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.

جذبت ألياف الكربون (CF) انتباه الباحثين 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)، وبولي إيثر كيتون (PEKK)، وبولي إيثر كيتون (PEEK) كمصفوفة، مع مختلف الألياف المستمرة/المتقطعة (مثل ألياف الكربون، والألياف الزجاجية، وما إلى ذلك) كتعزيز للمواد المركبة.

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 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.

أجزاء مختلفة مصنوعة من مواد مركبة من اللدائن الحرارية المقواة بألياف الكربون تتمتع بمزايا الكثافة المنخفضة، والقوة العالية، والمتانة العالية نسبيًا، وإعادة التدوير وإعادة الاستخدام، ولها نطاق واسع من آفاق التطبيق في مجال الطيران والجيش، الآلات المتطورة والمجالات الطبية وغيرها.

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.

كبريتيد البولي فينيلين المقوى بالألياف الكربونية (PPS) تم استخدامه على نطاق واسع في مجالات الطيران والمجالات العسكرية في البلدان المتقدمة في أوروبا، لكن مستوى التطبيق المحلي لا يزال كبيرًا جدًا مقارنة به، من ناحية، بسبب محدودية القدرة الإنتاجية للمواد الخام مثل راتينج PPS، على ومن ناحية أخرى، فهو يخضع لتكنولوجيا تطبيق المواد المركبة PPS المقواة بألياف الكربون. يتضمن ذلك القدرة على تحضير المواد المركبة والقدرة على تطوير المنتجات المركبة. محليًا، تم تطبيق ورقة توصيل كبريتيد البولي فينيلين المقوى بألياف الكربون المحلية (CF/PPS) بنجاح على الطائرات بدون طيار. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام مركب اللدائن الحرارية المحلي كجزء هيكلي محمل للطائرات بدون طيار، وهي محاولة واستكشاف جديد لتعزيز تطبيق مركب اللدائن الحرارية في مجال الطائرات بدون طيار.

(الرابط: PPS-LCF)

في المواد المركبة PI المقواة بألياف الكربون، تكون ألياف الكربون التعزيز والهيكل الحامل الرئيسي، في حين تلعب مصفوفة الراتينج بشكل أساسي دور توصيل الألياف ونقل الحمل، والتي يمكنها نقل وتحمل إجهاد القص، وتحمل حمل الشد والضغط المتعامد مع 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 المعامل المرن لألياف الكربون أكبر بكثير من راتنجات المصفوفة، عندما تكون ألياف الكربون وراتنجات المصفوفة في نفس السلالة، فإن إجهاد ألياف الكربون سيكون أكبر بكثير من راتنجات المصفوفة. ولذلك فإن ألياف الكربون تحمل معظم حمل الإجهاد المطبق على المركب.

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 استخدام التسليح المستمر بألياف الكربون لتحسين أدائه.

النايلون المقوى بألياف الكربون، تعكس هذه المادة المركبة بشكل كامل مزايا أداء التعزيز والمصفوفة، وقد تم تحسين القوة والصلابة بشكل ملحوظ من النايلون غير المقوى، كما زادت 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.

(الرابط:PA6-LCF)

4. مادة مركبة من ألياف الكربون المعززة ببولي إيثر إيثر كيتون (PEEK)
كان PEEK، باعتباره بوليمرًا ناشئًا، في مرحلة البحث والتطوير المختبري في الصين حتى عام 2002، عندما أصبح من الممكن إنتاج الشركات المحلية بكميات كبيرة. في السنوات الأخيرة، زاد عدد إنتاج PEEK المحلي بشكل مطرد، ووصلت جودة المنتج إلى المعايير الدولية، مما يوفر دعمًا قويًا لتطوير مركبات PEEK المعززة بالألياف.

مركب PEEK المقوى بألياف الكربون هو نوع من المواد المركبة مع البلاستيك الهندسي الخاص بولي إيثر إيثر كيتون (PEEK) كمصفوفة راتنجية ذات طور مستمر 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.

(الرابط:نظرة خاطفة-LCF)