تعد البوليمرات إحدى 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.

ألياف الكربون (CF) لقد جذبت 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 والتطبيقات البحرية والسيارات والسلع الرياضية والطائرات.

تعتبر ألياف الكربون مادة واعدة لتعزيز مادة 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 خصائص 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 البلاستيك الحراري 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 مجموعة واسعة من آفاق التطبيق في مجال الطيران والجيش والآلات المتطورة والطبية وغيرها من المجالات.

خمسة مركبات رئيسية من اللدائن الحرارية المقواة بألياف الكربون

1. ألياف الكربون المقواة PPS
PPS عبارة عن راتينج لدن بالحرارة شبه بلوري يتمتع بخصائص ميكانيكية ممتازة، ومقاومة للتآكل 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. ألياف الكربون المقواة PI
في المواد المركبة PI المقواة بألياف الكربون، تعتبر ألياف الكربون هي التعزيز والهيكل الحامل الرئيسي، في حين تلعب مصفوفة الراتنج بشكل أساسي دور توصيل الألياف ونقل الحمل، والتي يمكنها نقل وتحمل إجهاد القص، وتحمل حمل الشد والضغط المتعامد 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 الإجهاد 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 ، من السهل تشكيل فجوات وعيوب على الواجهة، وقوة القص 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. ألياف الكربون المقواة PA
النايلون (PA) باعتباره مادة بلاستيكية هندسية لدنة بالحرارة شائعة، لديه أكثر من نصف قرن من التطور، وهو الأكثر استخدامًا في اللدائن الهندسية، وقد لعبت منتجاته دورًا مهمًا في صناعة السيارات والآلات والبتروكيماويات والمنسوجات 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 المرتفعة، تتميز هذه المادة المركبة بزحف أصغر واستقرار جيد للأبعاد ومقاومة أفضل للتآكل.

4. مادة مركبة من ألياف الكربون المقواة بالبولي 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، تُستخدم مركبات اللدائن الحرارية المعززة بألياف الكربون في الغالب في مجالات الطيران والأقمار الصناعية والمجالات العسكرية وغيرها.

5. المواد المركبة CF/PEI
PEI هو نوع من البوليمر غير المتبلور عالي الأداء مع خصائص ميكانيكية ممتازة وعزل كهربائي ومقاومة للإشعاع ومقاومة 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.