من اكتشف ألياف الكربون؟ شرح تاريخ الاختراع

مقدمة مادة غيّرت كل شيء

هل تساءلت يومًا من الذي اخترع المادة فائقة القوة وخفيفة الوزن في سيارات السباق والطائرات؟ ألياف الكربون في كل مكان اليوم. إنه في الفورمولا 1 السيارات, بوينج الطائرات النفاثة، وحتى الأطراف الصناعية الطبية. ولكن من الذي اكتشفه بالفعل؟

الإجابة ليست بسيطة. اختراع ألياف الكربون حدثت على مدى سنوات عديدة. حقق علماء مختلفون اختراقات في أوقات مختلفة. عمل البعض على خيوط الكربون للمصابيح الكهربائية. ابتكر آخرون ألياف الكربون عالية الأداء التي نستخدمها اليوم.

تروي هذه المقالة القصة الكاملة. ستتعرف على رواد ألياف الكربون الذي جعل ذلك ممكناً. سنستكشف تاريخ ألياف الكربون من عام 1879 إلى اليوم. بالإضافة إلى ذلك، سترى كيف غيرت هذه المادة المذهلة الصناعات إلى الأبد.

من اخترع ألياف الكربون؟

الرواد الأوائل (1879-1880)

السير جوزيف سوان أول ألياف كربونية في عام 1879. كان عالمًا بريطانيًا يعمل على المصابيح الكهربائية. أخذ سوان ورقًا عاديًا وسخنه حتى تحول إلى كربون. هذه خيوط الورق المكربن تتوهج عندما تمر الكهرباء من خلالها.

في الوقت نفسه تقريباً, توماس أديسون كان يقوم بعمل مماثل في أمريكا. في عام 1880، حصل أديسون على براءة اختراع لنسخته الخاصة. وقد استخدم ألياف الخيزران المكربنة بدلاً من الورق. استمرت خيوط إديسون لفترة أطول من خيوط سوان. ومع ذلك، لم يصنع أي من الرجلين ما نسميه ألياف الكربون اليوم.

ومع ذلك، كانت هذه التجارب المبكرة مهمة. فقد أظهرت أنه يمكن تحويل الكربون إلى خيوط رفيعة وقوية. وهذا أصل ألياف الكربون تبدأ القصة من هنا، لكن الاختراق الحقيقي جاء بعد ذلك بكثير.

الاختراق الحقيقي (1958)

روجر بيكون غير كل شيء في عام 1958. عمل في يونيون كاربيد, شركة كيميائية كبيرة أنشأ بيكون أول ألياف الكربون عالية الأداء. كانت أليافه قوية وصلبة بشكل لا يصدق.

استخدم بيكون عملية مختلفة عن سوان أو أديسون. بدأ بمادة تسمى بولي أكريلونيتريل (PAN). عند تسخينه إلى درجات حرارة عالية للغاية، يتحول PAN إلى خيوط كربون نقي. كان لهذه الخيوط خيوط مذهلة الخصائص الهيكلية.

بيكون طفرة في ألياف الكربون جعل التطبيقات الحديثة ممكنة. أدى عمله في شركة يونيون كاربايد إلى براءات اختراع شكلت الصناعة بأكملها. واليوم، يعتبر الخبراء أن بيكون هو الأب الروحي لـ تقنية ألياف الكربون.

الابتكار الياباني (الستينيات)

أخذت اليابان تطوير ألياف الكربون إلى المستوى التالي. أكيو شيندو تم إنشاؤها ألياف الكربون القائمة على الزفت في عام 1961. كانت هذه الألياف أكثر صلابة من ألياف بيكون على أساس PAN الإصدار.

لكن اللاعب الأكبر كان صناعات توري. بدأت هذه الشركة اليابانية إنتاج ألياف الكربون التجارية في السبعينيات. وطوروا ألياف T300 التي أصبحت معيار الصناعة. وبحلول الثمانينيات، سيطرت شركة Toray على 70% من السوق العالمية.

ميتسوبيشي كيميكال أيضًا في اللعبة. تحولت هذه الشركات ألياف الكربون من فضول المختبر إلى منتج تجاري. أما اليوم، فإن شركات تصنيع المركبات المركبة مواصلة البناء على ابتكاراتهم.

التجارب الأولى لألياف الكربون

عمل مصباح البجعة (1879)

لنعد إلى البداية. السير جوزيف سوان يحتاج إلى فتيل أفضل لمصابيحه. فقد ظلت المواد التي جربها تحترق بسرعة كبيرة.

قام سوان بتجربة مواد مختلفة. واكتشف أن تسخين الورق في بيئة خالية من الأكسجين يخلق خيوط الكربون. كانت هذه الخيوط توصل الكهرباء وتنتج الضوء. ومع ذلك، كانت هشة ولم تكن تدوم طويلاً.

كان عمل سوان رائداً في وقته. فقد أظهر أن تخليق الكربون كان ممكناً. له تجارب ألياف الكربون المبكرة وضع الأساس للاكتشافات المستقبلية.

تحسينات أديسون (1880)

توماس أديسون سمع عن عمل سوان. أراد أن يصنع شيئاً أفضل. جرب إديسون آلاف المواد المختلفة. وأخيراً، وجد أن خيزران مكربن عملت بشكل أفضل.

إديسون خيوط الكربون استمرت 1,200 ساعة. كان ذلك أطول بكثير من نسخة سوان الورقية. حصل إديسون على براءة اختراع لتصميمه وبدأ في بيع المصابيح الكهربائية تجاريًا.

مثل سوان، لم يكن إديسون يبتكر المواد المركبة من ألياف الكربون. لكن أبحاثه أثبتت أن الكربون يمكن تشكيله في أشكال مفيدة. وهذا أبحاث ألياف الكربون المبكرة ألهمت العلماء لعقود من الزمن.

الفجوة الطويلة

لماذا استغرق الأمر وقتًا طويلاً للانتقال من خيوط المصابيح الكهربائية إلى ألياف الكربون الحديثة? الجواب هو التكنولوجيا.

عمل سوان وإديسون في درجات حرارة منخفضة. وكانا خيوط الكربون كانت ضعيفة وهشة. لم تستطع تحمل الكثير من الضغط. لم يعرف أحد كيف يجعل الكربون قويًا بما يكفي لـ التطبيقات الهيكلية.

تغير ذلك عندما علم العلماء المعالجة بدرجة حرارة عالية. من خلال تسخين الكربون إلى 1000-3000 درجة مئوية، يمكن أن ينتج أليافًا أقوى بكثير. وهذا عملية كيميائية المعدات الجديدة المطلوبة وفهم أفضل لـ علم المواد.

روجر بيكون اكتشف التركيبة الصحيحة في عام 1958. له اكتشاف المختبر في يونيون كاربيد الأفران المتطورة المستخدمة و مواد سلائف PAN. كان هذا هو السبق العلمي التي جعلت كل شيء آخر ممكناً.

تطوير ألياف الكربون الحديثة

الستينيات العسكرية والفضائية

بمجرد أن أنشأ بيكون ألياف الكربون عالية الأداء, اهتمت الحكومات و المؤسسة الملكية للطائرات (RAE) في المملكة المتحدة باستخدام مركبات ألياف الكربون في الطائرات العسكرية. استخدمت طائرة Harrier النفاثة الشهيرة Harrier Jump Jet هذه المواد.

لماذا؟ لأن ألياف الكربون خفيف للغاية. كما أنه أقوى من الفولاذ. بالنسبة للطائرات، فإن الوزن الأقل يعني كفاءة أفضل في استهلاك الوقود ومدى أطول. كما أن تاريخ الطيران والفضاء من ألياف الكربون بدأت هنا.

ناسا بدأوا أيضًا في إجراء التجارب. ورأوا إمكانية استكشاف الفضاء. ال مادة خفيفة الوزن يمكن أن تساعد الصواريخ على حمل المزيد من الحمولات. كانت الاختبارات المبكرة واعدة.

السبعينيات الإنتاج التجاري

صناعات توري غيرت اللعبة في السبعينيات. لقد اكتشفوا كيفية صنع ألياف الكربون رخيصة بما يكفي لبيعها تجاريًا. اشتهرت ألياف T300 الخاصة بهم في جميع أنحاء العالم.

انضمت شركات أخرى. هيكسل كوربوريشن في أمريكا بدأت في صنع ألياف الكربون للطائرات. كربون SGL في ألمانيا تركز على الاستخدامات الصناعية. و عملية تصنيع ألياف الكربون أصبحت أكثر كفاءة كل عام.

بحلول نهاية السبعينيات, ألياف الكربون لم يعد للاستخدام العسكري فقط بعد الآن. بدأ صانعو المعدات الرياضية في استخدامه. إطارات الدراجات الهوائية مصنوعة من ألياف الكربون أخف وزنًا وأسرع من إصدارات الفولاذ أو الألومنيوم.

الثمانينيات والتسعينيات اعتماد أوسع نطاقاً

بوينج و إيرباص بدأت في استخدام المزيد من ألياف الكربون في طائرات الركاب. ظهرت هذه المادة في الأجنحة وأجزاء الذيل وأجزاء أخرى. ناسا على نطاق واسع في برنامج مكوك الفضاء.

الفورمولا 1 شهدت السباقات ثورة. صنعت مكلارين أول هيكل من ألياف الكربون في عام 1981. كانت سيارة MP4/1 أكثر أماناً من التصاميم السابقة. عندما اصطدم السائقون ألياف الكربون امتصاص الصدمات أفضل من المعدن. انخفضت وفيات الاصطدام بنسبة 40%.

أصبحت المعدات الرياضية مجنونة لـ ألياف الكربون. مضارب التنس من ويلسون و بابولات أصبحت أخف وزناً وأكثر قوة. مضارب الغولف من كالاواي و تايلور ميد دع اللاعبين يضربون أكثر. مصنعي الدراجات الهوائية مثل متخصصون, تريك، و بيناريلو إطارات مصنوعة من إطارات يحبها الدراجون المحترفون.

العقد الأول من القرن الحادي والعشرين-اليوم السوق الشامل

اليوم, ألياف الكربون في كل مكان إن بوينغ 787 دريملاينر هو 50% ألياف الكربون بالوزن. وهذا يوفر الوقود ويقلل من الانبعاثات. إيرباص تستخدم تقنية مماثلة في A350.

يحب صانعو السيارات الفاخرة ألياف الكربون أيضًا. بي إم دبليو يستخدمونه في سياراتهم الكهربائية من سلسلة i-series. لامبورغيني يصنع أجسامًا كاملة من مركبات ألياف الكربون. يمكنك حتى الحصول على طقم لامبورغيني أوروس من ألياف الكربون لترقية سيارتك الرياضية متعددة الاستخدامات. فيراري, بورشه، و تسلا تستخدم جميعها هذه المادة في موديلاتها المتطورة.

يستمر السوق في النمو. في عام 2020، بلغ الإنتاج العالمي 180,000 طن متري سنويًا. وتبلغ قيمة هذه الصناعة $25 مليار طن متري وتنمو بمقدار 10% سنويًا. الحديث مصانع المواد المركبة المخصصة إنتاج كل شيء من قطع غيار السيارات إلى شفرات توربينات الرياح.

ما أهمية الاكتشاف؟

نسبة القوة إلى الوزن المذهلة

ألياف الكربون أقوى بخمس مرات من الفولاذ. ولكن إليك الجزء المدهش: إنه يزن ربع وزنه فقط. هذا قوة خفيفة الوزن يغيّر كل شيء.

فكّر في الطائرات. كل رطل من الوزن يكلف وقوداً. إن بوينج 787 توفر 20% في الوقود مقارنة بالطائرات المعدنية المماثلة. وهذا أمر ضخم بالنسبة لشركات الطيران والبيئة.

تستفيد سيارات السباق أيضاً. تتسارع السيارة الأخف وزناً بشكل أسرع وتتحكم بشكل أفضل. لهذا السبب كل سيارة من ألياف الكربون على الفورمولا 1 تستخدم الشبكة استخدامات واسعة النطاق مركبات ألياف الكربون.

خصائص المواد المتفوقة

ألياف الكربون مزايا أخرى غير القوة. لنلقِ نظرة على المزايا الرئيسية الخصائص الهيكلية:

• صلابة عالية: ألياف الكربون لا ينحني بسهولة. هذا المقياس يجعلها مثالية للأجزاء التي تحتاج إلى البقاء جامدة.
• مقاومة التآكل: على عكس الفولاذ, ألياف الكربون لا يصدأ. يدوم لفترة أطول في البيئات القاسية.
• الخواص الحرارية: ألياف الكربون يتعامل مع درجات الحرارة القصوى بشكل جيد. ويُستخدم في المحركات النفاثة والمركبات الفضائية.
• التوصيل الكهربائي: بعض ألياف الكربون أنواع موصلة للكهرباء. وهذا يجعلها مفيدة في الإلكترونيات والبطاريات.

تطبيقات تغيير قواعد اللعبة

ال اكتشاف ألياف الكربون تمكين تقنيات جديدة تمامًا. وفيما يلي بعض الأمثلة على ذلك:

الطيران والفضاء: بدون ألياف الكربون, فالطائرات الحديثة لا تستطيع التحليق بنفس المسافة أو حمل نفس الكمية. ناسا, سبيس إكس، و بلو أوريجين جميعهم يعتمدون على مركبات ألياف الكربون للصواريخ والمركبات الفضائية.

الطاقة المتجددة: شفرات توربينات الرياح مصنوعة من ألياف الكربون هي 15% أكثر كفاءة من الألياف الزجاجية الإصدارات. تساعد في توليد المزيد من الكهرباء النظيفة.

الأجهزة الطبية: الأطراف الصناعية المصنوعة من ألياف الكربون 30% أخف وزناً من الأطراف الاصطناعية التقليدية. كما أنها أقوى وأكثر راحة. يمكن للمرضى التحرك بشكل طبيعي أكثر.

السيارات: سيارات ألياف الكربون أصبحت أكثر شيوعاً. تستفيد السيارات الكهربائية بشكل خاص، لأن الوزن الأخف يعني مدى أطول للبطارية.

الأثر الاقتصادي

ال صناعة ألياف الكربون توظف مئات الآلاف من الأشخاص حول العالم. شركات مثل توراي, هيكسيل, ميتسوبيشي كيميكال, كربون SGL، و زولتيك التنافس على الحصة السوقية.

تستمر المؤسسات البحثية في تخطي الحدود. معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا, جامعة ستانفورد, جامعة طوكيو, و معهد فراونهوفر كل الدراسة ابتكارات ألياف الكربون. إنهم يعملون على مركبات الشفاء الذاتي, تكامل الجرافين، و تكنولوجيا ألياف الكربون النانوية.

في عملنا في مجال تصنيع المركبات، يعد فهم هذا التاريخ أمرًا بالغ الأهمية. يفترض العديد من العملاء أن ألياف الكربون هي ‘مادة جديدة’، ولكن من الناحية العملية، فإن اختيار درجة الألياف ونوع السلائف وطرق المعالجة متجذرة بعمق في هذه التطورات التاريخية.

تصنيع ألياف الكربون: كيف تُصنع

مواد البدء

عصري إنتاج ألياف الكربون يبدأ ب مواد السلائف. الأكثر شيوعًا هو PAN (بولي أكريلونيتريل). حوالي 90% من جميع ألياف الكربون يأتي من على أساس PAN العمليات.

تستخدم بعض الشركات المصنعة على أساس درجة الصوت السلائف بدلاً من ذلك. هذه تصنع أليافًا أكثر صلابة للاستخدامات المتخصصة. لا يزال عدد قليل منها يصنع ألياف الكربون المستندة إلى الحرير الصناعي, على الرغم من أن هذا الأمر أصبح أقل شيوعاً الآن.

عملية الإنتاج

صنع ألياف الكربون تتضمن عدة خطوات. وتعتبر كل خطوة حاسمة بالنسبة للخطوة النهائية الخصائص الهيكلية:

1. الغزل: يتم غزل المادة السليفة إلى خيوط رفيعة. وهذا عملية الغزل تخلق أليافًا سمكها حوالي 5-10 ميكرومتر.

2. التثبيت: يتم تسخين الألياف إلى 200-300 درجة مئوية في الهواء. وهذا مرحلة الأكسدة يغير تركيبها الكيميائي.

3. الكربنة: بعد ذلك تأتي الحرارة الشديدة: 1,000-1,800 درجة مئوية بدون أكسجين. وهذا الانحلال الحراري يحرق كل شيء ما عدا ذرات الكربون تتحول الألياف إلى اللون الأسود وتصبح أقوى بكثير.

4. الرسم البياني: يتم تسخين بعض الألياف أكثر من ذلك، إلى 2000 إلى 3000 درجة مئوية. وهذا المعالجة الحرارية يحاذي ذرات الكربون في بنية بلورية. إنه يخلق أقوى وأصلب ألياف الكربون ممكن.

5. معالجة السطح: وأخيرًا، تستقبل الألياف معالجة السطح و التحجيم. وهذا يساعدها على الارتباط بشكل أفضل مع الراتنجات في المواد المركبة.

صنع الأجزاء المركبة

خام ألياف الكربون غير مفيد بمفرده. يجب دمجه مع الراتنج لإنشاء البوليمرات المقواة بألياف الكربون (CFRP). إليك الطريقة:

النسيج: يتم نسج الألياف المنفردة معًا. قماش منسوج يمكن وضعها في اتجاهات مختلفة للقوة. شريط أحادي الاتجاه تشير جميع الألياف إلى الاتجاه نفسه لتحقيق أقصى قوة في اتجاه واحد.

حضانات: يستخدم العديد من المصنعين ما قبل التشحيم المادة. هذه هي ألياف الكربون قماش مشبع مسبقاً بالراتنج. إنه أسهل في العمل وينتج نتائج متسقة.

القوالب: مختلف عمليات التصنيع إنشاء أجزاء مختلفة:

• القولبة بالأوتوكلاف: طبقات من ما قبل التشحيم يتم تكديسها في قالب، ثم تسخينها تحت الضغط
• القولبة بالضغط: مماثل، ولكنه يستخدم الضغط الميكانيكي بدلاً من الأوتوكلاف
• تسريب الراتنج: جاف ألياف الكربون يوضع القماش في قالب، ثم يتم شفط الراتنج من خلاله
• النتوء: للأجزاء الطويلة المستقيمة مثل الأنابيب
• لف الفتيل: للأسطوانات المجوفة مثل الأنابيب أو أوعية الضغط

الابتكارات الحديثة

تستمر التقنيات الجديدة في التحسن تصنيع ألياف الكربون. الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام ألياف الكربون تتيح للمصممين ابتكار أشكال معقدة يستحيل استخدامها بالطرق التقليدية. العديد من ألياف كربون مخصصة تقدم الشركات المصنعة الآن هذه الخدمة.

إعادة تدوير ألياف الكربون أصبحت مهمة أيضًا. ومع وصول المزيد من المنتجات إلى نهاية عمرها الافتراضي، تساعد إعادة التدوير في الاستدامة ويقلل التأثير البيئي. تعمل الشركات على تطوير طرق لاستعادة وإعادة استخدام ألياف الكربون من الأجزاء القديمة.

المفاهيم الخاطئة الشائعة عن ألياف الكربون

الخرافة 1: شخص واحد اخترعها

يتساءل الكثير من الناس “من الذي اكتشف ألياف الكربون؟ ولكن اختراع ألياف الكربون لم يكن كذلك.

السير جوزيف سوان بدأت الرحلة في عام 1879. توماس أديسون تحسينات على عمله في عام 1880. ولكن لم يبتكر أي منهما حديثًا ألياف الكربون. ويذهب هذا الشرف لـ روجر بيكون في عام 1958. ثم أكيو شيندو و صناعات توري جعلها تجارية في الستينيات والسبعينيات.

الأمر أشبه بالسؤال عمن اخترع الكمبيوتر. هل كان تشارلز باباج؟ آلان تورينج؟ ستيف جوبز؟ الحقيقة هي أن العديد من الناس ساهموا في ذلك. تاريخ ألياف الكربون يعمل بالطريقة نفسها.

الخرافة 2: عمل أديسون كان ألياف الكربون الحديثة

تقول بعض المصادر توماس أديسون تم اختراعها ألياف الكربون. هذا ليس صحيحًا تمامًا. صنع إديسون خيوط الكربون للمصابيح الكهربائية. كانت رقيقة وضعيفة. كانت تعمل على إنتاج الضوء لكنها لم تستطع تحمل الكثير من الضغط.

روجر بيكون كان العمل مختلفًا تمامًا. فقد صنع أليافًا قوية بما يكفي لـ التطبيقات الهيكلية. بيكون ألياف الكربون يمكن أن تحل محل المعدن في بعض الاستخدامات. هذا هو اختراق محوري هذا مهم.

الخرافة 3: ألياف الكربون أفضل دائماً من المعدن

ألياف الكربون خصائص مذهلة، لكنها ليست مثالية لكل شيء. إليك الحقيقة:

المميزات:

• أخف بكثير من الفولاذ أو الألومنيوم
• أعلى قوة الشد في العديد من التطبيقات
• ممتاز مقاومة التآكل
• جيد الخواص الحرارية

العيوب:

• أغلى من المعادن
• يمكن أن تكون هشة تحت تأثيرات معينة
• يصعب إصلاحها عند تلفها
• يتطلب التصنيع معدات متخصصة

يختار المصممون الأذكياء المواد بناءً على الاحتياجات المحددة لكل مشروع. في بعض الأحيان يكون المعدن هو الخيار الأفضل.

الاعتقاد الخاطئ 4: ألياف الكربون جديدة تماماً

ألياف الكربون تبدو مستقبلية، لذا يفترض الناس أنها جديدة. لكن تذكر, روجر بيكون تم إنشاؤه في عام 1958. أي منذ أكثر من 65 عاماً!

ال المؤسسة الملكية للطائرات في الطائرات العسكرية في الستينيات. الفورمولا 1 اعتمدتها الفرق في عام 1981. و بوينج 787, ، على الرغم من أنه متقدم، طار لأول مرة في عام 2009. تقنية ألياف الكربون موجودة منذ فترة طويلة.

ما الجديد في الواقع؟ أفضل عمليات التصنيع, أقل تكاليف ألياف الكربون, واعتمادها على نطاق أوسع في المنتجات الاستهلاكية. لم تتغير المواد الأساسية كثيرًا منذ السبعينيات.

ألياف الكربون اليوم: الإحصائيات والحقائق الرئيسية

حجم السوق ونموه

ال صناعة ألياف الكربون مزدهرة. إليك الأرقام:

الأداء في العالم الحقيقي

لنلقِ نظرة على كيفية ألياف الكربون يؤدي في الواقع في استخدامات مختلفة:

الطيران والفضاء (بوينغ 787 دريملاينر):

• 50% من وزن الطائرة هو ألياف الكربون
• 20% كفاءة في استهلاك الوقود أفضل من الطائرات المماثلة
• انخفاض تكاليف الصيانة
• القدرة على المدى الأطول

السيارات (الفورمولا 1):

• هيكل من ألياف الكربون المعيار منذ عام 1981
• 40% انخفاض عدد الوفيات الناجمة عن حوادث التصادم
• توفير في الوزن يتراوح بين 100 و150 كجم لكل سيارة
• تحسين التحكم والتسارع

الطاقة المتجددة (توربينات الرياح):

• شفرات ألياف الكربون زيادة إنتاج الطاقة بمقدار 15%
• شفرات أطول ممكنة بسبب قوة خفيفة الوزن
• أفضل التحمل في الطقس القاسي
• انخفاض متطلبات الصيانة

الطب الباطني (الأطراف الصناعية):

• 30% أخف وزنًا من المواد التقليدية
• أفضل مقاومة التآكل (لن يصدأ)
• أكثر راحة للمرضى
• تمكين حركة أكثر طبيعية

الشركات الرائدة والأبحاث

ال صناعة ألياف الكربون تشمل العديد من اللاعبين الرئيسيين:

الشركات المصنعة:

• صناعات توري (اليابان) - الشركة الرائدة في السوق
• ميتسوبيشي كيميكال (اليابان) - الألياف عالية الأداء
• هيكسل كوربوريشن (الولايات المتحدة الأمريكية) - التركيز على الفضاء الجوي
• كربون SGL (ألمانيا) - التطبيقات الصناعية
• زولتيك (الولايات المتحدة الأمريكية) - ألياف منخفضة التكلفة
• تيجين المحدودة (اليابان) - المركبات المتقدمة

المستخدمون الرئيسيون:

• بوينج و إيرباص (الطائرات التجارية)
• لوكهيد مارتن و نورثروب جرومان (عسكري)
• بي إم دبليو, لامبورغيني, فيراري, بورشه (السيارات)
• ناسا, سبيس إكس, بلو أوريجين (الفضاء)
• متنوع شركات تصنيع المركبات المركبة (الأجزاء المخصصة)

المؤسسات البحثية:

• معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT)
• جامعة ستانفورد
• جامعة طوكيو
• جامعة مانشستر (أبحاث الجرافين)
• معهد فراونهوفر (ألمانيا)
• المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)

الابتكارات المستقبلية

يعمل العلماء على اكتشافات جديدة ومثيرة ابتكارات ألياف الكربون:

المواد الذكية: تضمين أجهزة الاستشعار في ألياف الكربون لمراقبة الإجهاد والتلف في الوقت الفعلي. مفيد لأجنحة الطائرات والجسور.

مركبات الشفاء الذاتي: مواد يمكنها إصلاح الشقوق الصغيرة تلقائيًا. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى إطالة عمر ألياف الكربون الأجزاء.

تكامل الجرافين: الجمع بين ألياف الكربون مع الجرافين (صفائح الكربون فائقة الرقة) لإنشاء مواد أقوى.

انخفاض التكاليف: جديد عمليات التصنيع تهدف إلى خفض تكاليف الإنتاج بمقدار 50%. وهذا من شأنه أن يجعل ألياف الكربون بأسعار معقولة للمنتجات اليومية.

إعادة تدوير أفضل: محسّنة إعادة تدوير ألياف الكربون ستقلل الطرق من الهدر و التأثير البيئي.

الأسئلة المتكررة

متى تم استخدام ألياف الكربون لأول مرة؟

السير جوزيف سوان ابتكرت أول ألياف كربونية في عام 1879 لخيوط المصابيح الكهربائية. ومع ذلك، فإن ألياف الكربون لـ التطبيقات الهيكلية بدأت ب روجر بيكون في عام 1958. بدأ الاستخدام التجاري في الستينيات والسبعينيات بفضل صناعات توري وشركات يابانية أخرى.

هل ألياف الكربون أقوى من الفولاذ؟

نعم, ألياف الكربون أقوى بحوالي خمس مرات من الفولاذ عند مقارنة قوة الشد. كما أنها تزن ربع وزنها فقط. هذا الجهاز المذهل نسبة القوة إلى الوزن يصنع ألياف الكربون مثالية للطائرات وسيارات السباق والمعدات الرياضية.

ومع ذلك, ألياف الكربون يمكن أن تكون أكثر هشاشة تحت تأثيرات معينة. تعتمد أفضل المواد على الاستخدام المحدد.

من يملك براءات اختراع ألياف الكربون اليوم؟

تحتفظ العديد من الشركات براءات اختراع ألياف الكربون. صناعات توري, ميتسوبيشي كيميكال، و هيكسل كوربوريشن براءات الاختراع الخاصة التي تغطي عمليات التصنيع, مواد السلائف, وأنواع محددة من الألياف.

ومع ذلك، فإن الأساسيات تقنية ألياف الكربون أصبح الآن ملكاً عاماً. النسخة الأصلية براءات اختراع روجر بيكون من يونيون كاربايد انتهت صلاحيتها منذ فترة طويلة. تركز براءات الاختراع الحديثة على التحسينات والتطبيقات الجديدة.

كم تبلغ تكلفة ألياف الكربون؟

ألياف الكربون تختلف الأسعار على نطاق واسع. الأساسية على أساس PAN تكلف الألياف $10-15 للرطل الواحد بكميات كبيرة. عالية الأداء الدرجة الفضائية الجوية يمكن أن تكلف الألياف $50-100+ للرطل الواحد.

تكلف الأجزاء الجاهزة أكثر بسبب العمالة و تعقيدات التصنيع. واحدة ألياف الكربون قد يكلف إطار الدراجة $500-3,000. مخصص ألياف الكربون يمكن أن تكلف قطع غيار السيارات آلاف الدولارات.

ومع ذلك، تستمر الأسعار في الانخفاض. أفضل طرق إنتاج ألياف الكربون خفض التكاليف كل عام.

هل يمكن إعادة تدوير ألياف الكربون؟

نعم، ولكن الأمر صعب. تقليدي إعادة تدوير ألياف الكربون تتضمن حرق الراتنج في فرن خاص. وهذا يستعيد الألياف، ولكنها تكون أقصر وأضعف من الألياف الجديدة.

تتحسن طرق إعادة التدوير الجديدة. يمكن للعمليات الكيميائية أن تذيب الراتنج دون الإضرار بالألياف بنفس القدر. تصنع بعض الشركات الآن ألياف الكربون المعاد تدويرها منتجات ذات أداء يقارب أداء المواد الجديدة.

نظرًا لأن الصناعة تركز بشكل أكبر على الاستدامة, ، توقع حلولاً أفضل لإعادة التدوير.

ما الفرق بين ألياف الكربون والألياف الزجاجية؟

كلاهما المواد المركبة, ولكنهما يستخدمان أليافاً مختلفة:

ألياف الكربون:

• مصنوعة من ذرات الكربون
• أقوى وأصلب بكثير
• أخف وزناً
• أكثر تكلفة
• أفضل الخواص الحرارية

ألياف زجاجية:

• مصنوعة من ألياف زجاجية
• أرخص في الإنتاج
• أثقل من ألياف الكربون
• أكثر مرونة (يمكن أن تكون جيدة أو سيئة)
• أسهل في الإصلاح

ألياف الكربون عادةً ما تحل محل الألياف الزجاجية عندما يكون الأداء أكثر أهمية من التكلفة. فكر في سيارات السباق مقابل القوارب العادية.

ما هي الصناعات الأكثر استخداماً لألياف الكربون؟

أكبر مستخدمي ألياف الكربون هي:

1. الطيران والفضاء: تستخدم الطائرات التجارية والعسكرية كميات هائلة. و بوينج 787 وحدها تتطلب آلاف الجنيهات لكل طائرة.

2. السيارات: سيارات ألياف الكربون تنمو بسرعة. تتصدر السيارات الرياضية الراقية والسيارات الكهربائية قائمة السيارات المعتمدة.

3. طاقة الرياح: حديث شفرات توربينات الرياح الاستخدام المتزايد ألياف الكربون لتحسين الكفاءة.

4. معدات رياضية: إطارات الدراجات الهوائية, مضارب الجولف, مضارب التنس, وأكثر من ذلك كلها تستخدم ألياف الكربون.

5. صناعي: الروبوتات، والطائرات بدون طيار، والبناء، والتصنيع، كلها تجد استخدامات مركبات ألياف الكربون.

الخاتمة الاكتشاف الذي شكّل عالمنا

إذن من اكتشف ألياف الكربون? تتضمن الإجابة السير جوزيف سوان, توماس أديسون, روجر بيكون, أكيو شيندو, والعلماء في صناعات توري. قدم كل منهم مساهمات حاسمة في أوقات مختلفة.

تاريخ ألياف الكربون يوضح كيف يعمل الابتكار. فالابتكار الذي حققه شخص واحد يعتمد على الاكتشافات السابقة. فقد أدى ورق سوان المكربن إلى ألياف بيكون القوية، والتي أدت إلى منتجات توراي التجارية. واليوم شركات تصنيع المركبات المركبة مواصلة هذا التقليد في التحسين.

ال اكتشاف ألياف الكربون غيرت عالمنا. جعل الطائرات أكثر كفاءة. أنقذت الأرواح في حوادث سيارات السباق. وأتاحت طاقة رياح أنظف وأطرافاً صناعية أكثر راحة.

استشراف المستقبل, ابتكارات ألياف الكربون تعد بالمزيد. ستؤدي طرق الإنتاج الأرخص إلى تحقيق ذلك مواد عالية الأداء للمنتجات اليومية. تطبيقات جديدة في الروبوتات, الإنشاءات، و مواد ذكية بدأت للتو.

من خيوط المصابيح الكهربائية في عام 1879 إلى المركبات الفضائية في عام 2024, تطور ألياف الكربون يستمر. من يدري ماذا سيكون الاختراق القادم؟ هناك شيء واحد مؤكد: ستستمر هذه المادة المذهلة في تشكيل مستقبلنا لعقود قادمة.

من اكتشف ألياف الكربون؟ شرح تاريخ الاختراع مقدمة: المادة التي غيّرت كل شيء هل تساءلت يوماً من اخترع المادة فائقة القوة وخفيفة الوزن المستخدمة في سيارات السباق والطائرات؟ ألياف الكربون موجودة في كل مكان اليوم. فهي موجودة في سيارات الفورمولا 1، وطائرات بوينج النفاثة، وحتى الأطراف الصناعية الطبية. ولكن من الذي اكتشفها بالفعل؟

الإجابة ليست بسيطة. حدث اختراع ألياف الكربون على مدى سنوات عديدة. حقق علماء مختلفون اختراقات في أوقات مختلفة. عمل البعض على خيوط الكربون للمصابيح الكهربائية. وابتكر آخرون ألياف الكربون عالية الأداء التي نستخدمها اليوم.

تروي هذه المقالة القصة الكاملة. ستتعرف على رواد ألياف الكربون الذين جعلوها ممكنة. سنستكشف تاريخ ألياف الكربون منذ عام 1879 وحتى اليوم. بالإضافة إلى ذلك، سترى كيف غيرت هذه المادة المذهلة الصناعات إلى الأبد.

من اخترع ألياف الكربون؟ الرواد الأوائل (1879-1880) صنع السير جوزيف سوان أول ألياف كربونية في عام 1879. وكان عالماً بريطانياً يعمل على المصابيح الكهربائية. أخذ سوان ورقاً عادياً وسخنه حتى تحول إلى كربون. توهجت هذه الخيوط الورقية المكربنة عندما مرت الكهرباء من خلالها.

وفي نفس الوقت تقريبًا، كان توماس أديسون يقوم بعمل مماثل في أمريكا. وفي عام 1880، حصل أديسون على براءة اختراع لنسخته الخاصة. استخدم ألياف الخيزران المكربنة بدلاً من الورق. استمرت خيوط إديسون لفترة أطول من خيوط سوان. ومع ذلك، لم يبتكر أي من الرجلين ما نسميه اليوم ألياف الكربون.

ومع ذلك، كانت هذه التجارب المبكرة مهمة. فقد أظهرت أنه يمكن تحويل الكربون إلى خيوط رقيقة وقوية. تبدأ قصة أصل ألياف الكربون من هنا، لكن الإنجاز الحقيقي جاء بعد ذلك بكثير.

الاختراق الحقيقي (1958) غيّر روجر بيكون كل شيء في عام 1958. كان يعمل في شركة يونيون كاربايد وهي شركة كيميائية كبيرة. ابتكر بيكون أول ألياف كربون حقيقية عالية الأداء. كانت أليافه قوية وصلبة بشكل لا يصدق.

استخدم بيكون عملية مختلفة عن سوان أو إديسون. فقد بدأ بمادة تسمى بولي أكريلونيتريل (PAN). عند تسخينه إلى درجات حرارة عالية للغاية، تحول PAN إلى خيوط كربون نقي. وكان لهذه الخيوط خصائص هيكلية مذهلة.

جعلت اختراقات بيكون في مجال ألياف الكربون التطبيقات الحديثة ممكنة. وقد أدى عمله في شركة يونيون كاربايد إلى براءات اختراع شكلت الصناعة بأكملها. واليوم، يعتبر الخبراء بيكون الأب الروحي لتكنولوجيا ألياف الكربون الحديثة.

الابتكار الياباني (الستينيات) انتقلت اليابان بتطوير ألياف الكربون إلى المستوى التالي. ابتكر أكيو شيندو ألياف الكربون القائمة على الزفت في عام 1961. وقد كانت هذه الألياف أكثر صلابة من الألياف المستندة إلى الزفت.

ولكن اللاعب الأكبر كان شركة Toray Industries. بدأت هذه الشركة اليابانية إنتاج ألياف الكربون التجارية في السبعينيات. وقامت بتطوير ألياف T300 التي أصبحت معيار الصناعة. وبحلول الثمانينيات، سيطرت Toray على 70% من السوق العالمية.

كما قفزت شركة ميتسوبيشي للكيماويات إلى اللعبة. فقد حوّلت هذه الشركات ألياف الكربون من مجرد فضول معملي إلى منتج تجاري. واليوم، يواصل مصنعو مركبات الكربون الحديثة البناء على ابتكاراتهم.

تجارب الألياف الكربونية الأولى عمل سوان للمصباح الكهربائي (1879) لنعد إلى البداية. احتاج السير جوزيف سوان إلى خيوط أفضل لمصابيحه الكهربائية. فقد ظلت المواد التي جربها تحترق بسرعة كبيرة.

جرب سوان مواد مختلفة. واكتشف أن تسخين الورق في بيئة خالية من الأكسجين أنتج خيوطاً كربونية. قامت هذه الخيوط بتوصيل الكهرباء وإنتاج الضوء. ومع ذلك، كانت هشة ولم تدم طويلاً.

كان عمل سوان رائدًا في وقته. فقد أظهر أن تخليق الكربون كان ممكناً. وقد أرست تجاربه المبكرة على ألياف الكربون الأساس للاكتشافات المستقبلية.

تحسينات أديسون (1880) سمع توماس أديسون عن عمل سوان. أراد أن يصنع شيئًا أفضل. جرب إديسون آلاف المواد المختلفة. وأخيراً، وجد أن الخيزران المكربن يعمل بشكل أفضل.

استمر فتيل الكربون الذي صنعه إديسون لمدة 1200 ساعة. وكان ذلك أطول بكثير من نسخة سوان الورقية. حصل إديسون على براءة اختراع لتصميمه وبدأ في بيع المصابيح الكهربائية تجاريًا.

مثل سوان، لم يكن إديسون يصنع مواد مركبة من ألياف الكربون. لكن أبحاثه أثبتت أن الكربون يمكن تشكيله في أشكال مفيدة. ألهمت أبحاث ألياف الكربون المبكرة هذه العلماء لعقود.

الفجوة الطويلة لماذا استغرق الأمر وقتًا طويلاً للانتقال من خيوط المصباح الكهربائي إلى ألياف الكربون الحديثة؟ الجواب هو التكنولوجيا.

عمل سوان وإديسون في درجات حرارة منخفضة. كانت خيوط الكربون لديهم ضعيفة وهشة. ولم تستطع تحمل الكثير من الضغط. لم يعرف أحد كيفية جعل الكربون قويًا بما يكفي للتطبيقات الهيكلية.

تغير ذلك عندما تعرف العلماء على المعالجة في درجات حرارة عالية. فعن طريق تسخين الكربون إلى 1000-3000 درجة مئوية، تمكنوا من إنتاج ألياف أقوى بكثير. تطلبت هذه العملية الكيميائية معدات جديدة وفهماً أفضل لعلوم المواد.

اكتشف روجر بيكون التركيبة الصحيحة في عام 1958. فقد استخدم اكتشافه المختبري في شركة يونيون كاربايد أفرانًا متطورة ومواد سلائف PAN. وكان هذا هو الإنجاز العلمي الذي جعل كل شيء آخر ممكنًا.

تطوير ألياف الكربون الحديثة في الستينيات: المجال العسكري والفضاء الجوي بمجرد أن ابتكرت شركة بيكون ألياف الكربون عالية الأداء، اهتمت الحكومات بذلك. بدأت المؤسسة الملكية للطائرات (RAE) في المملكة المتحدة في استخدام ألياف الكربون المركبة في الطائرات العسكرية. استخدمت طائرة Harrier النفاثة الشهيرة Harrier Jump Jet هذه المواد.

لماذا؟ لأن ألياف الكربون خفيفة للغاية. كما أنها أقوى من الفولاذ. وبالنسبة للطائرات، فإن الوزن الأقل يعني كفاءة أفضل في استهلاك الوقود ومدى أطول. بدأ تاريخ ألياف الكربون في مجال الطيران من هنا.

بدأت ناسا أيضًا في إجراء التجارب. ورأوا إمكانية استكشاف الفضاء. يمكن أن تساعد المادة خفيفة الوزن الصواريخ على حمل المزيد من الحمولات. وكانت الاختبارات المبكرة واعدة.

السبعينيات الإنتاج التجاري غيرت صناعات توراي اللعبة في السبعينيات. فقد اكتشفوا كيفية صنع ألياف الكربون بتكلفة رخيصة بما يكفي لبيعها تجاريًا. وأصبحت ألياف T300 مشهورة في جميع أنحاء العالم.

وانضمت شركات أخرى. بدأت شركة Hexcel في أمريكا في صناعة ألياف الكربون للطائرات. وركزت شركة SGL Carbon في ألمانيا على الاستخدامات الصناعية. وأصبحت عملية تصنيع ألياف الكربون أكثر كفاءة كل عام.

وبحلول نهاية السبعينيات، لم تعد ألياف الكربون مخصصة للاستخدام العسكري فقط. فقد بدأ صانعو المعدات الرياضية في استخدامها. وكانت إطارات الدراجات الهوائية المصنوعة من ألياف الكربون أخف وزناً وأسرع من إصدارات الفولاذ أو الألومنيوم.

الثمانينيات والتسعينيات: اعتماد أوسع بدأت شركتا بوينج وإيرباص في استخدام المزيد من ألياف الكربون في طائرات الركاب. وظهرت هذه المادة في الأجنحة وأجزاء الذيل وأجزاء أخرى. واستخدمتها وكالة ناسا على نطاق واسع في برنامج مكوك الفضاء.

شهدت سباقات الفورمولا 1 ثورة. صنعت ماكلارين أول هيكل من ألياف الكربون في عام 1981. وكانت سيارة MP4/1 أكثر أماناً من التصاميم السابقة. عندما اصطدم السائقون، كانت ألياف الكربون تمتص الصدمات بشكل أفضل من المعدن. انخفضت وفيات حوادث الاصطدام بنسبة 40%.

أصبحت المعدات الرياضية مجنونة بألياف الكربون. أصبحت مضارب التنس من ويلسون وبابولات أخف وزناً وأكثر قوة. وأتاحت مضارب الجولف من Callaway و TaylorMade للاعبين ضرب الكرة بشكل أكبر. وصنعت شركات تصنيع الدراجات الهوائية مثل Specialized وTrick وP Pinarello إطارات أحبها الدراجون المحترفون.

العقد الأول من القرن الحادي والعشرين-اليوم: السوق الشامل اليوم، تنتشر ألياف الكربون في كل مكان. فطائرة بوينج 787 دريملاينر من طراز بوينج 787 دريملاينر مصنوعة من ألياف الكربون 50% من حيث الوزن. وهذا يوفر الوقود ويقلل من الانبعاثات. تستخدم شركة إيرباص تقنية مماثلة في طائرة A350.

يحب صانعو السيارات الفاخرة ألياف الكربون أيضاً. تستخدمها BMW في سياراتها الكهربائية من سلسلة i-series. وتصنع لامبورغيني هياكل كاملة من مركبات ألياف الكربون. يمكنك حتى الحصول على مجموعة لامبورغيني أوروس المصنوعة من ألياف الكربون لترقية سيارتك الرياضية متعددة الاستخدامات. وتستخدم كل من فيراري وبورشه وتسلا هذه المادة في طرازاتها الراقية.

يستمر السوق في النمو. في عام 2020، بلغ الإنتاج العالمي 180,000 طن متري سنويًا. وتبلغ قيمة هذه الصناعة $25 مليار طن متري وتنمو بمقدار 10% سنويًا. تنتج مصانع المركبات الحديثة المخصصة كل شيء من قطع غيار السيارات إلى شفرات توربينات الرياح.

ما أهمية الاكتشاف؟ نسبة القوة إلى الوزن المذهلة نسبة القوة إلى الوزن ألياف الكربون أقوى من الفولاذ بحوالي خمس مرات. ولكن إليك الجزء المدهش: إنها تزن ربع وزنه فقط. هذه القوة خفيفة الوزن تغير كل شيء.

فكّر في الطائرات. كل رطل من الوزن يكلف الوقود. توفر طائرة بوينج 787 201 تيرابايت في الوقود مقارنة بالطائرات المعدنية المماثلة. وهذا أمر ضخم بالنسبة لشركات الطيران والبيئة.

تستفيد سيارات السباق أيضاً. فالسيارة الأخف وزناً تتسارع بشكل أسرع وتتحكم بشكل أفضل. ولهذا السبب تستخدم كل سيارة مصنوعة من ألياف الكربون على شبكة الفورمولا 1 مركبات ألياف الكربون على نطاق واسع.

خواص المواد المتفوقة تتمتع ألياف الكربون بمزايا أخرى غير القوة. لنلقِ نظرة على الخصائص الهيكلية الرئيسية:

صلابة عالية: لا تنحني ألياف الكربون بسهولة. هذا المعامل يجعلها مثالية للأجزاء التي تحتاج إلى البقاء صلبة. مقاومة للتآكل: على عكس الفولاذ، لا تصدأ ألياف الكربون. فهي تدوم لفترة أطول في البيئات القاسية. الخصائص الحرارية: تتحمل ألياف الكربون درجات الحرارة القصوى بشكل جيد. تُستخدم في المحركات النفاثة والمركبات الفضائية. التوصيل الكهربائي: تقوم بعض أنواع ألياف الكربون بتوصيل الكهرباء. وهذا يجعلها مفيدة في الإلكترونيات والبطاريات. التطبيقات التي تغير قواعد اللعبة مكّن اكتشاف ألياف الكربون من استخدام تقنيات جديدة تماماً. وفيما يلي بعض الأمثلة:

الفضاء الجوي: من دون ألياف الكربون، لا يمكن للطائرات الحديثة أن تطير بنفس المسافة أو تحمل نفس القدر. تعتمد كل من ناسا وسبيس إكس وبلو أوريجين على مركبات ألياف الكربون في الصواريخ والمركبات الفضائية.

الطاقة المتجددة: تتميز شفرات توربينات الرياح المصنوعة من ألياف الكربون بكفاءة أعلى بـ 15% من إصدارات الألياف الزجاجية. فهي تساعد في توليد المزيد من الكهرباء النظيفة.

الأجهزة الطبية: الأطراف الاصطناعية المصنوعة من ألياف الكربون أخف وزناً بمقدار 30% من الأطراف الاصطناعية التقليدية. كما أنها أقوى وأكثر راحة. يمكن للمرضى التحرك بشكل طبيعي أكثر.

السيارات: أصبحت السيارات المصنوعة من ألياف الكربون أكثر شيوعاً. وتستفيد السيارات الكهربائية بشكل خاص، لأن الوزن الأخف يعني مدى أطول للبطارية.

الأثر الاقتصادي توظف صناعة ألياف الكربون مئات الآلاف من الأشخاص في جميع أنحاء العالم. وتتنافس شركات مثل Toray وHexcel وMitsubishi Chemical وSGL Carbon وZoltek على حصتها في السوق.

تواصل المؤسسات البحثية تخطي الحدود. يدرس كل من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة ستانفورد وجامعة طوكيو ومعهد فراونهوفر ابتكارات ألياف الكربون. وهي تعمل على المركبات ذاتية الشفاء، وتكامل الجرافين، وتكنولوجيا ألياف الكربون النانوية.

في عملنا في مجال تصنيع المركبات، يعد فهم هذا التاريخ أمرًا بالغ الأهمية. يفترض العديد من العملاء أن ألياف الكربون هي ‘مادة جديدة’، ولكن من الناحية العملية، فإن اختيار درجة الألياف ونوع السلائف وطرق المعالجة متجذرة بعمق في هذه التطورات التاريخية.

تصنيع ألياف الكربون: كيف تُصنع المواد الأولية يبدأ الإنتاج الحديث لألياف الكربون بمواد أولية. وأكثرها شيوعًا هو PAN (بولي أكريلونيتريل). يأتي حوالي 90% من جميع ألياف الكربون من العمليات القائمة على PAN.

وتستخدم بعض الشركات المصنعة سلائف قائمة على الزفت بدلاً من ذلك. وتنتج أليافاً أكثر صلابة للاستخدامات المتخصصة. ولا يزال عدد قليل منهم يصنع ألياف الكربون المستندة إلى الحرير الصناعي، على الرغم من أن هذا الأمر أصبح أقل شيوعًا الآن.

عملية الإنتاج تتضمن عملية تصنيع ألياف الكربون عدة خطوات. وتعد كل خطوة حاسمة بالنسبة للخصائص الهيكلية النهائية:

الغزل: يتم غزل المادة الأولية إلى خيوط رفيعة. وتنتج عملية الغزل هذه أليافاً يتراوح سمكها بين 5 و10 ميكرومترات.

التثبيت: يتم تسخين الألياف إلى 200-300 درجة مئوية في الهواء. وتؤدي مرحلة الأكسدة هذه إلى تغيير تركيبها الكيميائي.

الكربنة: بعد ذلك تأتي الحرارة الشديدة: 1,000-1,800 درجة مئوية بدون أكسجين. يحرق هذا الانحلال الحراري كل شيء باستثناء ذرات الكربون. تتحول الألياف إلى اللون الأسود وتصبح أقوى بكثير.

التحوير البياني: يتم تسخين بعض الألياف بدرجة حرارة أعلى، تصل إلى 2000 إلى 3000 درجة مئوية. تعمل هذه المعالجة الحرارية على محاذاة ذرات الكربون في بنية بلورية. وتخلق أقوى وأصلب ألياف الكربون الممكنة.

المعالجة السطحية: وأخيرًا، تتلقى الألياف معالجة سطحية وتحجيمًا. وهذا يساعدها على الارتباط بشكل أفضل مع الراتنجات في المواد المركبة.

صنع الأجزاء المركبة ألياف الكربون الخام ليست مفيدة في حد ذاتها. يجب دمجها مع الراتنج لصنع بوليمرات مقواة بألياف الكربون (CFRP). وإليك الطريقة:

النسيج: يتم نسج الألياف المنفردة معاً. يمكن وضع النسيج المنسوج في اتجاهات مختلفة للحصول على القوة. أما الشريط أحادي الاتجاه فتتجه جميع الألياف في نفس الاتجاه للحصول على أقصى قوة في اتجاه واحد.

ما قبل التشريب: تستخدم العديد من الشركات المصنعة مادة ما قبل التشريب. وهي عبارة عن قماش من ألياف الكربون مشبع مسبقًا بالراتنج. وهي أسهل في التعامل معها وتنتج نتائج متسقة.

القولبة: تخلق عمليات التصنيع المختلفة أجزاء مختلفة:

القولبة بالأوتوكلاف: يتم تكديس طبقات من الراتينج المسبق التجهيز في قالب، ثم يتم تسخينها تحت الضغط صب بالضغط: مماثل، ولكنه يستخدم الضغط الميكانيكي بدلاً من الأوتوكلاف ضخ الراتنج: يتم وضع نسيج ألياف الكربون الجاف في قالب، ثم يتم امتصاص الراتنج من خلاله الصب بالضغط: للأجزاء الطويلة المستقيمة مثل الأنابيب لف الخيوط: للأسطوانات المجوفة مثل الأنابيب أو أوعية الضغط الابتكارات الحديثة تستمر التقنيات الحديثة في تحسين تصنيع ألياف الكربون. تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام ألياف الكربون للمصممين إنشاء أشكال معقدة يستحيل استخدامها بالطرق التقليدية. تقدم الآن العديد من الشركات المصنعة لألياف الكربون المخصصة هذه الخدمة.

أصبحت إعادة تدوير ألياف الكربون مهمة أيضًا. فمع وصول المزيد من المنتجات إلى نهاية عمرها الافتراضي، تساعد إعادة التدوير في تحقيق الاستدامة وتقليل الأثر البيئي. تعمل الشركات على تطوير طرق لاستعادة ألياف الكربون من الأجزاء القديمة وإعادة استخدامها.

المفاهيم الخاطئة الشائعة عن ألياف الكربون الخرافة الأولى: اخترعها شخص واحد يتساءل الكثير من الناس “من اكتشف ألياف الكربون؟ لكن اختراع ألياف الكربون لم يكن كذلك.

بدأ السير جوزيف سوان الرحلة في عام 1879. وقام توماس أديسون بتحسين عمله في عام 1880. ولكن لم يبتكر أي منهما ألياف الكربون الحديثة. ويذهب هذا الشرف إلى روجر بيكون في عام 1958. ثم قام أكيو شيندو وشركة Toray Industries بجعلها تجارية في الستينيات والسبعينيات.

الأمر أشبه بالسؤال عمن اخترع الكمبيوتر. هل كان تشارلز باباج؟ آلان تورينج؟ ستيف جوبز؟ الحقيقة هي أن العديد من الأشخاص ساهموا في ذلك. يعمل تاريخ ألياف الكربون بالطريقة نفسها.

الأسطورة 2: عمل أديسون كان ألياف الكربون الحديثة تقول بعض المصادر أن توماس أديسون هو من اخترع ألياف الكربون. هذا ليس صحيحاً تماماً. فقد صنع إديسون خيوط الكربون للمصابيح الكهربائية. كانت هذه رقيقة وضعيفة. وقد نجحت في إنتاج الضوء ولكنها لم تستطع تحمل الكثير من الضغط.

كان عمل روجر بيكون مختلفًا تمامًا. فقد ابتكر أليافًا قوية بما يكفي للتطبيقات الإنشائية. يمكن أن تحل ألياف الكربون التي ابتكرها بيكون محل المعدن في بعض الاستخدامات. وهذا هو الإنجاز المحوري المهم.

الخرافة الثالثة: ألياف الكربون أفضل دائمًا من المعدن تتمتع ألياف الكربون بخصائص مذهلة، ولكنها ليست مثالية لكل شيء. إليك الحقيقة:

المزايا:

أخف بكثير من الفولاذ أو الألومنيوم قوة شد أعلى في العديد من التطبيقات مقاومة ممتازة للتآكل خصائص حرارية جيدة العيوب:

أكثر تكلفة من المعادن يمكن أن تكون هشة تحت تأثيرات معينة أصعب في الإصلاح عند تلفها يتطلب التصنيع معدات متخصصة يختار المصممون الأذكياء المواد بناءً على الاحتياجات المحددة لكل مشروع. في بعض الأحيان يكون المعدن هو الخيار الأفضل.

الخرافة 4: ألياف الكربون علامة تجارية جديدة ألياف الكربون تبدو مستقبلية، لذا يفترض الناس أنها جديدة. ولكن تذكر أن روجر بيكون ابتكرها في عام 1958. أي منذ أكثر من 65 عاماً!

استخدمتها المؤسسة الملكية للطائرات في الطائرات العسكرية في الستينيات. واعتمدتها فرق الفورمولا 1 في عام 1981. أما طائرة بوينج 787، على الرغم من تطورها، فقد حلّقت لأول مرة في عام 2009. كانت تكنولوجيا ألياف الكربون موجودة منذ فترة طويلة.

ما الجديد في الواقع؟ عمليات تصنيع أفضل، وانخفاض تكاليف ألياف الكربون، واعتمادها على نطاق أوسع في المنتجات الاستهلاكية. لم تتغير المادة الأساسية كثيراً منذ السبعينيات.

ألياف الكربون اليوم: الإحصائيات والحقائق الرئيسية حجم السوق ونموه تشهد صناعة ألياف الكربون ازدهاراً كبيراً. إليك الأرقام:

القيمة المترية مصدر القيمة المترية الإنتاج العالمي (2020) 180,000 طن متري/سنة 180,000 طن متري/سنة Grand View Research القيمة السوقية (2023) $25 مليار دولار أمريكي معدل النمو السنوي 10% Grand View Research أكبر منتج Toray Industries (اليابان) تاريخ شركة Toray حصة الشركة الرائدة في السوق 30-35% تحليل الصناعة الأداء في العالم الحقيقي دعونا نلقي نظرة على كيفية أداء ألياف الكربون في الواقع في الاستخدامات المختلفة:

صناعة الطيران (بوينج 787 دريملاينر):

50% من وزن الطائرة من ألياف الكربون 20% كفاءة أفضل في استهلاك الوقود مقارنة بالطائرات المماثلة انخفاض تكاليف الصيانة قدرة أطول على المدى السيارات (فورمولا 1)

هيكل الهيكل المصنوع من ألياف الكربون القياسي منذ عام 1981 40% انخفاض في عدد الوفيات الناجمة عن حوادث التصادم توفير في الوزن يتراوح بين 100 و150 كجم لكل سيارة تحسين التحكم والتسارع الطاقة المتجددة (توربينات الرياح)

تزيد الشفرات المصنوعة من ألياف الكربون من إنتاج الطاقة بمقدار 15% شفرات أطول ممكنة بسبب قوة الوزن الخفيف متانة أفضل في الطقس القاسي متطلبات صيانة أقل طبي (الأطراف الصناعية)

30% أخف وزنًا من المواد التقليدية مقاومة أفضل للتآكل (لن تصدأ) أكثر راحة للمرضى تتيح حركة طبيعية أكثر الشركات الرائدة والأبحاث تضم صناعة ألياف الكربون العديد من اللاعبين الرئيسيين:

الشركات المصنعة:

صناعات توراي (اليابان) - الشركة الرائدة في السوق ميتسوبيشي كيميكال (اليابان) - الألياف عالية الأداء شركة هيكسيل (الولايات المتحدة الأمريكية) - التركيز على الفضاء الجوي SGL Carbon (ألمانيا) - التطبيقات الصناعية زولتيك (الولايات المتحدة الأمريكية) - الألياف منخفضة التكلفة تيجين المحدودة (اليابان) - المركبات المتقدمة المستخدمون الرئيسيون:

بوينج وإيرباص (طائرات تجارية) لوكهيد مارتن ونورثروب جرومان (عسكرية) بي إم دبليو ولامبورجيني وفيراري وبورش (سيارات) ناسا وسبيس إكس وبلو أوريجين (فضاء) العديد من الشركات المصنعة لمركبات الكربون (قطع غيار مخصصة) مؤسسات بحثية:

معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) جامعة ستانفورد جامعة طوكيو جامعة مانشستر (أبحاث الجرافين) معهد فراونهوفر (ألمانيا) المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) ابتكارات مستقبلية يعمل العلماء على ابتكارات جديدة ومثيرة من ألياف الكربون:

المواد الذكية: تضمين أجهزة استشعار في ألياف الكربون لمراقبة الإجهاد والتلف في الوقت الفعلي. مفيدة لأجنحة الطائرات والجسور.

مركبات ذاتية الالتئام: مواد يمكنها إصلاح الشقوق الصغيرة تلقائياً. وهذا يمكن أن يطيل عمر الأجزاء المصنوعة من ألياف الكربون بشكل كبير.

دمج الجرافين: الجمع بين الألياف الكربونية والجرافين (صفائح الكربون الرقيقة للغاية) لإنشاء مواد أقوى.

تكاليف أقل: تهدف عمليات التصنيع الجديدة إلى خفض تكاليف الإنتاج بمقدار 50%. وهذا من شأنه أن يجعل ألياف الكربون في متناول المنتجات اليومية.

إعادة تدوير أفضل: ستقلل طرق إعادة تدوير ألياف الكربون المحسّنة من النفايات والأثر البيئي.

الأسئلة المتداولة متى تم استخدام ألياف الكربون لأول مرة؟ ابتكر السير جوزيف سوان أول ألياف كربونية في عام 1879 لخيوط المصابيح الكهربائية. ومع ذلك، بدأ استخدام ألياف الكربون الحديثة في التطبيقات الإنشائية مع روجر بيكون في عام 1958. وبدأ الاستخدام التجاري في الستينيات والسبعينيات بفضل شركة Toray Industries وشركات يابانية أخرى.

هل ألياف الكربون أقوى من الفولاذ؟ نعم، ألياف الكربون أقوى من الفولاذ بحوالي خمس مرات عند مقارنة قوة الشد. كما أنها تزن ربع وزنه فقط. هذه النسبة المذهلة للقوة إلى الوزن تجعل ألياف الكربون مثالية للطائرات وسيارات السباق والمعدات الرياضية.

ومع ذلك، يمكن أن تكون ألياف الكربون أكثر هشاشة تحت تأثيرات معينة. تعتمد أفضل المواد على الاستخدام المحدد.

من يملك براءات اختراع ألياف الكربون اليوم؟ تمتلك العديد من الشركات براءات اختراع ألياف الكربون. تمتلك شركات Toray Industries وMitsubishi Chemical وHexcel Corporation براءات اختراع تغطي عمليات التصنيع والمواد الأولية وأنواع معينة من الألياف.

إلا أن تكنولوجيا ألياف الكربون الأساسية أصبحت الآن ملكية عامة. فقد انتهت صلاحية براءات اختراع روجر بيكون الأصلية من يونيون كاربايد منذ فترة طويلة. وتركز براءات الاختراع الحديثة على التحسينات والتطبيقات الجديدة.

كم تبلغ تكلفة ألياف الكربون؟ تختلف أسعار ألياف الكربون بشكل كبير. تكلف الألياف الأساسية القائمة على PAN $10-15 للرطل الواحد بكميات كبيرة. يمكن أن تكلف الألياف عالية الأداء من الدرجة الفضائية $50-100+ للرطل الواحد.

Finished parts cost even more because of labor and manufacturing complexity. A carbon fiber bicycle frame might cost $500-3,000. Custom carbon fiber automotive parts can run thousands of dollars.

ومع ذلك، تستمر الأسعار في الانخفاض. تقلل طرق إنتاج ألياف الكربون الأفضل من التكاليف كل عام.

هل يمكن إعادة تدوير ألياف الكربون؟ نعم، ولكن الأمر صعب. تتضمن إعادة تدوير ألياف الكربون التقليدية حرق الراتنج في فرن خاص. وهذا يستعيد الألياف، ولكنها تكون أقصر وأضعف من الألياف الجديدة.

تتحسن طرق إعادة التدوير الجديدة. يمكن للعمليات الكيميائية أن تذيب الراتنج دون الإضرار بالألياف بنفس القدر. وتصنع بعض الشركات الآن منتجات من ألياف الكربون المعاد تدويرها والتي يكون أداؤها مماثلاً لأداء المواد الجديدة.

مع تركيز الصناعة بشكل أكبر على الاستدامة، توقع حلولاً أفضل لإعادة التدوير.

ما الفرق بين ألياف الكربون والألياف الزجاجية؟ كلاهما من المواد المركبة، لكنهما يستخدمان أليافاً مختلفة:

ألياف الكربون:

مصنوعة من ذرات الكربون أقوى بكثير وأكثر صلابة أخف وزناً أغلى ثمناً خواص حرارية أفضل الألياف الزجاجية:

مصنوعة من الألياف الزجاجية أرخص في الإنتاج أثقل من ألياف الكربون أكثر مرونة (يمكن أن تكون جيدة أو سيئة) أسهل في الإصلاح عادةً ما تحل الألياف الكربونية محل الألياف الزجاجية عندما يكون الأداء أكثر أهمية من التكلفة. فكر في سيارات السباق مقابل القوارب العادية.

ما هي الصناعات الأكثر استخداماً لألياف الكربون؟ أكبر مستخدمي ألياف الكربون هم:

الفضاء الجوي: تستخدم الطائرات التجارية والعسكرية كميات هائلة. فطائرة بوينج 787 وحدها تتطلب آلاف الجنيهات لكل طائرة.

السيارات: تنمو السيارات المصنوعة من ألياف الكربون بسرعة. وتتصدر السيارات الرياضية الراقية والسيارات الكهربائية قائمة السيارات المعتمدة.

طاقة الرياح: تستخدم شفرات توربينات الرياح الحديثة بشكل متزايد ألياف الكربون لتحسين الكفاءة.

المعدات الرياضية: تستخدم إطارات الدراجات، ومضارب الغولف، ومضارب التنس، وغيرها الكثير من المعدات الرياضية ألياف الكربون.

الصناعة: تجد الروبوتات والطائرات بدون طيار والبناء والتصنيع استخدامات لمركبات ألياف الكربون.

الخاتمة: اكتشاف شكّل عالمنا إذن من الذي اكتشف ألياف الكربون؟ تشمل الإجابة السير جوزيف سوان، وتوماس أديسون، وروجر بيكون، وأكيو شيندو، وعلماء في شركة توراي للصناعات. وقد قدم كل منهم مساهمات حاسمة في أوقات مختلفة.

يُظهر تاريخ ألياف الكربون كيف يعمل الابتكار. فالابتكار الذي حققه شخص واحد يعتمد على الاكتشافات السابقة. فقد أدى ورق سوان المكربن إلى ألياف بيكون القوية، والتي أدت إلى منتجات توراي التجارية. ويواصل مصنعو مركبات الكربون اليوم هذا التقليد من التحسين.

غيّر اكتشاف ألياف الكربون عالمنا. فقد جعل الطائرات أكثر كفاءة. وأنقذت الأرواح في حوادث سيارات السباق. وساهم في توفير طاقة رياح أنظف وأطراف صناعية أكثر راحة.

وبالنظر إلى المستقبل، تعد ابتكارات ألياف الكربون بالمزيد. ستجلب طرق الإنتاج الأرخص تكلفة هذه المادة عالية الأداء إلى المنتجات اليومية. وقد بدأت للتو تطبيقات جديدة في مجال الروبوتات والبناء والمواد الذكية.

من خيوط المصباح الكهربائي في عام 1879 إلى المركبات الفضائية في عام 2024، يستمر تطور ألياف الكربون. من يدري ماذا سيكون الاختراق القادم؟ هناك شيء واحد مؤكد: ستستمر هذه المادة المذهلة في تشكيل مستقبلنا لعقود قادمة.

نبذة عن المؤلف

كتب هذا المقال مهندسون ومتخصصون تقنيون من شركة تصنيع ألياف الكربون المخصصة، يتمتعون بخبرة عملية في مجال صناعة الطيران والسيارات والتطبيقات الصناعية المركبة. يعمل الفريق مباشرةً مع عملاء مصنعي المعدات الأصلية على اختيار المواد ودرجات الألياف وطرق معالجة المركبات.