عملية تحضير المواد المركبة من ألياف الكربون

لمحة عامة عن المواد المركبة من الكربون والكربون

مادة مركبة من الكربون/الكربون (C/C)هي مادة مركبة مدعمة بألياف الكربون تتميز بسلسلة من الخصائص الممتازة، مثل القوة العالية ومعامل المرونة العالي، والوزن النوعي المنخفض، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، ومقاومة التآكل، ومقاومة الصدمات الحرارية، ومقاومة الاحتكاك الجيدة، والاستقرار الكيميائي الجيد. وهي نوع جديد من المواد المركبة فائقة التحمل لدرجات الحرارة العالية.

مادة مركبة من الكربون والكربونيُعدّ هذا المركب مادة هندسية متكاملة ممتازة تجمع بين الخصائص الحرارية والوظيفية. وكغيره من المواد المركبة عالية الأداء، يتكون من بنية مركبة تتألف من طور مُدعّم بالألياف وطور أساسي. ويكمن الاختلاف في أن كلا الطورين، المُدعّم والأساسي، يتكونان من الكربون النقي ذي الخصائص المميزة.

مواد مركبة من الكربون/الكربونتتكون هذه المواد بشكل أساسي من لباد الكربون، وقماش الكربون، وألياف الكربون كعنصر تقوية، والكربون المترسب بالبخار كمادة أساسية، ولكنها لا تحتوي إلا على عنصر واحد، وهو الكربون. ولزيادة الكثافة، يُشرب الكربون الناتج عن عملية التفحيم بالكربون أو بالراتنج (أو الأسفلت)، أي أن المواد المركبة من الكربون/الكربون تتكون من ثلاثة أنواع من الكربون.

عملية تصنيع المواد المركبة من الكربون والكربون

1) اختيار ألياف الكربون

يُعد اختيار حزم ألياف الكربون والتصميم الهيكلي لأقمشة الألياف أساسًا للتصنيعمركب الكربون/الكربونيمكن تحديد الخصائص الميكانيكية والخصائص الحرارية الفيزيائية لمركبات الكربون/الكربون عن طريق الاختيار العقلاني لأنواع الألياف ومعايير نسج النسيج، مثل اتجاه ترتيب حزمة الخيوط، وتباعد حزمة الخيوط، ومحتوى حجم حزمة الخيوط، وما إلى ذلك.

2) تحضير قالب ألياف الكربون

يشير مصطلح "التشكيل الأولي لألياف الكربون" إلى قطعة خام تُشكّل إلى الشكل الهيكلي المطلوب للألياف وفقًا لشكل المنتج ومتطلبات الأداء، وذلك بهدف تنفيذ عملية التكثيف. توجد ثلاث طرق رئيسية لمعالجة الأجزاء الهيكلية المُشكّلة مسبقًا: النسيج المرن، والنسيج الصلب، والنسيج المختلط المرن والصلب. وتشمل عمليات النسيج الرئيسية: نسيج الخيوط الجافة، وترتيب مجموعات القضبان المشبعة مسبقًا، والنسيج الدقيق بالثقب، ولف الألياف، والنسيج الكلي ثلاثي الأبعاد متعدد الاتجاهات. في الوقت الحالي، تُعدّ عملية النسيج الكلي ثلاثي الأبعاد متعدد الاتجاهات هي العملية الرئيسية المستخدمة في المواد المركبة الكربونية. خلال عملية النسيج، تُرتّب جميع الألياف المنسوجة في اتجاه محدد. تُزاح كل ليف بزاوية معينة على طول اتجاهها، وتتشابك مع الألياف الأخرى لتشكيل نسيج. تتميز هذه العملية بقدرتها على تشكيل نسيج كلي ثلاثي الأبعاد متعدد الاتجاهات، مما يسمح بالتحكم الفعال في محتوى حجم الألياف في كل اتجاه من اتجاهات المادة المركبة الكربونية، وبالتالي تتمتع المادة المركبة الكربونية بخصائص ميكانيكية مناسبة في جميع الاتجاهات.

3) عملية تكثيف الكربون/الكربون

تتأثر درجة وكفاءة التكثيف بشكل رئيسي ببنية النسيج ومعايير عملية تصنيع المادة الأساسية. تشمل طرق التصنيع المستخدمة حاليًا: التفحيم بالتشريب، والترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، والتغلغل الكيميائي للبخار (CVI)، والترسيب الكيميائي السائل، والتحلل الحراري، وغيرها. يوجد نوعان رئيسيان من طرق التصنيع: عملية التفحيم بالتشريب وعملية التغلغل الكيميائي للبخار.

التشريب بالطور السائل - الكربنة

تتميز طريقة التشريب بالطور السائل ببساطتها النسبية من حيث المعدات وتعدد استخداماتها، مما يجعلها طريقة مهمة لتحضير المواد المركبة من ألياف الكربون. وتتمثل هذه الطريقة في غمر القالب المصنوع من ألياف الكربون في سائل التشريب، ثم يتم ضغطه لضمان تغلغل سائل التشريب بالكامل في فراغات القالب، وبعد ذلك، من خلال سلسلة من العمليات مثل المعالجة الحرارية والتفحيم والجرافيت، نحصل في النهاية علىالمواد المركبة من الكربون/الكربونمن عيوب هذه الطريقة أنها تتطلب دورات متكررة من التشريب والتفحيم لتحقيق الكثافة المطلوبة. يُعدّ تركيب وبنية مادة التشريب في طريقة التشريب بالطور السائل بالغ الأهمية، إذ لا يؤثر فقط على كفاءة التكثيف، بل يؤثر أيضًا على الخواص الميكانيكية والفيزيائية للمنتج. لطالما كان تحسين مردود تفحيم مادة التشريب وتقليل لزوجتها من أهم التحديات التي يجب حلها في تحضير مواد مركبة من الكربون/الكربون باستخدام طريقة التشريب بالطور السائل. تُعدّ اللزوجة العالية ومردود التفحيم المنخفض لمادة التشريب من أهم أسباب ارتفاع تكلفة هذه المواد. لا يُسهم تحسين أداء مادة التشريب في رفع كفاءة إنتاج هذه المواد وخفض تكلفتها فحسب، بل يُحسّن أيضًا من خصائصها المختلفة. تبدأ ألياف الكربون بالتأكسد عند درجة حرارة 360 درجة مئوية في الهواء. تتفوق ألياف الجرافيت قليلاً على ألياف الكربون، وتبدأ أكسدتها عند 420 درجة مئوية. أما درجة حرارة أكسدة المواد المركبة من الكربون والكربون فتبلغ حوالي 450 درجة مئوية. وتتأكسد هذه المواد بسهولة بالغة في الأجواء المؤكسدة ذات درجات الحرارة العالية، ويزداد معدل الأكسدة بسرعة مع ارتفاع درجة الحرارة. وفي حال عدم اتخاذ تدابير مضادة للأكسدة، فإن الاستخدام طويل الأمد لهذه المواد في بيئة مؤكسدة ذات درجات حرارة عالية سيؤدي حتماً إلى عواقب وخيمة. لذا، أصبحت معالجة المواد المركبة من الكربون والكربون بمضادات الأكسدة جزءاً لا غنى عنه من عملية تحضيرها. ومن منظور تقنيات مقاومة الأكسدة، يمكن تقسيمها إلى تقنية مقاومة الأكسدة الداخلية وتقنية طلاء مقاومة الأكسدة.

الطور الكيميائي للبخار

تُستخدم تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD أو CVI) لترسيب الكربون مباشرةً في مسام المادة الخام بهدف ملء هذه المسام وزيادة كثافتها. يتميز الكربون المُرسب بسهولة تحويله إلى جرافيت، وتوافقه الفيزيائي الجيد مع الألياف. كما أنه لا ينكمش أثناء إعادة الكربنة كما هو الحال في طريقة التشريب، وتتميز هذه الطريقة بخصائص فيزيائية وميكانيكية أفضل. مع ذلك، أثناء عملية الترسيب الكيميائي للبخار، إذا ترسب الكربون على سطح المادة الخام، فإنه يمنع الغاز من الانتشار إلى المسام الداخلية. لذا، يجب إزالة الكربون المترسب على السطح ميكانيكيًا، ثم إعادة الترسيب. تواجه طريقة الترسيب الكيميائي للبخار بعض الصعوبات في المنتجات السميكة، كما أن دورة هذه الطريقة طويلة جدًا.