التقاليد مقابل الابتكار: كيف تُعيد أقمشة الألياف الكربونية متعددة المحاور اختراع التصاميم الهيكلية؟

تُستخدم أقمشة الألياف الكربونية متعددة المحاور على نطاق واسع في مجالات عديدة مثل الفضاء والطيران، وتوليد الطاقة من الرياح، وتصنيع السيارات، والنقل بالسكك الحديدية، والسلع الرياضية، وتعزيز المباني، والمعدات الطبية، وذلك بفضل خفتها وقوتها العالية وخصائصها الميكانيكية الممتازة في الاتجاهات المتعددة، وتُستخدم أساسًا في تصنيع مكونات هيكلية خفيفة الوزن وعالية الأداء لتحسين متانة الكفاءة منتجات وفي الوقت نفسه، مع تطور التكنولوجيا وزيادة الاحتياجات البيئية، فإن نطاق استخدامها لا يزال في توسّع. التطبيق نطاقها لا يزال في توسّع.

المفهوم الأساسي للقماش متعدد المحاور

تشير الألياف الكربونية متعددة المحاور إلى هيكل يتم فيه ترتيب الألياف الكربونية في طبقات باتجاهات متعددة أو اتجاهات محورية في مادة مركبة من الألياف الكربونية. يمكن لهذا الهيكل الحصول على مقاومة وصلابة ضد الاتجاهات المتعددة، وبالتالي تحسين الأداء العام للمادة المركبة.

أقمشة الألياف الكربونية متعددة المحاور هي أقمشة مصنوعة من خيوط الألياف الكربونية تُحاك بالغزل البوليستر بزوايا متعددة الاتجاهات مثل 0°/+45°/-45°/90°.

0/90°	±45°

يعتمد القماش الكربوني متعدد المحاور هيكلًا طبقيًا من الألياف بزوايا متعددة مثل 0° و±45° و90°، ويتم التثبيت الدقيق من خلال تقنية الحياكة الطولية. يتم ترتيب كل طبقة من الألياف بزاوية محددة لتكوين هيكل مشابه للهيكل العظمي البيولوجي. يتيح هذا التصميم الفريد للمادة أن تحافظ على قوة عالية في اتجاهات إجهاد مختلفة، مما يتجاوز عيوب القماش أحادي الاتجاه التقليدي الذي يعاني من التباين الواضح.

القماش المنسوج مقابل القماش متعدد المحاور

【عادي】

(1) استقرار مفرط: بسبب المسافة القصيرة بين نقاط النسيج، تتمتع الأقمشة المنسوجة بطريقة العادي بدرجة عالية من الاستقرار، مما يجعلها غير مناسبة للاستخدام في الطبقات ذات الملامح المعقدة، لأنها ليست مرنة مثل بعض الأقمشة الأخرى.

(2) تركيز الإجهاد: بسبب التقوس المفرط (الزاوية التي تشكلها الألياف أثناء نسجها) في الخيط، يؤدي التقوس الخشن إلى تركيز إجهادات قد يضعف الجزء مع مرور الوقت.

【سديل】

(1) توازن المرونة والاستقرار: الأقمشة السديل ليست جيدة مثل الأقمشة العادية على الرغم من أنها تتمتع بمرونة جيدة ويمكنها تشكيل حدود معقدة.

(2) فرق في القوة: الأقمشة السديل أقل قوة من الأقمشة العادية، مما قد يؤثر على استخدامها في بعض التطبيقات التي تتطلب قوة شد عالية.

متعددة المحاور النسيج

على عكس الأقمشة النسجة التقليدية:

(1) متعدد الأدوات قوة وتصلبة: هذا تحسن كبير للأنسجة العادية، التي لا تناسب التصفيحات ذات الأشكال المعقدة بسبب الاستقرار الزائد.

（2）تقليل انحناء الألياف: يزيد الحياك الوبري بشكل كبير من مقاومة التآكل بين الطبقات، وتحمل الضرر، ومتانة التأثير، وخصائص الانضغاط بعد التأثير في المواد المركبة، مما يكون أكثر ملاءمة لقوة الألياف.

مجالات تطبيق الأقمشة متعددة المحاور

【الفضاء الجوي: ت رحلة التخسيس لطراز F22 وBoeing 787】

في أجنحة الطائرات، والأطر الهيكلية، ومكونات أخرى، يُشترط أن تكون المواد خفيفة الوزن ولها خصائص ميكانيكية متعددة الاتجاهات لتحمل الأحمال الهوائية والإجهادات ثلاثية الأبعاد. وتُستخدم الأقمشة الكربونية متعددة المحاور من خلال تصميم معقول لتوزيع الألياف، مما يجعل البنية المكونة أكثر استقراراً ويزيد من القوة والصلابة

غلاف جسم طائرة Boeing 787، وشفرات المروحة، وغيرها، حيث تقلل الأقمشة الكربونية متعددة المحاور الوزن بشكل كبير وتعزز المتانة مقارنة بالمواد الكربونية التقليدية التي لا يمكنها تحمل الإجهادات بكفاءة في اتجاهات متعددة، مما قد يؤدي بسهولة إلى تشققات التعب المعدني

【النقل بالسكك الحديدية: مركبات المترو الجديدة المصنوعة من ألياف الكربون من جيل CETROVO من شركة CSR Qingdao Sifang Rolling Stock Co.】

جسم أخف، وتشغيل أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة. تقليل وزن جسم مركبة المترو المصنوع من ألياف الكربون بنسبة 25٪، وتقليل وزن هيكل العجلات (ألياف كربونية متعددة المحاور) بنسبة 50٪، وتقليل الوزن الكلي للمركبة بنسبة حوالي 11٪، مما يقلل استهلاك الطاقة أثناء التشغيل بنسبة 7٪، ويمكن لكل قطار أن يقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنحو 130 طناً سنوياً، ما يعادل زراعة 101 فدان من الأشجار.

تكاليف تشغيل وصيانة أقل على مدى دورة الحياة. بفضل مواد ألياف الكربون الخفيفة وتطبيق التقنيات الجديدة، تم تقليل احتكاك عجلات قطار المترو مع السكك بشكل كبير، مما يقلل بشكل ملحوظ من الحاجة إلى صيانة المركبات والمسارات، وبالتالي تقليل تكاليف الصيانة على مدى دورة الحياة بنسبة 22٪.

【الصناعات العسكرية: السلاح السري لمقاتلة F22-Raptor الأمريكية】

تم تجهيز مقاتلة F-22 الأمريكية من طراز "رابتور" باستخدام مجموعة متنوعة من مواد الكربون المركبة المعززة، بما في ذلك مواد الكربون المتعددة المحاور المصنوعة بتقنية الحياكة الطولية، حيث بلغت نسبة استخدام هذه المواد في الأجزاء الرئيسية مثل الجناح الرئيسي، والذيل المسحب، والذيل المسطح، وغلاف الهيكل العظمي وغيرها ما يقارب 35٪، مما خفّض بشكل كبير من وزن الهيكل، وحسّن مرونة المناورة، إضافة إلى تحسين خصائص مقاومة التعب والتآكل. وقد تم تخفيض وزن الهيكل بشكل ملحوظ، كما تحسّنت قدرات المناورة ومقاومة التعب والتآكل.

【القطاع المدني: ثورة المواد للجيل القادم】

في المجال المدني، تم استخدام أقمشة الألياف الكربونية متعددة المحاور على نطاق واسع في العديد من الصناعات مثل البناء والرعاية الطبية والنقل والمعدات الرياضية، وتم دمج منتجاتها بشكل عميق في الحياة اليومية. في مجال البناء، تم اعتماد هذه المادة على نطاق واسع لإصلاح وتدعيم الهياكل الهندسية الحالية نظرًا لمزاياها المتمثلة في سهولة التنفيذ والفعالية الموثوقة، مما ساهم بشكل كبير في توسيع نطاق تطبيقاتها في قطاع الإنشاءات. وفي المجال الطبي، ومع تقدم التكنولوجيا الطبية وزيادة الوعي بالصحة، يستمر الطلب على المعدات الطبية عالية الأداء في النمو، وتُفرض متطلبات صارمة على متانة هذه المعدات بسبب تشغيلها تحت أحمال عالية. وقد ثبت أن المواد الكربونية تتمتع بخامل كيميائي ممتاز (مقاومة للتآكل، والحمض والقلويات) واستقرار أبعادي عالٍ، ما يجعلها خيارًا مثاليًا لتصنيع الأجهزة الطبية. أما أدوات النقل، فتستفيد من خصائص القماش متعدد المحاور الخفيف الوزن والقوي جدًا (مرونة شد وقص ممتازة)، حيث تقلل بشكل كبير من الوزن الميت لهيكل المركبة وتُخفض استهلاك الطاقة، في حين تُحسّن خواصها الميكانيكية الممتازة السلامة السلبية للمركبة. وفي صناعة المعدات الرياضية، تلبي مركبات الألياف الكربونية الطلب المتزايد من المستهلكين على المعدات عالية الأداء، وتضمن جودة المنتج ومتانته بفضل خفتها وامتصاصها العالي للصدمات، ومقاومتها الممتازة للتآكل وخصائصها المنخفضة من حيث الانفعال.

آفاق المستقبل

مع استمرار تحسن الطلب على تطبيقات مواد التركيّب، سيدخل قماش الألياف الكربونية متعدد المحاور فضاءً أوسع من التطوير في العديد من المجالات بفضل زاوية التراص القابلة للتخصيص وحرية التصميم العالية والخصائص الميكانيكية الممتازة. في المستقبل، ومع تقدّم تقنيات التصنيع الآلي ونُظم الراتنج الجديدة، ستتحسّن كفاءة إنتاج الأقمشة متعددة المحاور بشكل أكبر، واستمرار تحسين التكلفة، مما يعزز تطبيقها الواسع النطاق في مجالات ريش توربينات الرياح والمركبات الكهربائية الجديدة والفضاء الجوي وغيرها من المجالات المتقدمة. وفي الوقت نفسه، فإن الخصائص الممتازة لمقاومة الصدمات ومقاومة التعب للمواد متعددة المحاور ستحقق قيمة أكبر أيضًا في المجال المدني مثل تعزيز المباني ومعدات الرياضة والأجهزة الطبية، مما يساعد على نشر المنتجات الخفيفة الوزن وعالية الأداء.