ألياف الكربون
ألياف الكربون هي مواد تتألف من ألياف دقيقة للغاية ذات قطر يتراوح بين 0.005 و0.010 ميليمتر وتتكون في معظمها من ذرات الكربون. ترتبط ذرات الكربون ببعضها في بلورات مجهرية موازية بشكل أوبآخر لمحور الألياف. هذا التوازي أوالتوجه يجعل الألياف قوية جدا مقارنة بحجمها.
تغزل عدة آلاف من ألياف الكربون معا لتشكيل الخيط ليستخدم بذاته أوينسج ليكون النسيج. ولألياف الكربون عدة حياكات (طرق النسج) مختلفة يمكن جمعها مع راتنج من اللدائن وتقولب لتشكيل المواد المركبة التي تتصف بنسبة عالية من القوة إلى الوزن.
وكثافة ألياف الكربون أيضا هي أقل بكثير من كثافة الفولاذ، مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب وزنا منخفضا. خصائص ألياف الكربون مثل قوة الشد المرتفعة، والوزن والتمدد الحراري المنخفضان جعلها تحظى بشعبية كبيرة في تطبيقات الفضاء والهندسة المدنية والعسكرية ورياضة السيارات، إلى جانب غيرها من المنافسات الرياضية.
البنية والخصائص
إن جميع خيط من ألياف الكربون هوتعبير عن حزمة من آلاف الألياف الكربونية. أما الليف الواحد منها فهوتعبير عن أنبوب رفيع يتراوح قطره من 5-8 ميكرومتر ويتكون غالبا من كربون فقط. الجيل الأول من ألياف الكربون (مثل T300 وAS4) فقد كانت بقطر 7-8 ميكرومتر. أما الأجيال اللاحقة (مثل IM6) فكانت بقطرخمسة ميكرومتر تقريبا.
البنية الذرية لليف الكربون مماثلة للبنية الذرية للغرافيت، المتكونة من صفائح من ذرات الكربون (صفائح الغرافينGraphene sheets ) مرتبة في نموذج بنية سداسية منتظمة. والفرق يكمن بكيفية ترابط هذه الصفائح. أما الغرافيت فهومادة بلورية تتكدس فيها الصفائح موازية لبعضها البعض بطريقة منتظمة. أما القوى بين الجزيئية التي تربط الصفائح ببعضها فهي ضعيفة نسبيا، قوى فان دير فالس، مما يعطي الغرافيت مميزات القصافة.
وتبعا للطريقة المتبعة لصناعة هذه الالياف، فإن ألياف الكربون يمكن حتى تكون ذات بنية غرافينية أوبنية تربوستراتيك Turbostratic (وهي بنية بلورية خرجت فيها المستويات العامودية على المحاور الاساسية عن التراصف أوالتحاذي) أوحتى تكون بنية هجينة من البنيتين السابقتين. فالألياف الكربونية ذات بنية تربوستراتيك تتكون من صفائح من ذرات الكربون مطوية ومثنية معا بطريقة عشوائية. فألياف الكربون المصنعة انطلاقا من بولي أكريل نتريل Polyacrylonitrile PAN فهي ذات بنية تربوستراتيك Turbostratic بينما الألياف الكربونية المشتقة منmesophase pitch فتكون ذات بنية غرافيتية بعد القيام بعملية معالجة حرارية على درحة حرارة تصل إلى 2200°C. تميل الألياف الكربونية ذات بنية تربوستراتيك Turbostratic لامتلاك مقاومة للشد عالية في حين يميل النوع الآخر من الألياف الكربونية لامتلاك معامل شد (معامل يونج) مرتفع وناقلية حرارية عالية.
التطبيقات
تستخدم ألياف الكربون بشكل رائج لتقوية المواد المركبة وبالأخص تلك المواد المركبة المعروفة باسم البوليمير المقوى بألياف الكربون أوالجرافيت. ومن الممكن أيضا استخدام مواد غير بوليميرية كمادة أساس مع ألياف الكربون. ومن ناحية أخرى فقد لاقى استخدام ألياف الكربون نجاحا محدودا في تطبيقات المواد المركبة التي تدخل فيها المعادن كمواد أساس نتيجة لتشكل كربيدات معدنية ولاعتبارت ظاهرة التآكل. الكربون - الكربون المقوى يتكون من الجرافيت المقوى بألياف الكربون ويستخدم في التطبيقات الهيكلية في ظروف درجات الحرارة العالية. كما تسختدم الألياف أيضا في ترشيح الغازات ذات درجات الحرارة العالية وأقطاب ذات مساحة كبيرة ومقاومة كاملة للتآكل وأيضا كمكوّن يقاوم تراكم الكهرباء الساكنة . القولبة أوالإكساء بطبقة رقيقة من ألياف الكربون تحمل بشكل ملحوظ مقاومة البوليميرات أوالمواد المركبة من لدائن حرارية تتحمل الحريق لأن الطبقة الكثيفة والمكتنزة من ألياف الكربون تشكل عاكسا فعّالا للحرارة.
أعربت شركة "بي إم دبليو" الألمانية للسيارات عزمها على أنتاج أول سيارة بألياف الكربون عام 2012 . ففي مصنعها الموجود بمدينة "واكارزدورف" تقوم آلات بغزل ألياف الكربون إلى نسيج رقيق عريضة . وبعد لفها في لفائف كبيرة تنقل إلى مصنعها "لانديزهوت " حيث يبتر النسيج إلى بتر مناسبة ومتتطابقة ثم تسخن في فرن فينتج منها ألواحا صلبية تصلح لتصنيع الغلاف الخارجي للسيارة .
ويتميز ألواح ألياف الكربون بالخفة ، وكذلك إمكانية تصنيعه بشدة صلابة مختلفة حيث يستخدم الألواح المتوسطة لصلابة لصناعة مقدمة السيارة ، حيث يقلل ذلك من اضرار اصتدام السيارة بالمارة ، في حين حتى تستخدم الالواح الأشد صلابة لتصنيع مؤخرة السيارة . ومع ذلك فألواح الياف الكربون أقل ثقلا من الفولاذ بنسبة النصف وأخف من الألمونيوم بنسبة الثلث ، إلا حتى تكلفته أكثر 15 مرة من تكلفة الفولاذ .
المراجع
- ^ carbon fiber: Definition and Much More from Answers.com
- ^ Mr. Jeremy Hierholzer, Assistant Professor of Aviation Technology, Purdue University, 2007.
وصلات خارجية
 |
مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Carbon fibres. |
- Making Carbon Fiber
- How carbon fiber is made
- Carbon Fibres - the First Five Years A 1971 article on carbon fibre in the aviation field
