بعد عقود من التطوير، أصبحت ألياف الكربون من المواد المركبة المتقدمة عالية الأداء واحدة من حلول المواد المفضلة لترقية الفضاء الجوي والنقل بالسكك الحديدية والآلات الذكية والمعدات الطبية المتطورة والمنتجات المدنية المختلفة. تتميز المواد المركبة من ألياف الكربون بمزايا الأداء مثل الوزن الخفيف والقوة العالية والزحف المنخفض ومقاومة التآكل ومقاومة التعب. ومع ذلك، عند تلبية الاحتياجات الخاصة، لا تزال هناك مشاكل أو عيوب معينة. إن كيفية تحسين هذه المشكلات بشكل فعال وتعزيز قيمة تطبيق المواد المركبة من ألياف الكربون هي المشكلة التي يجب استكشافها في هذه المقالة.
1. التشديد
تتمتع المواد المركبة المقواة بألياف الكربون بقوة عالية وأداء جيد، ولكن عملية التشكيل الخاصة للمواد المركبة يمكن أن يكون لها تأثير سلبي على مقاومة الصدمات، وصلابة الكسر، وقوة التصفيح. ستشكل المواد المركبة من ألياف الكربون آليات فشل مختلفة تحت الأحمال الميكانيكية. بمجرد أن تتجاوز طاقة الانفعال المنطلقة الطاقة المطلوبة لإنشاء مساحة سطحية جديدة أو توليد تشوه بلاستيكي بالقرب من طرف الشق، قد تنشأ عواقب خطيرة خلال هذه المراحل من انتشار الشق.
تعد إضافة عوامل التقوية إلى الراتنجات طريقة تقليدية لحل مشكلة الهشاشة وسهولة حدوث الشقوق الصغيرة في مواد ألياف الكربون. ومع ذلك، فإن الجزيئات المعززة للمتانة تتميز عمومًا بتشتت ضعيف وغالبًا ما تشكل مناطق ذات كثافة جسيمات عالية ومنخفضة، مما قد يقلل من الأداء العام للمواد المركبة. في الوقت الحاضر، بدأت الدول المتقدمة مثل أوروبا وأمريكا في وضع أغشية ألياف نانوية بين طبقات التقوية. لا تزيد هذه الأغشية من سمك ووزن المادة التمهيدية، ولكنها يمكن أن تعمل كمواد تقوية نانوية لمصفوفة الراتنج الهشة في منطقة الطبقات البينية، وتشكل في النهاية راتنجًا أكثر صلابة (والذي يمكن استخدامه مع أنظمة تقوية أخرى). يعد هذا الحل مفيدًا في تحسين مقاومة التصفيح، وتحمل الضرر، وخصائص مكافحة التعب للمواد المركبة من ألياف الكربون، مما يقلل من حدوث شقوق صغيرة تحت الضغط أو التأثير.
2. لدن بالحرارة
في الوقت الحاضر، لا تزال المواد المركبة من ألياف الكربون الأكثر استخدامًا في الصين تعتمد بشكل أساسي على راتنجات الإيبوكسي. يمكن لهذه المادة المركبة من ألياف الكربون المتصلدة بالحرارة أن تلبي الاحتياجات الصناعية أو المدنية العامة، ولكن بالنسبة لبعض المكونات ذات متطلبات الأداء العالية للغاية، لا تزال هناك فجوة معينة في مقاومة درجات الحرارة العالية ومقاومة التآكل للمواد المركبة من ألياف الكربون القائمة على الإيبوكسي. ولهذا السبب، تبحث العديد من الشركات العاملة في صناعة ألياف الكربون عن حلول.
بالنسبة لأنظمة المواد المركبة من ألياف الكربون، ليس من الصعب فقط تحقيق كل من القوة العالية والمقاومة لدرجات الحرارة العالية، ولكن أيضًا مزايا الأداء مثل مقاومة التآكل ستكون مقيدة بشكل متبادل. السبب الرئيسي وراء عدم مقاومة المواد المركبة من ألياف الكربون لدرجات الحرارة المرتفعة يرجع إلى مادة المصفوفة. في الماضي، تم عادةً تحسين المقاومة الحرارية للمواد المركبة عن طريق إضافة البيسمالميد وطرق أخرى، لكن نتائج الأداء النهائية لم تكن مثالية جدًا. في الوقت الحاضر، يمكن لتوطين التقوية أحادية الاتجاه مثل ألياف الكربون المستمرة المعززة PPS/PES/PA6/PEEK أن تحل محل مواد ألياف الكربون المتصلدة بالحرارة في مكونات خاصة أو متطورة، والتي يمكن أن تحسن المزايا الشاملة لمواد ألياف الكربون مثل القوة العالية، مقاومة درجات الحرارة العالية، مقاومة جيدة للتآكل، مقاومة للتآكل، وعامل أمان عالي. لقد أصبح أحد الحلول المفضلة للمواد المركبة من ألياف الكربون التي لا تقاوم درجات الحرارة العالية والتآكل.