ألياف الكربون المعتمدة على البولي أكريلونيتريل (مِقلاة) هي مادة عالية الأداء تستخدم على نطاق واسع في مجالات الطيران والبناء والرياضة والسيارات والمجالات الطبية. تستعرض هذه المقالة تاريخ التطوير والوضع الحالي لألياف الكربون المستندة إلى مِقلاة محليًا ودوليًا، وإعدادها وبنيتها وخصائصها وتطبيقاتها. ويناقش أيضًا المعايير وطرق الاختبار ذات الصلة ويقدم نظرة مستقبلية.

مقدمة إلى ألياف الكربون المستندة إلى مِقلاة

ألياف الكربون هي مادة متقدمة معروفة بخصائصها الميكانيكية الفائقة. فهو يجمع بين الخصائص المتأصلة للكربون مع مرونة ألياف النسيج وقابليتها للمعالجة، مما يجعلها ألياف تقوية أساسية. مع ثقل نوعي أقل من ربع الفولاذ وقوة شد تتجاوز بشكل عام 3500 ميجا باسكال، توفر مركبات ألياف الكربون قوة 7-9 أضعاف قوة الفولاذ ومعامل مرونة يتراوح من 23000 ميجا باسكال إلى 43000 ميجا باسكال. هذه الخصائص تجعل من ألياف الكربون مادة واعدة في التطبيقات الهندسية.

تخضع ألياف الكربون القائمة على مِقلاة، والمشتقة من البولي أكريلونيتريل أو الأسفلت أو الفسكوز، لعمليات مثل الأكسدة المسبقة والكربنة والجرافيت، مما يؤدي إلى ألياف تحتوي على أكثر من 90٪ من محتوى الكربون. تتميز هذه الألياف بقوة عالية، ومعامل مرتفع، وكثافة منخفضة، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل، ومقاومة الاحتكاك، والموصلية، والتمدد الحراري المنخفض، من بين خصائص أخرى. تعتبر ألياف الكربون المعتمدة على مِقلاة هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع، حيث تمثل أكثر من 90% من الإنتاج نظرًا لعملية التصنيع البسيطة والأداء الشامل الممتاز.

1. حالة تطوير ألياف الكربون القائمة على مِقلاة

1.1 التنمية الدولية

بدأ تطوير ألياف الكربون القائمة على مِقلاة في عام 1959 عندما حصل الياباني اكيو شيندو على براءة اختراع لعملية إنتاج ألياف الكربون عالية الأداء من البولي أكريلونيتريل. اليوم، تهيمن على إنتاج ألياف الكربون القائمة على مِقلاة ألياف السحب الكبيرة من الولايات المتحدة الأمريكية وألياف السحب الصغيرة من اليابان، وهو ما يمثل حوالي 80٪ من العرض العالمي. يتصدر المنتجون الرئيسيون مثل توراي وToho وMitsubishi في اليابان السوق، حيث تعد توراي أكبر شركة مصنعة لألياف الكربون القائمة على مِقلاة على مستوى العالم.

1.2 التنمية المحلية

بدأت الصين في أبحاث ألياف الكربون في ستينيات القرن العشرين، وحققت تقدمًا بطيئًا ولكن ثابتًا. على الرغم من تطوير منتجات قريبة من مستوى T-300 الذي تنتجه شركة توراي، إلا أن الطاقة الإنتاجية المحلية تظل محدودة. في السنوات الأخيرة، بدأت شركات مثل انهوى هواوان كربون الفيبر الإنتاج الصناعي، ولكن يتم تلبية معظم الطلب على ألياف الكربون في الصين من خلال الواردات، مما يقيد بشكل كبير الصناعات ذات الصلة.

2. إعداد وهيكل وأداء ألياف الكربون المستندة إلى مِقلاة

2.1 عملية التحضير

يتم تصنيع ألياف الكربون القائمة على مِقلاة من ألياف بولي أكريلونيتريل، إما بوليمر متجانس أو بوليمر مشترك، من خلال عمليات تتضمن البلمرة، والغزل، والأكسدة المسبقة، والكربنة، والجرافيت. يتضمن الإنتاج تحويل راتنج البولي أكريلونيتريل إلى ألياف، والتي تتم معالجتها بعد ذلك لتعزيز أدائها واستقرارها.

2.2 الهيكل

تتميز ألياف الكربون ب"مضطرب"هيكل بلورات الجرافيت الدقيقة المكدسة على طول محور الألياف، مما يؤثر على أدائها. يؤثر التباعد بين الطبقات ووجود الفراغات على خصائص الألياف.

2.3 خصائص الأداء

تمتلك ألياف الكربون خصائص فريدة مثل قوة الشد العالية، والمعامل العالي، والكثافة المنخفضة، ومقاومة درجات الحرارة العالية، ومقاومة التآكل. كما أنها تظهر أيضًا مقاومة ممتازة للتعب، وتمددًا حراريًا منخفضًا، وموصلية جيدة، وتوافقًا حيويًا.

3. تطبيقات ألياف الكربون القائمة على مِقلاة

3.1 الفضاء الجوي

نظرًا لنسبة قوتها إلى وزنها وصلابتها العالية، تعد مركبات ألياف الكربون المعتمدة على مِقلاة حاسمة في تطبيقات الفضاء الجوي، بما في ذلك الصواريخ والأقمار الصناعية والطائرات.

3.2 المعدات الرياضية والطبية

تُستخدم مركبات ألياف الكربون على نطاق واسع في المعدات الرياضية مثل نوادي الجولف ومضارب التنس والدراجات، وكذلك في الغرسات والأجهزة الطبية.

3.3 الصناعة العامة

في صناعة السيارات، يتم استخدام ألياف الكربون في إطارات المركبات والمكابس وأنظمة الفرامل. كما أنها تلعب دورًا في طاقة الرياح، والإلكترونيات، والبنية التحتية، مما يعزز قوة ومتانة المكونات المختلفة.

4. معايير ألياف الكربون القائمة على مِقلاة

وضعت الصين عدة معايير لأداء ألياف الكربون وتطبيقاتها في المواد المركبة، مثل:

• غيغابايت/T 3362-2005: خصائص الشد لخيوط ألياف الكربون المتعددة الشعيرات.

• غيغابايت 3362-1982: طريقة لاختبار عدد الألياف في خيوط ألياف الكربون المتعددة الشعيرات.

• غيغابايت 3364-1982: طرق اختبار القطر والقطر المكافئ.

• غيغابايت/T 3355-2005: اختبار محتوى الراتنج في البلاستيك المقوى بألياف الكربون.

تضمن هذه المعايير جودة واتساق منتجات ألياف الكربون، مما يسهل اعتمادها وتطبيقها على نطاق أوسع.

5. النظرة المستقبلية

تعد صناعة ألياف الكربون أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقات المواد الحديثة، والانتقال من عصر الفولاذ إلى عصر جديد من المواد المركبة. وسيستمر دور ألياف الكربون في التقنيات المتقدمة والتطبيقات الصناعية في النمو، مدفوعًا بالبحث والتطوير المستمر. ولتحقيق هذه الغاية، يتعين على الصين أن تركز على التغلب على التحديات التقنية وتحسين عمليات الإنتاج لتقليل الاعتماد على الواردات وتعزيز القدرات المحلية.