سنت در برابر نوآوری: چگونه پارچه‌های چندمحوری الیاف کربن دوباره طراحی سازه‌ها را متحول می‌کنند؟

پارچه‌های چندمحوری الیاف کربن به دلیل سبکی، استحکام بالا و خواص مکانیکی چند جهته عالی، در زمینه‌های متعددی همچون هوافضا، تولید انرژی بادی، ساخت خودرو، حمل‌ونقل ریلی، وسایل ورزشی، تقویت ساختمان‌ها و تجهیزات پزشکی کاربرد گسترده‌ای دارند و عمدتاً برای ساخت قطعات ساختاری سبک‌وزن و با عملکرد بالا به منظور بهبود دوام و کارایی استفاده می‌شوند. محصولات و در همین حال، با پیشرفت فناوری و افزایش نیازهای محیط‌زیستی، دامنه کاربرد آن همچنان در حال گسترش است. کاربرد دامنه کاربرد آن همچنان در حال گسترش است.

مفهوم پایه‌ای پارچه چندمحوری

فیبر کربنی چندمحوره به ساختاری اشاره دارد که در آن فیبرهای کربنی در یک ماده مرکب کربنی، در چندین جهت یا راستای محوری مختلف به صورت لایه‌ای قرار گرفته‌اند. این ساختار می‌تواند استحکام و سفتی در برابر تنش‌های چندجهته را فراهم کند و در نتیجه عملکرد کلی ماده مرکب را بهبود بخشد.

پارچه‌های چندمحوره فیبر کربنی، پارچه‌هایی هستند که از فیلامنت‌های فیبر کربنی با بافت طولی (وارپ) توسط نخ‌های پلی‌استر در زوایای چند جهته 0°/+45°/-45°/90° تولید شده‌اند.

0/90°	±45°

پارچه چندمحوره فیبر کربنی از ساختار لایه‌ای الیاف چندزاویه‌ای شامل 0°، ±45°، 90° و غیره استفاده می‌کند و از طریق فناوری بافت وارپ موقعیت دقیق الیاف را تضمین می‌کند. هر لایه از الیاف در یک زاویه مشخص قرار می‌گیرد و ساختاری شبیه به اسکلت بیولوژیکی ایجاد می‌کند. این طراحی منحصربه‌فرد به ماده اجازه می‌دهد تا در جهات تنش مختلف، استحکام بالایی حفظ کند و معایب پارچه تک‌جهته سنتی با ناهمسان‌گرایی آشکار را برطرف کند.

پارچه بافته‌شده در مقابل پارچه چندمحوره

【ساده】

(1) پایداری بیش از حد: به دلیل فاصله کوتاه بین نقاط بافت، پارچه‌های ساده درجه بالایی از پایداری دارند که این امر باعث می‌شود برای استفاده در روکش‌هایی با نماهای پیچیده مناسب نباشند، زیرا انعطاف‌پذیری کمتری نسبت به برخی پارچه‌های دیگر دارند.

(2) تمرکز تنش: به دلیل خمیدگی بیش از حد (زاویه‌ای که الیاف هنگام بافته شدن تشکیل می‌دهند) در رشته، خمیدگی ناهموار باعث ایجاد تمرکز تنش می‌شود که ممکن است قطعه را در طول زمان ضعیف کند.

【مسرش】

（1）تعادل بین انعطاف‌پذیری و پایداری: پارچه‌های مسرش به اندازه پارچه‌های ساده خوب نیستند، هرچند انعطاف‌پذیری خوبی دارند و می‌توانند اشکال پیچیده را تشکیل دهند.

（2）تفاوت در استحکام: پارچه‌های مسرش از پارچه‌های ساده ضعیف‌تر هستند که ممکن است استفاده از آنها را در برخی کاربردهایی که نیاز به استحکام کششی بالا دارند تحت تأثیر قرار دهد.

متعدد محوری پارچه ها

برخلاف پارچه های سنتی بافته شده:

(1) چند گره مقاومت و سفتی: این یک پیشرفت قابل توجهی برای پارچه های ساده است که به دلیل ثبات بیش از حد برای لایه بندی های پیچیده مناسب نیستند.

(2) کاهش خمیدگی فیبر: بافتن وارپ به شدت قدرت برش بین لایه ای، تحمل آسیب، سختی ضربه و خواص فشرده سازی پس از ضربه از کامپوزیت ها را افزایش می دهد، که بیشتر به قدرت فیبر کمک می کند.

حوزه های کاربرد پارچه های چند محوری

هواپیمایی:T سفر «کاهش وزن» F22 و بوئینگ 787】

در بال‌های هواپیما، قاب‌های ساختاری و سایر اجزا، مواد باید هم سبک‌وزن باشند و هم دارای خواص مکانیکی چند جهته برای مقاومت در برابر بارهای آیرودینامیکی و تنش‌های چندبعدی. پارچه‌های چندمحوری الیاف کربنی از طریق طراحی مناسب چیدمان الیاف، ساختار قطعه را پایدارتر کرده و استحکام و سختی را افزایش می‌دهند

در بدنه بوئینگ 787، پره‌های فن و غیره، پارچه چندمحوری الیاف کربنی به‌طور چشمگیری وزن را کاهش داده و مقاومت را افزایش می‌دهد؛ مواد کربنی سنتی نمی‌توانند به‌طور مؤثر در برابر تنش‌های چند جهته مقاومت کنند که می‌تواند به راحتی منجر به ترک‌خوردگی خستگی شود.

【حمل‌ونقل ریلی: وسایل نقلیه متروی نسل جدید الیاف کربنی CETROVO از شرکت CSR Qingdao Sifang Rolling Stock Co.】

بدنه سبک‌تر، عملکرد بهینه‌تر از نظر مصرف انرژی. کاهش وزن بدنه وسیله نقلیه زیرزمینی فیبر کربنی به میزان ۲۵ درصد، کاهش وزن قاب تراکشن (فیبر کربنی چندمحوری) به میزان ۵۰ درصد، کاهش کلی وزن وسیله نقلیه حدود ۱۱ درصد، کاهش مصرف انرژی در حین کارکرد به میزان ۷ درصد، هر قطار سالانه حدود ۱۳۰ تن کاهش انتشار دی‌اکسید کربن دارد که معادل جنگل‌کاری در ۱۰۱ جریب زمین است.

کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری در طول چرخه عمر. بسته به مواد سبک‌وزن فیبر کربنی و کاربرد فناوری‌های جدید، سایش چرخ و ریل قطار زیرزمینی فیبر کربنی به‌طور چشمگیری کاهش یافته است که منجر به کاهش قابل توجهی در میزان تعمیرات وسیله نقلیه و ریل می‌شود و هزینه‌های تعمیر و نگهداری در طول عمر کلی را تا ۲۲ درصد کاهش می‌دهد.

【صنعت نظامی: سلاح محرمانه جنگنده اف-۲۲ رپتور آمریکا】

جنگنده اف-۲۲ «راپتور» آمریکا با استفاده از انواع مواد مرکب تقویت‌شده با الیاف کربن، از جمله مواد مرکب بافت چندمحوری الیاف کربنی، نسبت مصرف این مواد در قسمت‌هایی از قبیل بال اصلی، دماغه عقبی، دم پایین، دم تخت و پوسته بدنه را تا حدود ۳۵ درصد رسانده است که این امر به‌طور قابل‌توجهی وزن بدنه را کاهش داده و چابکی، مقاومت در برابر خستگی و خوردگی و سایر ویژگی‌ها را بهبود بخشیده است. وزن بدنه به‌طور چشمگیری کاهش یافته و چابکی، مقاومت در برابر خستگی و خوردگی نیز افزایش پیدا کرده است.

【حوزه غیرنظامی: انقلاب مواد نسل بعدی】

در حوزه عمرانی، پارچه‌های چندمحوری الیاف کربن به‌طور گسترده در صنایع مختلفی نظیر ساخت‌وساز، پزشکی، حمل‌ونقل و تجهیزات ورزشی استفاده شده‌اند و محصولات آن به‌خوبی در زندگی روزمره ادغام شده‌اند. در حوزه ساخت‌وساز، این ماده به دلیل مزایایی همچون سهولت در اجرا و اثرگذاری قابل اعتماد، به‌طور گسترده برای ترمیم و تقویت سازه‌های مهندسی موجود به کار گرفته شده است که این امر به‌طور قابل توجهی توسعه کاربرد آن در صنعت ساخت‌وساز را تسریع کرده است. در حوزه پزشکی، با پیشرفت فناوری پزشکی و افزایش آگاهی‌های بهداشتی، تقاضای بازار برای تجهیزات پزشکی با عملکرد بالا به‌طور مداوم در حال رشد است و کارکرد تجهیزات تحت بارهای سنگین، الزامات سختی را نسبت به دوام آنها مطرح می‌کند. مواد کربنی به دلیل نشان دادن خاصیت بی‌اثری شیمیایی عالی (مقاومت در برابر خوردگی، اسید و قلیا) و پایداری ابعادی، به ماده‌ای ایده‌آل برای ساخت تجهیزات پزشکی تبدیل شده‌اند. وسایل نقلیه حمل‌ونقل از مزایای سبکی و مقاومت بالای پارچه‌های چندمحوری (مقاومت کششی و برشی عالی) بهره می‌برند که این امر وزن مرده بدنه وسیله نقلیه را به‌طور چشمگیری کاهش داده و مصرف انرژی را پایین می‌آورد؛ در عین حال خواص مکانیکی عالی آن به‌طور مؤثری ایمنی غیرفعال وسیله نقلیه را افزایش می‌دهد. در صنعت کالاهای ورزشی، کامپوزیت‌های الیاف کربن با داشتن سبکی، میرایی بالا، مقاومت عالی در برابر خستگی و کرنش پایین، نیاز مصرف‌کنندگان به تجهیزات با عملکرد بالا را برآورده می‌کنند و کیفیت و دوام محصولات را تضمین می‌نمایند.

بیننده آینده

با بهبود مداوم تقاضای کاربرد مواد مرکب، پارچه چندمحوری الیاف کربنی با توجه به زاویه چیدمان قابل سفارشی‌سازی، آزادی طراحی بالا و خواص مکانیکی عالی، فضای گسترده‌تری در بسیاری از زمینه‌ها را به خود خواهد گرفت. در آینده، با پیشرفت فناوری تولید خودکار و سیستم‌های رزین جدید، کارایی تولید پارچه چندمحوری بیشتر بهبود یافته، هزینه‌ها به طور مداوم بهینه‌سازی خواهند شد و کاربرد گسترده آن را در زمینه‌های پیشرفته مانند تیغه‌های توربین بادی، وسایل نقلیه انرژی جدید، هوافضا و سایر حوزه‌ها تسریع خواهند کرد. همزمان، خواص عالی مقاومت به ضربه و مقاومت در برابر خستگی پارچه چندمحوری نیز ارزش بیشتری در حوزه‌های عمرانی از جمله تقویت ساختمان‌ها، تجهیزات ورزشی و تجهیزات پزشکی ایفا خواهد کرد و به معرفی و گسترش محصولات سبک‌وزن و با عملکرد بالا کمک خواهد نمود.