مركبات ألياف الكربون: المادة الفائقة للقرن الحادي والعشرين

تعزز المواد المركبة من ألياف الكربون التكنولوجيا السوداء للقرن الحادي والعشرين. تبلغ قوتها 5 أضعاف قوة الفولاذ، بينما يبلغ وزنها الرغوي ربع وزن الفولاذ! في عام 2020، بلغ الطلب الإجمالي العالمي على هذه المادة في مجال الطيران، والنقل بالسكك الحديدية، والأجهزة الإلكترونية، والمعدات الرياضية وغيرها من المجالات 106.9 ألف طن، وبلغ الطلب المحلي 48.9 ألف طن.

ألياف الكربون هي نوع جديد من مواد الألياف التي تحتوي على نسبة كربون تزيد عن 95%، وهي خفيفة الوزن وقوية ومعامل تمددها صغير ومقاوم للتآكل ومقاوم قوي للتعب.

باعتبارها مادة معززة، يتم خلط ألياف الكربون مع الراتنج والمعادن والسيراميك وغيرها من المواد لتشكيل مادة مركبة من ألياف الكربون، والتي أصبحت بديلاً للمواد المعدنية التقليدية في الصناعة الحديثة.

يبلغ قطر خصلات شعر الضفيرة 40-50 ميكرون، بينما يبلغ قطر ألياف الكربون 5-10 ميكرون، ويجب أن تتوافق قوة وحجم وأداء كل خصلة مع المعيار من أجل الحفاظ على الاستقرار.

تتكون ألياف الكربون من آلاف من خيوط الكربون، وكلما زاد عدد خيوط الكربون التي تحتوي عليها، زاد عرضها وزادت قوتها، لذلك فإن عملية إنتاج ألياف الكربون دقيقة للغاية، وهناك مواد شفافة يمكن استخدامها كمواد خام لصنع ألياف الكربون: الإيدز، وفيروس كورونا، وسبائك الألومنيوم، والفيسكوز.

إذا أخذنا ألياف الكربون الفينيلية المعالجة باليود الأكثر شيوعًا كمثال، فإن عملية تحضيرها تنقسم بشكل أساسي إلى مرحلة السلائف ومرحلة ألياف الكربون.

تتضمن مرحلة المواد الأولية بشكل أساسي ثلاث عمليات: البلمرة، وصنع الغراء، والغزل. تخضع المواد الأولية للتكرير وعمليات أخرى للحصول على البروبيلين، ثم يتم الحصول على البروبيلين من خلال أكسدة الأمونيا. يتم الحصول على الفورمالديهايد من خلال تفاعل البلمرة، وبعد الذوبان وإزالة الغازات، يتم الحصول عليه قبل التخثر. يمكن تحديد حجم السحب وفقًا لاختيار الفوهة.

تتركز الاختلافات في عملية ألياف الكربون في هذه المرحلة بشكل أساسي في مرحلة الغزل، أي عملية الغزل الرطب والغزل الرطب بالنفث الجاف.

تشير عملية الغزل الرطب إلى طريقة الغزل التي يدخل فيها محلول الغزل مباشرة إلى حمام التخثر من دوامة المغزل للتخثر وتشكيل خيوط.

بعد ضغط محلول الغزل الرطب بالرش الجاف من المغزل، يمر أولاً عبر طبقة هواء 3-10 مم ثم يدخل حمام الرش. يشكل محلول الغزل طبقة رقيقة كثيفة على سطح طبقة الهواء لمنع تكوين ثقوب كبيرة والحصول على المزيد من المواد الأولية عالية القوة. أخيرًا، يجب غسل الغزل، وعكسه وتمديده للحصول على مواد أولية من ألياف الكربون.

في وصلة خيوط الكربون، يتم أكسدة الخيوط الخام بواسطة الجرافيت في فرن الأكسدة للحصول على خيوط أكسيد الجرافيت. بعد ذلك، يتم حمايتها بالنيتروجين، ثم يتم تفحيمها في درجات حرارة منخفضة ودرجات حرارة عالية للحصول على خيوط الكربون. أخيرًا، يتم الحصول على ألياف الكربون القائمة على الجاكوار بعد المعالجة السطحية والتحجيم والرضاعة.

منذ عام 2016، استمر الطلب العالمي الإجمالي على ألياف الكربون في النمو. وبلغت صادرات بلدي 48851 طنًا في عام 2020. وقد تنوعت تطبيقات ألياف الكربون في المصب. سواء من منظور عالمي أو محلي، يعتمد السوق بشكل أساسي على حوامل طاقة الرياح والفضاء والرياضة والترفيه.

لقد زاد الطلب الملح على توليد طاقة الرياح، مما دفع إلى تطوير توليد طاقة الرياح على نطاق واسع وخفيف الوزن. حيث تلغي ألياف الكربون مزايا القوة العالية والخفة، وتحل محل الألياف الزجاجية تدريجيًا، وتُستخدم في الحواف والأسطح الشفرية البطيئة والحذرة، وما إلى ذلك.