكربون بشكل خاص للوحة باب السيارة الداخلية، تم تقليل الوزن بنسبة 45%، بينما تحسنت مقاومة التصادم بنسبة 30%.
• منتجات نسيج ألياف الكربون: مصنوعة من نسيج ألياف الكربون المنسوج كمادة أساسية، ثم تُقطع وتُشكل، مثل سترات مضادة للرصاص، وأقمشة زخرفية، ومواد تصفية، إلخ. تُصنع السترة المضادة للرصاص من نسيج منسوج بخيوط 1K، ويمكن أن تصل درجة الحماية من الرصاص إلى المستوى NIJ III؛ أما الأقمشة الزخرفية فتُصنع بأنماط مثل كرة القدم والأنماط المعيّنة بتقنية الجاكوارد، وتُستخدم في الأثاث الفاخر وتجهيزات السيارات الداخلية.
• الملف الشخصي المركب لألياف الكربون: نوع جديد من المنتجات الناتجة عن مركبات مع مواد مثل المعادن والسيراميك، مثل أنابيب سبائك الألومنيوم المركبة بألياف الكربون وأقراص الفرامل الخزفية بألياف الكربون. تحافظ أقراص الفرامل الخزفية بألياف الكربون على معامل احتكاك مستقر عند درجات الحرارة العالية وتُستخدم في أنظمة الفرامل للسيارات الرياضية والطائرات. وتمتد فترة عمرها الافتراضي إلى خمس مرات أكثر من أقراص الفرامل المعدنية.

3. التكيف التمايزي لأداء أنظمة مركبة مختلفة بناءً على نوع المادة الأساسية

وفقًا لمادة المصفوفة المركبة، يمكن تقسيم منتجات ألياف الكربون إلى ثلاث أنظمة رئيسية لتلبية متطلبات الأداء المختلفة:

• منتجات ألياف الكربون القائمة على الراتنج: الفئة الأكثر شيوعًا، وتشكل أكثر من 85٪، وتستند إلى راتنجات الإيبوكسي والفينوليك والراتنجات الحرارية البلاستيكية. تتميز المنتجات القائمة على راتنجات الإيبوكسي بخصائص ميكانيكية متوازنة وتُستخدم في صناعات الفضاء والتجهيزات الرياضية؛ والمنتجات القائمة على راتنجات الفينوليك تمتلك قابلية ممتازة على مقاومة اللهب وتُستخدم في النقل الحديدي والمكونات المقاومة للحريق؛ أما المنتجات القائمة على الراتنجات الحرارية البلاستيكية فهي قابلة لإعادة التدوير وتُستخدم في أغلفة السيارات والأجهزة الإلكترونية.
• المنتجات المصنوعة من ألياف الكربون القائمة على المعادن: مزيج مع معادن مثل الألومنيوم والتيتانيوم والنحاس، ويجمع بين خفة ألياف الكربون والتوصيل الكهربائي والحراري للمعادن، ويُستخدم في مكونات تبديد الحرارة للأجهزة الإلكترونية والمكونات الهيكلية الموصلة في مجال الفضاء والطيران. على سبيل المثال، فإن مشتتات الحرارة المصنوعة من مركب ألياف الكربون والألومنيوم تحقق كفاءة تبديد حراري أعلى بنسبة 40٪ مقارنةً بمشتتات الألومنيوم البحت.
• المنتجات المصنوعة من ألياف الكربون القائمة على السيراميك: تعتمد على السيراميك، ولديها مقاومة ممتازة للحرارة العالية ويمكن استخدامها لفترات طويلة في درجات حرارة تزيد عن 1000 ℃. وتُستخدم في شفرات توربينات محركات الطائرات وفي بطانات الأفران الصناعية. ويتميز هذا النوع من المنتجات بتكاليف عالية، ويُستخدم بشكل رئيسي في التطبيقات المتقدمة التي تتطلب درجات حرارة عالية.

4. فئات مشتقة مخصصة لسيناريوهات خاصة بناءً على الخصائص الوظيفية

استجابةً للبيئات القاسية أو الاحتياجات الخاصة، طوّرت منتجات ألياف الكربون عدة فئات وظيفية فرعية، مما يوسع حدود تطبيقاتها:

• منتجات ألياف كربون مقاومة للحرارة العالية: مصنوعة من راتنجات البولي إيميد أو مصفوفة سيراميكية، مع درجة حرارة استخدام طويلة الأمد تتراوح بين 150-1000 ℃، ومعدل احتفاظ بالخصائص الميكانيكية يزيد عن 85% عند درجات الحرارة العالية، وتُستخدم في مكونات محركات الطائرات والأبنية الصناعية للأفران.
• منتجات ألياف كربون مقاومة للاشتعال: مضاف إليها مثبطات لهب خالية من الهالوجين، وتصل أداء مقاومة اللهب إلى مستوى UL94 V0، وتملك كثافة دخان منخفضة عند الاحتراق. تُستخدم في الأجزاء الداخلية لعربات النقل بالسكك الحديدية ومكونات المباني المقاومة للحريق.
• منتجات الألياف الكربونية الموصلة: من خلال إضافة أنابيب نانو كربونية أو استخدام مركبات قائمة على المعادن، تكون مقاومة السطح ≤ 10⁴ Ω، وتُستخدم في أغلفة التدريع الكهرومغناطيسي وأرضيات مضادة للكهرباء الساكنة.
• منتجات الألياف الكربونية المقاومة للتآكل: تستخدم مصفوفة راتنج مقاومة للأحماض والقلويات، ويمكنها مقاومة التآكل الناتج عن مياه البحر والوسائط الكيميائية، وتُستخدم في هياكل المنصات البحرية والأنابيب الكيميائية.

الميزة الأساسية: ستة خصائص أساسية لإعادة تشكيل قيمة صناعة التصنيع

السبب وراء أصبحت منتجات ألياف الكربون "ناقل المادة الأساسي" للتصنيع عالي المستوى هو المزايا الشاملة في الخصائص الميكانيكية، والوزن الخفيف، والقدرة على التكيف مع الظروف البيئية، وأبعاد أخرى تُسهم معًا في بناء مكانتها السوقية التي لا يمكن الاستغناء عنها.

1. مزايا خفة الوزن القصوى والمتانة العالية

التوازن بين الخفة والمتانة العالية هو الجاذبية التنافسية الأساسية لمنتجات ألياف الكربون. حيث تبلغ كثافتها فقط 1.7-2.0 غرام/سم³، أي ما يعادل ربع إلى خمس كثافة الفولاذ وثلثي سبائك الألومنيوم. ويمكن أن تصل قوة الشد لديها إلى 1500-3000 ميجا باسكال، أي ما يعادل 5 إلى 10 أضعاف قوة الفولاذ، كما أن قوتها النوعية (الشدة/الكثافة) تفوق بكثير المواد التقليدية. في صناعة الطيران والفضاء، يمكن للطائرات بعد استخدام منتجات ألياف الكربون أن تقلل وزن الهيكل بنسبة 30٪ - 50٪، وتحسن كفاءة استهلاك الوقود بنسبة 15٪ - 20٪. وتستطيع طائرة البوينغ 787 توفير نحو 12 مليون دولار أمريكي سنويًا من تكاليف الوقود لكل طائرة بفضل الاستخدام الواسع لمنتجات ألياف الكربون؛ وفي صناعة السيارات، يقلل هيكل السيارة المصنوع من ألياف الكربون الوزن الكلي للمركبة بنسبة 40٪، ويُقصر زمن التسارع لكل 100 كيلومتر بـ 1-2 ثانية، ويقلل استهلاك الوقود بنسبة تزيد على 15٪؛ وفي مجال طاقة الرياح، يؤدي استخدام منتجات ألياف الكربون في شفرات توربينات الرياح ذات السعة 10 ميجاواط إلى تقليل الوزن بنسبة 25٪ وزيادة كفاءة توليد الكهرباء بنسبة 5٪ - 8٪.

2. مقاومة ممتازة للتآكل والمتانة

تتمتع منتجات الألياف الكربونية بمقاومة ممتازة للتآكل، حيث تبلغ نسبة الاحتفاظ بقوة التحمل 85٪ - 90٪ تحت دورة الأحمال الديناميكية، وهي أعلى بكثير من نسبة 50٪ - 60٪ للصلب. في مجال طاقة الرياح، تحتاج شفرات توربينات الرياح إلى تحمل دورة أحمال الرياح لأكثر من 20 عامًا. وبعد استخدام منتجات الألياف الكربونية، يتم تقليل خطر الفشل الناتج عن التعب بنسبة 70٪؛ وفي المجال الجوي، يجب أن تتحمل مكونات جسم الطائرة أحمال اهتزاز ناتجة عن عشرات الآلاف من عمليات الإقلاع والهبوط، ويمكن لمقاومة التعب في منتجات الألياف الكربونية أن تمدد عمر المكونات إلى أكثر من 25 عامًا. بالإضافة إلى ذلك، تتميز منتجات الألياف الكربونية أيضًا بمقاومة ممتازة للعوامل الجوية، حيث يمكن أن يصل عمرها الافتراضي إلى 15-20 عامًا في البيئات الخارجية مثل التعرض لأشعة الشمس والرطوبة ورذاذ الملح، وهو أطول بنسبة تزيد على 50٪ مقارنةً بالمواد المعدنية التقليدية. وبعد اعتماد خطوط الأنابيب المصنوعة من الألياف الكربونية في المنصات البحرية، يمكن تفادي الاستبدال المتكرر الناتج عن تآكل مياه البحر، وتقليل تكاليف الصيانة بنسبة 60٪.

3. تصميم عالي المرونة وقدرات تخصيص

يمكن للمنتجات المصنوعة من ألياف الكربون تحقيق تصميم مخصص في جميع الأبعاد، مما يتيح التكيف التام مع الاحتياجات الشخصية في مختلف السيناريوهات. من حيث الشكل، يمكن إنتاج أي شكل معقد وفقًا للقالب، بدءًا من اللوحات والأنابيب البسيطة وصولاً إلى هياكل غير منتظمة مثل غلاف محرك الطائرة، وكلها يمكن تشكيلها بدقة مع خطأ في الدقة الأبعادية لا يزيد عن ±0.2 مم. من حيث الأداء، يمكن تحسين الخصائص مثل القوة، والمرونة، ومقاومة درجات الحرارة وغيرها من خلال تعديل مواصفات حزمة ألياف الكربون (من 1K إلى 60K)، واتجاه الطبقات (0°، 90°، ±45°)، ونوع المصفوفة وغيرها من المعايير. على سبيل المثال، يحقق جذع عصا الجولف توازنًا بين "قوة عالية في الرأس ومرونة عالية في الذيل" من خلال تصميم طبقات متدرجة؛ ومن حيث المظهر، يمكن إنشاء أنسجة وألوان مختلفة من خلال تقنيات النسج والعلاجات السطحية، مثل استخدام ألواح زينة من ألياف الكربون بنقش جاكار في داخل السيارات لتعزيز القيمة الفاخرة للمنتج.

4. تكيف ممتاز في العملية وكفاءة في التشكيل

تُعد منتجات ألياف الكربون متوافقة مع عمليات تشكيل متعددة، مما يلبي احتياجات مختلفة تتراوح بين التخصيص القطعي إلى الإنتاج الضخم. بالنسبة للمنتجات القياسية مثل الصفائح والأنابيب، يمكن استخدام عمليات البثق واللف لإنتاج واسع النطاق. ويمكن أن تصل سرعة البثق إلى 5-10 أمتار/دقيقة، ويُمكن أن تتجاوز كمية الإنتاج اليومي لخط إنتاج واحد 1000 متر؛ أما بالنسبة للأجزاء ذات الأشكال المعقدة (مثل المكونات الهيكلية للطائرات وأبواب السيارات)، فيمكن استخدام أفران الضغط الساخن وعمليات التشكيل، حيث تبلغ دورة التشكيل 20-60 دقيقة فقط، وهي مناسبة للإنتاج السريع في صناعة تصنيع السيارات؛ وبالنسبة للأجزاء المخصصة بإنتاج صغير الحجم (مثل معدات رياضية فاخرة)، يمكن استخدام تقنية التشكيل بالكيس الفراغي، والتي تتميز بتكلفة أقل وجودة تشكيل مستقرة. بالإضافة إلى ذلك، فإن معدل الفاقد أثناء معالجة منتجات ألياف الكربون لا يتعدى 5٪ - 8٪، وهو أقل بكثير من نسبة 15٪ - 20٪ في عمليات المعالجة المعدنية التقليدية، مما يقلل بشكل كبير من هدر المواد.

5. قابلية التوسع الوظيفي المتنوعة

بالإضافة إلى الخصائص الميكانيكية الأساسية، يمكن للمنتجات المصنوعة من ألياف الكربون أن تحقق خصائص وظيفية متنوعة وتُوسّع حدود التطبيقات من خلال التعديلات المركبة. من حيث التدريع الكهرومغناطيسي، يمكن للمنتجات الموصلة من ألياف الكربون أن تحجب أكثر من 99% من الإشعاع الكهرومغناطيسي، وتُستخدم في معدات عسكرية وأغلفة محطات 5G؛ ومن حيث التوصيل الحراري والتبديد، فإن المنتجات المركبة من ألياف الكربون والمعادن تمتلك معامل توصيل حراري يصل إلى 150 واط/(م·ك)، وتُستخدم كمشتتات حرارية لوحدات المعالجة المركزية في الأجهزة الإلكترونية؛ ومن حيث امتصاص الاهتزازات، فإن معدل امتصاص الاهتزازات في منتجات ألياف الكربون يفوق ذلك في الفولاذ بأكثر من 10 مرات، مما يقلل من الضوضاء وعوامل التآكل في شاسيهات السيارات وأدوات الآلات الصناعية؛ ومن حيث نفاذية أشعة إكس، يمكن استخدام منتجات ألياف الكربون كألواح حماية من الإشعاع في المعدات الطبية، حيث توازن بين الحماية والوزن الخفيف.

6. ميزة التكلفة طويلة الأجل لدورة الحياة الكاملة

على الرغم من أن تكلفة الشراء الأولية لمنتجات ألياف الكربون مرتفعة نسبيًا (حوالي 10 إلى 20 ضعف تكلفة الفولاذ)، فإن ميزة التكلفة طوال دورة الحياة الكاملة تكون كبيرة. في مجال النقل بالسكك الحديدية، يمكن استخدام مكونات العجلات المصنوعة من ألياف الكربون لتقليل وزن عربة واحدة بأكثر من 250 كجم، وتوفير حوالي 42000 كيلوواط ساعة من الكهرباء لكل قطار سنويًا، وتقليل التكلفة الإجمالية بنسبة 30٪ على مدى دورة حياة مدتها 10 سنوات؛ وفي مجال المعدات الصناعية، يمكن لمقاومة ألياف الكربون للتآكل أن تمدد دورة الصيانة من سنة واحدة إلى خمس سنوات، وتقلل من وقت توقف التشغيل للصيانة بنسبة 40٪، وترفع كفاءة الإنتاج بنسبة 15٪؛ وفي صناعة الطيران والفضاء، يمكن للتخفيف الوزني لمنتجات ألياف الكربون أن يقلل من استهلاك الوقود وتكاليف النقل. ويمكن لطائرة بوينج 787 استرداد تكلفة ارتفاع سعر المادة خلال 5 سنوات بفضل التوفير في استهلاك الوقود الناتج عن تقليل الوزن. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إعادة تدوير منتجات ألياف الكربون الحرارية البلاستيكية واستخدامها مجددًا، مع معدل احتفاظ بالأداء يزيد عن 70٪ للمواد المعاد تدويرها، مما يقلل بشكل أكبر من تكاليف المواد الخام.

نقطة البيع في العملية: التحكم الدقيق وزيادة القيمة من المواد الخام إلى المنتجات النهائية

يتمثل تميز منتجات ألياف الكربون في عمليات الإنتاج الدقيقة والتحكم الشامل في الجودة طوال المراحل. لا يضمن نظام هذه العمليات فقط اتساق المنتج، بل ويحقق توازنًا مثاليًا بين الأداء والتكلفة، ما يجعله دعامة أساسية للقدرة التنافسية ضمن الفئة.

1. عملية التشكيل الأساسية: نظام تقني متنوع يتكيف مع جميع الفئات

تُختار عملية تشكيل منتجات ألياف الكربون بشكل مرن بناءً على شكل المنتج ومتطلبات الأداء، وتغطي أربع عمليات رئيسية أكثر من 90% من فئات المنتجات:

• عملية التشكيل بالبثق: تُستخدم بشكل رئيسي في إنتاج المقاطع الخطية مثل اللوح والأنابيب. حيث يتم سحب طبقة الفحم الليفية/القماش المستمرة إلى خزان الراتنج لتشبعها من خلال جهاز شد، ثم تُصلب بالتسخين داخل القالب لتتخذ الشكل المطلوب. تتميّز هذه العملية بكفاءة إنتاج عالية جداً، حيث تصل سرعة الخط إلى 5-15 متر/دقيقة، مع أداء منتج موحد. ودقة التحكم في محتوى الراتنج تصل إلى ±1٪، مما يجعلها مناسبة للإنتاج الضخم. على سبيل المثال، في خط إنتاج أنابيب الألياف الكربونية، يمكن أن تصل كمية الإنتاج اليومية لخط واحد إلى 2000 متر، بينما لا يتجاوز خطأ الاستقامة للمنتج 0.5 مم/متر.
• عملية التشكيل باللف: تُستخدم في إنتاج المنتجات الأسطوانية أو الدوارة (مثل أوعية الضغط، والأنابيب، وأغلفة الصواريخ)، حيث يتم لف راتنج ألياف الكربون حول قالب نواة بزاوية محددة مسبقًا بواسطة آلة اللف، ثم تسخينه وتصلبه. يمكن التحكم بدقة في زاوية اللف (0° - 90°)، مما يسمح للمنتج بتكوين توزيع قوة مثالي في الاتجاهين المحوري والمحيطي. على سبيل المثال، بعد استخدام تقنية اللف الحلزوني، يمكن أن يصل ضغط انفجار أسطوانات الغاز عالية الضغط إلى أكثر من 80 ميجا باسكال، وهو أعلى بكثير من أسطوانات الغاز المعدنية التقليدية.
• عملية صب بالضغط: مناسب للأجزاء ذات الأشكال المعقدة (مثل أجزاء المقصورة الداخلية للسيارات ومعدات الرياضة)، حيث يتم وضع مادة الكربون فايبر بريبريج في القالب وفقًا لمتطلبات التصفيح، ثم يتم التصلب بالتسخين (120-180 ℃) والضغط (0.5-1.5MPa). تتميز هذه العملية بدقة عالية في الأبعاد، مع خطأ لا يزيد عن ±0.2 مم، ويمكن تحقيق الإنتاج الضخم. وتتراوح دورة الإنتاج في الوضع الواحد بين 20 و60 دقيقة، ويتم إنتاج الجناح الخلفي من ألياف الكربون الخاص بشركة تسلا باستخدام هذه الطريقة.
• عملية التشكيل تحت الحرارة: تُستخدم في تصنيع المكونات الهيكلية المتقدمة في مجال الفضاء والطيران (مثل أجنحة الطائرات وأغلفة الهيكل العظمي)، حيث تُرصّ طبقات من مادة الكربون فايبر بريبريج داخل خزان مضغوط ساخن وتُصلب في بيئة حرارة وضغط عاليين (درجة الحرارة 150-200 ℃، والضغط 0.8-1.2MPa). تضمن هذه العملية انتقال الراتنج بشكل كامل داخل الألياف، وتقل نسبة العيوب الداخلية في المنتج إلى أقل من 0.3%، وتكون الخواص الميكانيكية مستقرة. وتستخدم طرازات الطائرات الرئيسية لدى شركتي بوينغ وإيرباص هذه العملية في إنتاج المكونات الهيكلية الأساسية.

2. نقاط التحكم الرئيسية في العملية: الروابط الخمسة الأساسية التي تحدد أداء المنتج

تعود استقرار جودة منتجات الألياف الكربونية إلى التحكم الدقيق في كامل عملية الإنتاج، حيث توجد خمسة روابط رئيسية تحدد مباشرةً أداء المنتج النهائي:

• فرز المواد الخام للألياف الكربونية: اختيار مواصفات حزمة الألياف الكربونية والدرجات المعيارية المناسبة بناءً على متطلبات أداء المنتج. بالنسبة للمنتجات الفضائية، يتم اختيار حزم صغيرة ذات معامل عالٍ بقيمة 40T أو أكثر (1K-6K)، وبالنسبة للمنتجات الصناعية، يتم اختيار حزم كبيرة بقيمة 24T أو أقل (48K أو أكثر)؛ وفي الوقت نفسه، يتم إجراء اختبارات صارمة على مؤشرات القوة، والمعامل، ومحتوى الكربون في الألياف الكربونية، ويُمنع بشكل قاطع استخدام المواد الخام غير المطابقة في الإنتاج.
• التحكم في تحضير المادة المسبقة التلدين: يؤثر محتوى الراتنج وتوحيد المواد المسبقة التشرب تأثيرًا مباشرًا على أداء المنتج. عند إعداده باستخدام طرق التشرب بالحرارة المنصهرة أو بالحل، يتم التحكم في محتوى الراتنج ليكون بين 30٪ و50٪ مع خطأ ±1٪؛ ويتم اعتماد معدات تشرب خاضعة للتحكم الحاسوبي لضمان تغطية راتنج موحدة لكل ألياف الكربون، وتجنب نقاط الأداء الضعيفة الناتجة عن نقص المادّة اللاصقة محليًا.
• تصميم وتنفيذ الطبقة: استنادًا إلى تحليل إجهاد المنتج، يتم تنفيذ تصميم الطبقات لتحديد اتجاه الألياف وعدد الطبقات والتسلسل. على سبيل المثال، تعتمد البنية المحملة طبقات متتالية بزاوية 0°/90°، بينما تعتمد البنية المقاومة للصدمات طبقات بزاوية ±45°؛ وتُستخدم عملية الطبقات آلة طلاء أوتوماتيكية بدقة ±0.1 مم لتجنب عدم انتظام الألياف الناتج عن الطبقات اليدوية.
• التحكم الدقيق في معايير التصلب: قم بتعيين درجة حرارة التصلب، والضغط، والزمن وفقًا لنوع الراتنج. تحتاج الراتنجات الحرارية إلى التحكم في معدل التسخين (2-5 ℃/دقيقة) لتجنب التسخين السريع وتكوّن الفقاعات؛ ويتم مراقبة درجة التصلب في الوقت الفعلي باستخدام تقنية التحليل الحراري التفاضلي (DSC) لضمان تصلب الراتنج بالكامل دون حدوث ظاهرة التصلب الزائد.
• المعالجة اللاحقة وفحص الجودة: يجب أن يخضع المنتج المُصلب لعمليات معالجة لاحقة مثل التقليم والتلميع لضمان الدقة الأبعادية ونعومة السطح؛ ويجب إجراء اختبارات لخصائص كل دفعة من المنتجات مثل مقاومة الشد، ومقاومة الانحناء، ومتانة الصدمة. وتُستخدم تقنيات الفحص غير الإتلافي مثل الفحص بالموجات فوق الصوتية والفحص بالأشعة السينية لتحديد العيوب الداخلية، وبمعدل كشف عن العيوب يصل إلى 99.9%.

3. اتجاه ابتكار العمليات: ثلاثة اتجاهات رئيسية لدفع ترقية الفئة

تواصل الصناعة تحسين أداء وفعالية تكلفة منتجات الألياف الكربونية من خلال الابتكار في العمليات، حيث تقود ثلاثة اتجاهات رئيسية للابتكار تطوير الفئة:

• الإنتاج الآلي والذكي: إدخال روبوتات صناعية، وفحص بصري بالذكاء الاصطناعي، وتكنولوجيا النموذج الرقمي لتحقيق أتمتة كاملة للعملية بدءًا من فحص المواد الخام، والتدرج، والتصلب، وحتى الفحص. على سبيل المثال، تكون سرعة آلة التفريغ الآلية أسرع بـ 10 مرات من التشغيل اليدوي، ويمكن لنظام الكشف بالذكاء الاصطناعي تحديد العيوب مثل عدم انتظام الألياف أو نقص الغراء في الوقت الفعلي، مما يقلل الخطأ في تجانس المنتج إلى ± 0.1 مم.
• بحث وتطوير العمليات منخفضة التكلفة: تطوير تقنية تشكيل ألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة، وعملية التشرب الخالية من المذيبات، ونظام الراتنج سريع العلاج للحد من تكاليف الإنتاج. إن سعر ألياف الكربون ذات الحزمة الكبيرة لا يزيد عن ثلث إلى خُمس سعر الحزمة الصغيرة، وتقل تكلفة شفرات توربينات الرياح المنتجة باستخدام الحزم الكبيرة بنسبة 40٪؛ كما أن الراتنج السريع العلاج يقلل دورة التشكيل إلى أقل من 10 دقائق، مما يحسن كفاءة الإنتاج.
• تطبيق عملية إعادة التدوير الخضراء: تعزيز تقنيات إعادة تدوير واستخدام منتجات ألياف الكربون الحرارية البلاستيكية، وتحقيق إعادة تدوير المواد الخام من خلال عمليات الإنصهار وإعادة التشكيل، مع تحقيق معدل إعادة تدوير يتجاوز 80٪؛ وتطوير عملية مركبة تجمع بين الراتنجات المستمدة من المصادر البيولوجية وألياف الكربون، لتقليل الاعتماد على المواد الخام المستمدة من النفط، وتقليل انبعاثات المركبات العضوية المتطايرة (VOC) بأكثر من 90٪، بما يتماشى مع اتجاه التصنيع الأخضر.