أنواع الألياف المستخدمة في المواد المركبة

الخصائص الهيكلية للمواد المركبة مستمدة بشكل أساسي من تقوية الألياف. في المواد المركبة، تساعد الألياف المثبتة في مكانها بواسطة راتينج المصفوفة على تعزيز قوة الشد، مما يعزز خصائص الجزء النهائي مثل القوة والصلابة، مع تقليل الوزن.

يتم تحديد خصائص الألياف من خلال عملية تصنيع الألياف بالإضافة إلى المكونات ومواد الطلاء الكيميائية المستخدمة في العملية.

الألياف الزجاجية

معظم الألياف المستخدمة في صناعة المواد المركبة هي ألياف زجاجية. الألياف الزجاجية هي أقدم مادة تقوية وأكثرها شيوعًا في معظم تطبيقات السوق النهائية (صناعة الطيران هي استثناء مهم)، حيث يتم استخدامها لاستبدال الأجزاء المعدنية الأثقل.

تعتبر الألياف الزجاجية أثقل من مادة التعزيز التالية الأكثر شيوعًا، وهي ألياف الكربون، وهي ليست بنفس الصلابة، ولكنها أكثر مقاومة للصدمات ولها استطالة أكبر عند الكسر (أي أنها تمتد إلى حد أكبر قبل الكسر). اعتمادًا على نوع الألياف الزجاجية، وقطر الفتيل، والتركيب الكيميائي للطلاء (يسمى "التحجيم") وشكل الألياف، يمكن تحقيق مجموعة واسعة من الخصائص ومستويات الأداء.

ولتصنيع الألياف الزجاجية، يتم صهر المادة الخام وسحبها إلى خيوط رفيعة عالية الطحن يتراوح قطرها من 3.5 ميكرون إلى 24 ميكرون. رمل السيليكا هو المادة الخام الرئيسية، وعادة ما يمثل أكثر من 50% من وزن الألياف الزجاجية. يمكن إضافة أكاسيد المعادن ومكونات أخرى إلى السيليكا، ويمكن تغيير طرق المعالجة لتخصيص الألياف لتطبيقات محددة.

يتم توفير الألياف الزجاجية المستمرة في حزم تسمى المتجولة. عادة ما يكون التجوال عبارة عن حزمة من الخيوط غير الملتوية التي يتم لفها مثل الخيط على بكرة كبيرة. يتكون التجوال ذو النهاية الواحدة من خيوط من ألياف زجاجية متعددة متواصلة تمتد على طول الشريط. تحتوي التجوالات المتعددة على خيوط أطول، ولكنها ليست متواصلة تمامًا، يتم إضافتها أو إسقاطها بترتيب متدرج أثناء اللف. الخيط عبارة عن مجموعة من الخيوط الملتوية معًا.

تمت تسمية الألياف الزجاجية الكهربائية، أو الألياف الزجاجية E، بهذا الاسم لأن تركيبتها الكيميائية تجعلها عازلًا كهربائيًا ممتازًا، ومناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب شفافية إشارة الراديو، مثل قبب الطائرات والهوائيات ولوحات الدوائر المطبوعة. ومع ذلك، فهي أيضًا الألياف الزجاجية الأكثر اقتصادية للمواد المركبة، حيث توفر قوة كافية بتكلفة منخفضة نسبيًا لتلبية متطلبات الأداء في العديد من التطبيقات. لقد أصبح الشكل القياسي للألياف الزجاجية، وهو ما يمثل أكثر من 90% من جميع مواد تقوية الألياف الزجاجية. يتكون ما لا يقل عن 50% من الألياف الزجاجية الإلكترونية من أكسيد السيليكون؛ تشمل البدلات أكاسيد الألومنيوم والبورون والكالسيوم و/أو المركبات الأخرى، بما في ذلك الحجر الجيري والفلوريت وحمض البوريك والطين.

وعندما تكون هناك حاجة إلى قوة أكبر، فإن الألياف الزجاجية عالية القوة، التي تم تطويرها لأول مرة للتطبيقات العسكرية في الستينيات، تعتبر خيارًا متاحًا. ولها عدة أسماء - الألياف الزجاجية S في الولايات المتحدة، والألياف الزجاجية R في أوروبا، والألياف الزجاجية T.2 في اليابان. الألياف الزجاجية، تبلغ قوة الشد حوالي 700 كيلو لكل بوصة مربعة، ومعامل الشد يصل إلى 14 مللي ثانية لكل بوصة مربعة. محتوى أكسيد السيليكون والألومينا وأكسيد المغنيسيوم في ألياف الزجاج S أعلى بكثير من محتوى ألياف الزجاج E، وهو أقوى بنسبة 40 ~ 70٪ من ألياف الزجاج E.

When the temperature is increased from ambient temperature to 540°C, the tensile strength of E-glass fiber and S-glass fiber is reduced by half, although both fibers still exhibit good strength over this elevated temperature range. Manufacturers constantly adjust the formula of S glass fiber. For example, AGY Holding Corp. (Aiken, SC, US) introduced S-3 UHM (Ultra High Modulus) glass fiber a few years ago. The upgraded S-3 glass fiber has a tensile modulus of 14,359, which is higher than S-glass fiber glass and 40% higher than E-glass, due to improved fiber manufacturing as well as proprietary additives and melt chemistry.

Although glass fibers have relatively high chemical resistance, they are eroded by leaching when exposed to water. For example, an E-glass filament with a diameter of 10 μs typically loses 0.7% of its weight when left in hot water for 24 hours. However, the rate of erosion slows significantly because the leached glass fibers form a protective barrier on the outside of the filaments; After 7 days of exposure, the total weight loss was only 0.9%. To slow down erosion, moisture-resistant adhesives, such as silane compounds, are used in the fiber manufacturing process.

Corrosion-resistant glass fibers, known as C glass fibers or E-CR glass fibers, are more resistant to acidic solutions than E glass fibers. However, E-glass fiber and S-glass fiber are more resistant to sodium carbonate solution (alkali) than C-glass fiber. Boron-free glass fibers are comparable in performance and price to e-glass, showing higher corrosion resistance in acidic environments (similar to E-CR glass fibers), higher elastic modulus, and better high-temperature performance. In addition, removing boron from the manufacturing process has less impact on the environment, which is a decisive advantage.

ألياف الكربون

هي الألياف الأكثر استخدامًا على نطاق واسع في التطبيقات عالية الأداء، ويتم إنتاجها من مجموعة متنوعة من السلائف، بما في ذلك البولي أكريلونيتريل (PAN)، والرايون، والأسفلت، والسلائف الغنية بالكربون ذات الأساس الحيوي مثل اللجنين أو المواد الحيوية. عموم على أساس. تتم معالجة الألياف الأولية كيميائيًا، وتسخينها وتمديدها، ثم يتم تفحيمها لتكوين ألياف عالية القوة. تم تصنيع أول ألياف الكربون عالية الأداء في السوق من سلائف الرايون. لقد حلت ألياف الكربون القائمة على عموم محل الرايون منذ فترة طويلة في التطبيقات الهيكلية، ولكن المقطع العرضي "عظم الكلب" للرايون وخصائص درجات الحرارة المرتفعة غالبًا ما تجعله الألياف المفضلة للتخلص من مركبات الكربون/الكربون (C/C) في الدروع الحرارية. ألياف الكربون القائمة على عموم هي ألياف الكربون الأكثر استخدامًا على نطاق واسع. إنها توفر مجموعة من الخصائص المذهلة، بما في ذلك القوة الممتازة (1000 كيلو رطل/بوصة مربعة) والصلابة العالية. تصنع ألياف الأسفلت من قار البترول أو الفحم ولها صلابة عالية إلى عالية للغاية وتمدد حراري محوري منخفض إلى سلبي (التمدد الحراري CTE). تعتبر خصائص CTE الخاصة بها مفيدة بشكل خاص في تطبيقات المركبات الفضائية التي تتطلب إدارة حرارية، مثل أغلفة الأجهزة الإلكترونية.

على الرغم من أن ألياف الكربون أقوى من ألياف الزجاج أو ألياف الأراميد، إلا أنه بسبب موصليتها الكهربائية، فإن ألياف الكربون ليست فقط مقاومة ضعيفة للصدمات، ولكنها يمكن أن تسبب أيضًا تآكلًا كلفانيًا في المعدن الذي تتصل به. يتغلب المصنعون على المشكلة الأخيرة باستخدام مادة حاجزة أو طبقة حجاب (عادةً من الألياف الزجاجية / الإيبوكسي) أثناء عملية التصفيح.

شكل الألياف الأساسي لألياف الكربون عالية الأداء عبارة عن حزمة ألياف مستمرة تسمى السحب. تتكون حزمة ألياف الكربون من آلاف الخيوط المستمرة غير الملتوية، ويمثل عدد الخيوط رقم متبوعًا بالحرف "K" وهو ما يعني مضروبًا في 1000 (على سبيل المثال، 12K يعني أن عدد الخيوط هو 12000). يمكن استخدام السحب مباشرة في عمليات مثل لف الألياف أو النتوء، أو يمكن تحويله إلى شريط أحادي الاتجاه، أو قماش، أو أشكال محسنة أخرى.

قولبة الحقن

تُعرف أيضًا باسم قولبة الحقن، وهي عبارة عن مواد خام من الراتنج الحراري (الكريات) مثل النايلون المقوى بألياف الكربون والبولي كربونات التي يتم تسخينها وصهرها وحقنها في تجويف القالب (الفجوة). هذه طريقة قولبة مناسبة للدورة القصيرة وقولبة الأشكال المعقدة.