من اكتشف ألياف الكربون؟ تاريخ تم التحقق من صحة وقائعه

لم يتم اختراع ألياف الكربون في خطوة واحدة. يُنسب الفضل عادةً إلى جوزيف سوان في صنع خيوط كربونية مبكرة حوالي عام 1860، بينما قام توماس إديسون بتسويق خيوط السليلوز المكربنة في عام 1879. أما روجر بيكون فقد عرض أول ألياف كربونية عالية الأداء في عام 1958. ثم طور أكيو شيندو في عام 1961 الطريقة القائمة على البولي أكريلويد النيتريل (PAN)، والتي تشكل الأساس لمعظم ألياف الكربون المصنعة اليوم.

هذا التمييز مهم. فقد صنع سوان وإديسون خيوطًا كربونية قادرة على التوهج داخل المصابيح الكهربائية. وأظهر بيكون ما يمكن أن تحققه خيوط الجرافيت شبه المثالية من الناحية الميكانيكية. أما شيندو والباحثون الذين جاءوا بعده، فقد توصلوا إلى طرق عملية لتحويل سلائف البوليمرات إلى ألياف تقوية قوية ومتصلة.

من اكتشف ألياف الكربون؟ الإجابة المختصرة

إذا كان المقصود بـ“ألياف الكربون” أول خيوط كربونية صناعية، فإن الإجابة هي جوزيف سوان. أما إذا كان المقصود أول ألياف كربونية عالية الأداء، فإن الإجابة هي روجر بيكون. أما إذا كانت تعني الألياف القائمة على مادة البان (PAN) المستخدمة في معظم البوليمرات الحديثة المقواة بألياف الكربون (CFRP)، فقد لعب أكيو شيندو والمعهد الملكي البريطاني للطيران دوراً محورياً في تطويرها.

لماذا تذكر المصادر المختلفة أسماء مخترعين مختلفين؟

ينبع الخلاف من تعريف ألياف الكربون، وليس فقط من السجل التاريخي.

يُعتبر الخيط المصنوع بالكامل من الكربون والمخصص للمصابيح، من الناحية الكيميائية، من “ألياف الكربون”. إلا أنه لا يتمتع بالأداء الميكانيكي المتوقع من مادة التعزيز الهيكلي. وعادةً ما تستخدم الهندسة الحديثة مصطلح «ألياف الكربون» للإشارة إلى الألياف المتصلة ذات قوة الشد أو الصلابة العالية، والتي يمكنها تعزيز مصفوفة الراتنج.

ألياف الكربون ومركب ألياف الكربون المُجهَّز كما أنها مواد مختلفة. ألياف الكربون هي العنصر المقوي. ويجمع مركب ألياف الكربون المقوى (CFRP) بين هذه الألياف ومصفوفة بوليمرية، غالبًا ما تكون من الإيبوكسي. تتحمل الألياف جزءًا كبيرًا من الحمل الشدّي؛ بينما تعمل المصفوفة على ربطها، ونقل الحمل بين الألياف، وإعطاء القطعة شكلها. ولم يقم مخترع واحد بابتكار نظام المواد هذا بأكمله.

جوزيف سوان وتوماس إديسون: عصر خيوط الكربون

يُرجع تاريخ تجارب جوزيف سوان على الورق المتفحم عادةً إلى حوالي عام 1860. وكان هدفه هو تصنيع خيوط لمصابيح الإضاءة المتوهجة قادرة على توصيل الكهرباء وتحمل الحرارة في بيئة فراغية. وكانت المادة المستخدمة هي الكربون، لكن الغرض منها لم يكن تعزيز مكون هيكلي.

تناول توماس إديسون نفس مشكلة الإضاءة في أواخر سبعينيات القرن التاسع عشر. وتشير الجمعية الكيميائية الأمريكية إلى أن إديسون شكّل خيوطًا قطنية أو شرائح من الخيزران بالشكل المطلوب وقام بتحميصها في درجة حرارة عالية. أدى عملية الكربنة إلى إزالة العناصر غير الكربونية مع الحفاظ على شكل الفتيل. ولذلك، قد يستحق إديسون الفضل في ابتكار أول ألياف كربونية تجارية، على الرغم من أن الغرض منها كان كهربائيًا وليس هيكليًّا.

كانت خيوط المصابيح هذه بمثابة سلائف مهمة. فقد أثبتت أنه يمكن تشكيل مادة قائمة على السليلوز أولاً ثم تحويلها إلى كربون لاحقًا. ولا يزال هذا التسلسل من السلائف إلى الكربون جزءًا من عملية إنتاج ألياف الكربون، على الرغم من أن المواد الخام، وعمليات التحكم، والأفران، ومعالجة الأسطح، وأهداف الأداء الحالية أصبحت أكثر تقدمًا بكثير.

روجر بيكون وأول ألياف كربونية عالية الأداء

أدى اكتشاف روجر بيكون عام 1958 في المركز التقني لشركة «يونيون كاربايد» بمدينة بارما إلى بدء عصر الأداء العالي الحديث. وأثناء دراسته للجرافيت تحت درجات حرارة وضغط مرتفعين في قوس كربوني، اكتشف بيكون شعيرات جرافيت طويلة في رواسب صلبة. وكانت هذه الشعيرات رفيعة ومرنة، كما أنها كانت أقوى وأكثر صلابة بكثير مقارنة بوزنها مقارنةً بألياف الكربون التجارية السابقة.

وفقًا لـ الجمعية الكيميائية الأمريكية, ، بلغت شعيرات بيكون قوة شد تبلغ حوالي 20 جيجا باسكال ومعامل يونغ يبلغ حوالي 700 جيجا باسكال. وكانت هذه الأرقام تتعلق بخيوط مختبرية استثنائية، وليست أليافًا قابلة للإنتاج التجاري. وقدر بيكون أن تكلفة تصنيعها كانت تبلغ حوالي $10 مليون للرطل الواحد في ذلك الوقت. أثبت هذا الاكتشاف الإمكانات الميكانيكية للجرافيت الليفي، لكن الصناعة كانت لا تزال بحاجة إلى عملية قابلة للتوسع.

لم يصنع بيكون هذه الشعيرات من مادة PAN. وهذا خطأ تاريخي شائع. فبراءة الاختراع الأمريكية رقم 2,957,756 المسجلة باسمه تصف الجرافيت الخيطي الذي يتم إنتاجه في قوس كهربائي. أما ألياف الكربون المستندة إلى مادة PAN فقد تم التوصل إليها من خلال مسار بحثي منفصل.

من الرايون إلى الألياف التجارية عالية المعامل

كما عمل باحثو شركة «يونيون كاربايد» على مادة الرايون، وهي مادة أولية للسليلوز المُعاد تكوينه. وفي عام 1959، حصل كاري فورد وتشارلز ميتشل على براءة اختراع لعملية تتمثل في معالجة ألياف الرايون والأقمشة بالحرارة عند درجات تصل إلى 3,000 درجة مئوية. ودخلت المادة الناتجة عن هذه العملية في تطبيقات المركبات المتطورة في أوائل الستينيات.

ومع ذلك، كانت الألياف المصنوعة من الرايون لا تزال أقل صلابة من شعيرات الجرافيت التي ابتكرها بيكون. في عام 1964، قام بيكون وويسلي شالامون بتمديد خيوط الكربون أثناء تسخينها إلى درجة حرارة تزيد عن 2,800 درجة مئوية. أدى التمدد إلى محاذاة طبقات الجرافيت بشكل أوثق مع محور الألياف وزاد معامل يونغ بنحو عشرة أضعاف. قامت شركة يونيون كاربايد ببيع ألياف مصنوعة باستخدام هذه الطريقة تحت اسم «ثورنيل».

يكتسب هذا الجانب من القصة أهمية لأنه يربط بين اكتشاف مختبري ومنتج تجاري قابل للاستخدام. إلا أن هذه العملية لم تكن هي التي ستسيطر على سوق الألياف الهيكلية العالمية.

أكيو شيندو وعملية PAN المستخدمة حالياً

في عام 1961، قام أكيو شيندو من «المعهد الحكومي للبحوث الصناعية» في أوساكا باليابان بعرض ألياف كربونية عالية القوة وعالية المعامل مصنوعة من البولي أكريلونيتريل. وأفادت «الجمعية الكيميائية الأمريكية» أن معامل المرونة تجاوز 140 جيجا باسكال، أي ما يقارب ثلاثة أضعاف معامل المرونة للألياف المصنوعة من الرايون التي كانت متوفرة آنذاك. ونقل الباحثون اليابانيون هذه العملية إلى مرحلة الإنتاج التجريبي بحلول عام 1964.

في المملكة المتحدة، طور ويليام وات وزملاؤه في «المعهد الملكي للطيران» (Royal Aircraft Establishment) في عام 1964 أليافًا من مادة البولي أكريلويد النيتريل (PAN) ذات أداء أعلى. وحصلت شركات بريطانية على ترخيص لاستخدام هذه التكنولوجيا في الإنتاج التجاري. وقامت شركة «توراي إندستريز» لاحقًا بتحسين جودة مادة البولي أكريلويد النيتريل الأولية، ووقعت اتفاقية تقنية مشتركة مع شركة «يونيون كاربايد» في عام 1970.

أصبح البولي أكريليونتريل (PAN) هو المادة السائدة لأنه يوفر توازنًا قويًّا بين التوافر، وقابلية المعالجة، ومعدل إنتاج الكربون، وأداء الشد، والاتساق. وتشير جمعية SAMPE إلى أن حوالي 92% من إنتاج ألياف الكربون الحالي يعتمد على مادة البولي أكريليونتريل (PAN). ولا تزال الألياف المشتقة من القار مهمة في الحالات التي يبرر فيها معامل المرونة العالي جدًّا أو الموصلية الحرارية العالية تكلفتها الأعلى.

كيف يتحول مادة أولية من نوع PAN إلى ألياف كربونية

يتبع الإنتاج الحديث القائم على تقنية PAN نفس التسلسل العلمي العام الذي تم تطويره خلال تلك الفترة:

1. الغزل: يقوم أحد المصنعين بتحويل بوليمر PAN إلى خيوط أولية دقيقة، ثم يقوم بتمديدها لتوجيه السلاسل الجزيئية.
2. التثبيت: يؤدي التسخين الخاضع للرقابة في الهواء إلى تحويل البوليمر إلى بنية سلمية مستقرة حرارياً.
3. التفحيم: تؤدي المعالجة عند درجات حرارة أعلى في جو خامل إلى إزالة معظم الذرات غير الكربونية.
4. معالجة اختيارية بدرجة حرارة أعلى: يمكن أن تؤدي المعالجة الحرارية الإضافية إلى رفع معامل المرونة من خلال زيادة الترتيب الهيكلي، وعادةً ما يكون ذلك على حساب خصائص أخرى.
5. معالجة السطح وتحديد الحجم: يتم تحضير سطح الألياف وطلاءه لتحسين سهولة التعامل معه وتقوية الترابط مع نظام الراتنج المقصود.

يوضح التاريخ سبب استمرار أهمية اختيار المادة الأولية في المنتج النهائي. فمواد PAN والرايون والبيتش لا تنتج أليافًا قابلة للتبادل. كما تؤثر ظروف المعالجة الحرارية على قوة الشد، والمعامل، والتوصيل الحراري، والتكلفة. ولذلك، يختار المصمم نوع الألياف ونظام الطبقات وفقًا لحالة الحمل المحددة، وليس لمجرد التسمية “ألياف الكربون”.”

متى أصبحت ألياف الكربون مادة هيكلية؟

أصبحت ألياف الكربون وسيلة عملية لتقوية الهياكل خلال ستينيات القرن العشرين. وساعد الدعم المقدم من سلاح الجو الأمريكي في تطوير الألياف المصنوعة من الرايون لاستخدامها في فوهات الصواريخ، والدروع الحرارية، ومكونات الصواريخ، وهياكل الطائرات. وسرعان ما أسفرت تقنية PAN في اليابان والمملكة المتحدة عن إنتاج ألياف تتمتع بأداء أفضل وإمكانيات تصنيع أكبر.

اتسع نطاق الاستخدام التجاري في سبعينيات القرن الماضي مع تحسن جودة الألياف وحجم الإنتاج. وظل قطاع الفضاء من أوائل الأسواق التي اعتمدت هذه المواد، حيث كان تخفيض الكتلة يبرر تكلفة المواد والتصنيع. ثم أتاحت السلع الرياضية ورياضة السيارات لاحقًا تطبيقات استهلاكية واضحة لمركبات الكربون. ويرتبط طراز «ماكلارين MP4/1»، الذي تم طرحه في عام 1981، على نطاق واسع بأول هيكل أحادي مصنوع من مركبات ألياف الكربون يشارك في سباقات الفورمولا 1, ، لكن الفورمولا 1 لم تختر ألياف الكربون.

ما الذي يعنيه هذا التاريخ لمشتري ألياف الكربون

“ألياف الكربون” هي مجموعة من المواد، وليست مواصفة واحدة. فقد تختلف طبقتان من الألواح المنسوجة السوداء في درجة جودة الألياف، وحجم الخيوط، ونمط النسيج، والراتنج، واتجاه الألياف، وحجم الألياف، ودورة المعالجة، ومحتوى الفراغات، وتشطيب السطح. وتؤثر هذه المتغيرات على الصلابة، وسلوك المادة عند التعرض للصدمات، وحدود درجات الحرارة، واستقرار الأبعاد، والمظهر، والسعر.

فيما يتعلق بمشروع التوريد، يجب تحديد القطعة قبل اختيار العملية. وتشمل المدخلات المفيدة اتجاه الحمل، والانحراف المسموح به، ودرجة حرارة التشغيل، ومخاطر الصدمات، والوزن المستهدف، ومتطلبات السطح، والحجم السنوي، ومعايير الفحص، وواجهات التوصيل. فقد يبدو الغطاء التجميلي والدعامة الحاملة متشابهين، لكنهما يتطلبان أنظمة مواد مختلفة وإجراءات مراقبة جودة مختلفة.

إذا كنت تقوم بتقييم... قطعة مصنوعة خصيصًا من مادة CFRP, ، يرجى إرسال المخطط، وطلب الشراء، والكمية المتوقعة، ومتطلبات الأداء إلى شركة تصنيع المركبات المركبة. وهذا يوفر للفريق الهندسي السياق الكافي لمناقشة بنية الألياف وخيارات التشكيل، بدلاً من الاعتماد على المظهر فقط.

الأسئلة الشائعة

هل تم اختراع ألياف الكربون في عام 1860 أم في عام 1958؟

يشير هذان التاريخان إلى معالم بارزة مختلفة. ففي حوالي عام 1860، صنع جوزيف سوان أحد أوائل خيوط الكربون المستخدمة في الإضاءة. وفي عام 1958، عرض روجر بيكون أول ألياف الجرافيت عالية الأداء. ويُعد اكتشاف عام 1958 نقطة انطلاق أفضل لـ تاريخ ألياف الكربون الإنشائية.

هل اخترع توماس إديسون ألياف الكربون؟

قام إديسون بتصنيع وتسويق خيوط المصابيح المصنوعة من السليلوز المكربن في عام 1879. وتشير الجمعية الكيميائية الأمريكية إلى أنه ربما يكون قد ابتكر أول ألياف كربونية تجارية. لكنه لم يخترع مواد التعزيز عالية الأداء المستخدمة في الهياكل الحديثة المصنوعة من مركب الألياف الكربونية (CFRP).

هل اخترع روجر بيكون ألياف الكربون القائمة على مادة «بان»؟

لا. فقد اكتشف بيكون في عام 1958 شعيرات جرافيت عالية الأداء في قوس كربوني، وساهم لاحقًا في تطوير ألياف الرايون عالية المعامل. وأجرى أكيو شيندو تجربة ناجحة في اليابان عام 1961 باستخدام عملية تعتمد على مادة البولي أكريلويد النيتريل (PAN). وقام ويليام وات والمعهد الملكي للطيران بتحسين أداء ألياف البولي أكريلويد النيتريل (PAN) في عام 1964.

من الذي اخترع ألياف الكربون لاستخدامها في سباقات الفورمولا 1؟

لم يقم أي فريق في الفورمولا 1 باختراع الألياف الكربونية بحد ذاتها. فقد قدمت شركة «ماكلارين» هيكل «MP4/1» أحادي القشرة المصنوع من مركب الكربون في عام 1981، بالتعاون مع شركة «هيركوليس أيروسبيس» في تصميم الهيكل المركب. وكان ذلك أحد التطبيقات الرئيسية لتكنولوجيا ألياف الكربون الموجودة آنذاك في رياضة السيارات.

ما الفرق بين ألياف الكربون وCFRP؟

ألياف الكربون هي الخيوط المقوية. ويُعد CFRP مادة مركبة يتم فيها دمج ألياف الكربون في مصفوفة بوليمرية، وعادةً ما تكون من الإيبوكسي. ويحدد نوع الألياف واتجاهها جزءًا كبيرًا من الصلابة والقوة الاتجاهية، بينما تعمل المصفوفة على ربط الألياف ونقل الحمل وتحديد شكل القطعة.

نبذة عن المؤلف

مراجعة فنية من قبل هانك، مدير المنتجات