ألياف الكربون: القادم الجديد في تكنولوجيا المواد

تطورت الحياة عبر العصور وتشكلت معها مهاراتنا الهندسية والبحثية، وحتى يومنا هذا لازلنا نبتكر ونبحث ونطور تقنياتنا سعياً لمستقبل أكثر استدامة. كرس المهندسون والباحثون أنفسهم في بحث دائم عن مواد أحدث وأفضل لتحقيق التوزان بين الأداء والتكلفة على النحو الأمثل في قطاع الانشاءات، وقد تم تطوير العديد من المواد الجديدة التي تفتح آفاقاً جديدة، وقد حقق بعضها نجاحاً إستثنائياً. وتعتبر ألياف الكربون، هي واحدة من هذه المواد، التي تستعمل عادة كمادة مركبة مع مواد أخرى.

ما هي ألياف الكربون ؟

ألياف الكربون Carbon Fibers هي نوع من الألياف ذات الجودة العالية التي تستعمل في تطبيقات الهندسة المدنية وغيرها، كما أنه يطلق عليها ألياف الغرافيت Graphite Fiber أو غرافيت الكربون Carbon Graphite. تتكون ألياف الكربون من مجموعة خيوط رفيعة جداً من عنصر الكربون. تتميز بمقاومة عالية لقوى الشد، وتعتبر قوية جداً مقارنةً بحجمها، ويمكن إعتبارها المادة الأقوى في الوقت الحالي. مقارنةً بالألياف الزجاجية Glass Fibers لدى ألياف الكربون معامل مرونة ومقاومة إجهادات عالية جداً لهذا تعتبر الدراسات مركبات ألياف الكربون المسلحة أكثر تحملاً  من ألياف الزجاج. بالإضافة لما سبق، فإن ألياف الكربون لديها مقاومة عالية للمركبات الكيميائية وسماحية مع درجات الحرارة العالية مع تمدد بسيط ومقاومة للتآكل.

يتراوح قطر كل ليف بين 5-10 ميكرون (واحد من المليون من المتر) مع العلم أن قطر خيط العنكبوت يتراوح بين 3-8 ميكرون. إن قساوة ألياف الكربون تعادل ضعف قساوة الفولاذ، وأقوى منه بخمس مرات. أهم العوامل لتحديد خواص ألياف الكربون الفيزيائية هي درجة كربنتها (نسبة الكربون فيها والتي تكون عادة 92% من وزنها) و إتجاه الألياف في طبقات الكربون.

خواص ألياف الكربون:

1. صلابة عالية بالنسبة للوزن: معدل صلابة مادة هي القوة في وحدة المساحة عند الانهيار مقسومة على الكثافة، كلما كانت المادة صلبة وخفيفة كان معدل صلابتها الى وزنها أفضل.

2. قساوة كبيرة جداً: تقاس القساوة بواسطة معامل يونغ، وتقيس مدى الترخيم في المادة تحت تأثير الاجهادات. يذكر أن قساوة ألياف الكربون أعلى مرتين ونصف من الألمنيوم.

3. مقاومة للتآكل ومستقرة كيميائياً: ولكن على الرغم من عدم تأثر ألياف الكربون نفسها، قد تحتاج المواد الأخرى الداخلة معها للحماية.

4. ناقلة للكهرباء: هذه الخاصية يمكن أن تكون مفيدة ومزعجة في آن واحد.

5. مقاومة للإجهادات: ولكن عندما تنهار ألياف الكربون فإن انهيارها قد يكون كارثياً، حيث أنه يحدث بدون سابق إنذار.

6. مقاومتها للشد.

7. مقاومة للحرائق (غير قابلة للاشتعال): وفقاً لأسلوب التصنيع فإن ألياف الكربون يمكن أن تدخل في صناعة ألبسة رجال الإطفاء.

8. قابلية ألياف الكربون لتوصيل الحرارة: وهي كمية الحرارة المارة عبر سمك المادة، بشكل عمودي على مساحتها، وبسبب تعدد أنواع ألياف الكربون فإنه من غير الممكن تحديد مدى قابليتها لنقل الحرارة، ولكن يوجد بعض الأنواع التي تصمم خصيصاً لتكون ذات ناقلية عالية أو منخفضة.

9. معامل تمددها الحراري منخفض: ويعني مدى تمدد أو تقلص المادة عند ارتفاع أو انخفاض درجات الحرارة.

إستخدامات ألياف الكربون:

• في الهندسة المدنية:

العديد من تطبيقات الهندسة الإنشائية تستخدم البولميرات المسلحة بألياف الكربون لفوائدها الجمة وتكلفتها المعقولة. وخصوصاً في تقوية المنشآت المصنوعة من الخرسانة، الحديد، الخشب، البلوك، وحديد الزهر. حيث يتم تقوية بعض المنشآت لزيادة قدرتها على التحمل، ولتحسين مقاومة القص والإنعطاف في المنشآت الخرسانية. كذلك تتضمن بعض التطبيقات الأخرى إستبدال حديد التسليح، المواد مسبقة الاجهاد، وتقوية الجوائز المعدنية.

• في الطيران:

لقد صعدت ألياف الكربون إلى القمر على متن المركبات الفضائية، لكنها أيضا تستخدم على مجال واسع في مكونات الطائرات وهيكلها لأنها تمتلك قوة عالية بالنسبة لوزنها متخطية بذلك كافة أنواع المعادن. إن 30% من ألياف الكربون حول العالم تستعمل في صناعة الطيران، من الطائرات العمودية (الهليكوبتر) إلى الطائرات الشراعية، المقاتلات الحربية.

• المنتجات الرياضية:

إن تطبيقات ألياف الكربون في المنتجات الرياضية تمتد من تقوية أحذية الجري إلى عصا الهوكي، بالإضافة الى مضارب التنس والغولف، قوارب سباق التجديف مصنوعة من ألياف الكربون، كما أنا العديد من الأرواح أنقذت في سباقات الدرجات النارية بفضل ألبستهم المقواة بألياف الكربون. تستعمل أيضاً في خوذ الحماية لمتسلقي الجبال، راكبي الأحصنة، ومتسابقي الدراجات النارية.

• التطبيقات العسكرية:

التطبيقات العسكرية تمتد على نطاق واسع جداً، بدءاً من الطائرات والصواريخ وصولاً  إلى خوذ الحماية، تؤمن القوة وخفة الوزن للكثير من المعدات الحربية. إن تحريك الأوزان يتطلب طاقة، سواءاً كانت معدات الجندي الشخصية أو مستشفى ميداني، وتقليل الوزن يعني تحريك أوزان أكبر بواسطة غالون واحد من الوقود. يتم الاعلان عن استخدام عسكري جديد كل يوم تقريباً، ربما آخر تطبيق حربي وأكثرهم غرابة هو أجنحة مرفرفة صغيرة على طائرات مصغرة بدون طيار تستعمل في مهمات المراقبة.

• ألياف الكربون في المنزل:

إن إستخدامات ألياف الكربون في المنزل يمكن أن يكون بسعة خيالك، سواءاً كان تطبيقاً شكلياً أو عملياً. بالنسبة لمحبي الأناقة، فإنها تدعى غالباً "الأسود الجديد"، حيث أنه يمكن أن تحصل على حوض إستحمام أسود براق أو حتى منضدة قهوة بكل سهولة. حافظات الأجهزة الخلوية، الأقلام، وحتى ربطات العنق، إن مظهر ألياف الكربون فريد وجذاب.

• التطبيقات الطبية

لألياف الكربون العديد من الميزات مقارنة بباقي المواد في المجالات الطبية، بالإضافة لكونها منفذة للأشعة مثل أشعة X، حيث أنها تظهر سوداء في الصور الإشعاعية، تستعمل بشكل واسع في هياكل معدات التصوير لدعم الأطراف المتعرضة لأشعة x أو التي تم معالجتها إشعاعياً.

تتم الآن دراسة إستخدام ألياف الكربون في تقوية رباط الركبة الصليبي المتأذي، ولكن ربما يكون أشهر الاستعمالات الطبية لألياف الكربون هي الأطراف الصناعية. حيثُ  أن العداء الجنوب إفريقي Oscar Pistorius إستعمل أطرافا من ألياف الكربون في أولمبياد بكين أثارت الجدل، حيث قيل أنها تعطيه أفضلية غير عادلة، ولازال النقاش مفتوحاً حتى اليوم.

• صناعة السيارات:

مع إنخفاض تكلفتها، أصبحت ألياف الكربون أكثر انتشاراً في عالم السيارات. حيث تصنع أجسام السيارات الخارقة منها، ولكن إستخدامها الأواسع والأكثر انتشارا هو في الأجزاء الداخلية من السيارة كهياكل المقاعد.

وصل الطلب العالمي على ألياف الكربون إلى قرابة 40000 طن في عام 2010. فقد إستطاعت إحداث ثورة في تكنلوجيا المواد، وليس غريبا أن أكاديمية الهندسة الوطنية إختارت ألياف الكربون كواحدة من أفضل 20 إنجاز في عالم الهندسة في القرن العشرين، كما أن المجمع الكيميائي الأمريكي أطلق على هذا التطور لألياف الكربون كعلامة في تاريخ الكيمياء في سبتمبر (أيلول) 2003.

المصادر:

هنا

حقوق الصورة:

360 Forged/Flickr