تعد البوليمرات واحدة من المواد الأكثر استخدامًا والمعروفة في القرن الحادي والعشرين. ومع ذلك، فإن البوليمرات النقية ليست كافية للاستخدام في الصناعات التي تتطلب قوة كبيرة ومقاومة ممتازة للحرارة. ونتيجة لذلك، فإن المواد المركبة البلاستيكية الحرارية هي المواد المفضلة، وسيتطلب إنشاء هذه المواد الجديدة التغلب على العقبات مثل الاستهلاك العالي للطاقة، وتكاليف المواد الباهظة، والموثوقية، وقابلية إعادة التدوير.

لقد جذبت ألياف الكربون (CF) انتباه السوق بسبب خصائصها الممتازة مثل الوزن الخفيف وقوة تحمل درجات الحرارة العالية والكثافة المنخفضة والمعامل العالي والمقاومة الكيميائية الجيدة. CF هي أيضًا مادة فريدة ذات نسبة عالية من القوة إلى الوزن، وسمية منخفضة، وقابلة لإعادة التدوير، وغير قابلة للتآكل، ومقاومة جيدة للتآكل. بشكل عام، يتمتع CF بخصائص كهربائية وفيزيائية وميكانيكية وحرارية كبيرة. تشير المادة المركبة لدن بالحرارة إلى بوليمر لدن بالحرارة (مثل البولي إيثيلين (PE)، والبولي أميد (PA)، وكبريتيد البولي فينيلين (PPS)، والبولي إيثيريميد (PEI)، والبولي إيثر كيتون (PEKK)، والبولي إيثر كيتون (PEEK) كمصفوفة. المواد المركبة المصنوعة من مختلف الألياف المستمرة/المتقطعة (مثل ألياف الكربون، والألياف الزجاجية، وألياف الأراميدون، وما إلى ذلك) كمواد تقوية.

تتمتع مركبات اللدائن الحرارية المقواة بألياف الكربون (CFRTP) بخصائص حرارية وميكانيكية وكهربائية ممتازة، مما يجعلها تستخدم على نطاق واسع في تطبيقات البناء والتشييد والبحرية والسيارات والسلع الرياضية والطائرات.

تعتبر ألياف الكربون مادة واعدة لتعزيز مصفوفة البوليمر. هناك عدة أنواع من مواد CF اعتمادًا على سلائفها/موادها الأولية، وخصائصها، ودرجات حرارة المعالجة في مرحلة المعالجة الحرارية. يمكن أيضًا تصنيف التليف الكيسي وفقًا للألياف المتقطعة والمستمرة (اتجاه الألياف داخل المصفوفة) أو طولها. ونتيجة لذلك، تنتج العديد من الشركات المصنعة أنواعًا مختلفة من CF. على سبيل المثال، يتم استخدام المواد المركبة المعتمدة على ألياف متقطعة في التطبيقات ذات الحجم الكبير حيث يلزم أن تكون الخصائص متناحية الخواص تقريبًا. من ناحية أخرى، تُستخدم المركبات القائمة على الألياف المستمرة على نطاق واسع في التطبيقات ذات الحجم المنخفض حيث تتطلب خواص ميكانيكية أعلى في أحد الاتجاهين أو كليهما، مثل عوارض الدعم، وألواح الصدمات، والاحتواء.

تتميز مركبات ألياف الكربون القائمة على راتنجات اللدائن الحرارية بالتبلور والانتقال الزجاجي أثناء المعالجة، في حين أن مركبات ألياف الكربون القائمة على راتنجات اللدائن الحرارية لها تفاعلات ربط وعلاج. من وجهة نظر صعوبة العملية، فإن مركب ألياف الكربون اللدن بالحرارة يكون أكثر صعوبة في التسلل من مركب ألياف الكربون الحراري في عملية التحضير، ولكن في الوقت نفسه، المزايا واضحة أيضًا: لديها دورة صب قصيرة، وتأثير جيد. المقاومة، قابلة للحام، يمكن أن تحقق صب الثانوية، وحرية عالية للتصميم الهيكلي.

تتميز الأجزاء المختلفة المصنوعة من المواد المركبة البلاستيكية الحرارية المقواة بألياف الكربون بمزايا الكثافة المنخفضة والقوة العالية والمتانة العالية نسبيًا وإعادة التدوير وإعادة الاستخدام، ولها نطاق واسع من آفاق التطبيق في مجالات الطيران والجيش والآلات المتطورة والمجالات الطبية وغيرها. .

خمسة مركبات رئيسية من اللدائن الحرارية المقواة بألياف الكربون

1. PPS المقوى بألياف الكربون
PPS عبارة عن راتنجات لدن بالحرارة شبه بلورية ذات خصائص ميكانيكية ممتازة، ومقاومة التآكل الكيميائي، ومثبطات اللهب وما إلى ذلك. طريقة التعزيز بألياف الكربون لها أيضًا تأثير واضح جدًا على أداء PPS. في نطاق أقل من 50%، كلما زادت نسبة حجم ألياف الكربون في المادة المركبة بالحرارة، زادت الخواص الميكانيكية للمادة المركبة.

2. PI المقوى بألياف الكربون
في المواد المركبة PI المقواة بألياف الكربون، ألياف الكربون هي التعزيز والهيكل الحامل الرئيسي، في حين تلعب مصفوفة الراتنج بشكل أساسي دور توصيل الألياف ونقل الحمل، والتي يمكنها نقل وتحمل القص الإجهاد، وتحمل الشد والضغط بشكل عمودي على الألياف، وحماية الألياف من التلف.

عندما تتعرض المادة المركبة لقوة خارجية، فإن ألياف الكربون وراتنج المصفوفة ككل، بحيث يكون إجهاد ألياف الكربون وراتنج المصفوفة متساويًا، ولكن لأن معامل المرونة لألياف الكربون أكبر بكثير من معامل مرونة ألياف الكربون راتنجات المصفوفة، عندما تكون ألياف الكربون وراتنجات المصفوفة في نفس السلالة، فإن ضغط ألياف الكربون سيكون أكبر بكثير من راتنجات المصفوفة. ولذلك، فإن ألياف الكربون تحمل معظم حمل الضغط المطبق على المركب.

ومع ذلك، فإن سطح ألياف الكربون أملس وخامل، ومساحة السطح المحددة صغيرة، وحافة ذرات الكربون النشطة، والطاقة السطحية منخفضة، وتسلل مصفوفة PI والتصاق الواجهة على مرحلتين ضعيف، وسهل الاستخدام. تشكل فجوات وعيوبًا على الواجهة، وتكون قوة قص الطبقة البينية منخفضة، مما يؤدي إلى انخفاض قوة ربط الواجهة.

ولذلك، فإن خصائص مركب PI المقوى بألياف الكربون لا تعتمد فقط على خصائص كل من ألياف الكربون وPI، ولكنها ترتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا بخصائص ربط الواجهة بينهما.

3.
النايلون PA المقوى بألياف الكربون (PA) باعتباره مادة بلاستيكية هندسية لدنة بالحرارة شائعة، وله أكثر من نصف قرن من التطوير، وهو الأكثر استخدامًا في هندسة البلاستيك، وقد لعبت منتجاته دورًا مهمًا في صناعة السيارات والآلات والبتروكيماويات، النسيج والنقل والبناء والإلكترونيات والمعادن وغيرها من المجالات الصناعية.

يتمتع النايلون (PA) نفسه بأداء ممتاز، ولكن لديه أيضًا عيوب معينة، مثل امتصاص الرطوبة الكبير، وضعف ثبات أبعاد المنتجات، والقوة والصلابة كمعدن، وما إلى ذلك، إلى حد ما، مما يؤثر على قيمة تطبيقه. وللتغلب على هذه العيوب يمكن الاستعانة بالتسليح المستمر بألياف الكربون لتحسين أدائه. النايلون المقوى بألياف الكربون، وهو مادة مركبة، يجسد بشكل كامل مزايا الأداء للتعزيز والمصفوفة، والقوة والصلابة أعلى بكثير من النايلون غير المقوى. زادت PA66-NA-LCF40 من Xiamen LFT من قوة الشد لراتنج PA66 النقي بمقدار عشر مرات. في بيئة درجة الحرارة العالية، هذه المادة المركبة لديها زحف أصغر، ثبات جيد للأبعاد ومقاومة أفضل للتآكل.

4. مادة مركبة من ألياف الكربون المقواة ببولي إيثر إيثر كيتون (PEEK)
مركب PEEK المقوى بألياف الكربون هو نوع من المواد المركبة مع البلاستيك الهندسي الخاص بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) كمصفوفة راتينج الطور المستمر وألياف الكربون (CF) كتعزيز طور مشتت. في الوقت الحاضر، يتم استخدام مركبات اللدائن الحرارية المعززة بألياف الكربون في الغالب في مجالات الطيران والأقمار الصناعية والمجالات العسكرية وغيرها.

5. المواد المركبة CF/PEI
PEI هي نوع من البوليمر غير المتبلور عالي الأداء مع خصائص ميكانيكية ممتازة، عزل كهربائي، مقاومة للإشعاع، مقاومة درجات الحرارة العالية والمنخفضة ومقاومة التآكل. تتميز مركبات CF/PEI ذات اتجاهات CF المختلفة بخصائص احتكاك مختلفة ومعامل شد ومتانة وإجهاد. من خلال عملية التعديل، يمكن تحسين الواجهة بين مصفوفة CF وPEI، بحيث يتم تقليل عدد الألياف المسحوبة عند كسر المادة بشكل كبير، كما يتم تقليل قوة الشد وقوة الخضوع ومعامل المرونة ومعامل المرونة لـ CF/PEI تم تحسين المركب.