صناعة المركبات والمواد المركبة

تُعرف التركيبات أو المواد المركبة ببساطة بأنها مواد تتكون من مادتين أو عدة مواد لها خواص فيزيائية أو كيميائية مختلفة ، ولكن عند دمجها تصبح مادة مختلفة عن المواد المكونة لها. نحتاج إلى الإشارة إلى أن المواد المكونة تظل منفصلة ومتميزة في الهيكل. الهدف من تصنيع مادة مركبة هو الحصول على منتج أفضل من مكوناته ويجمع بين الميزات المرغوبة لكل مكون. كمثال؛ قد تكون القوة أو الوزن المنخفض أو السعر المنخفض هي الدافع وراء تصميم وإنتاج مركب. أنواع المركبات التي نقدمها هي مركبات مقواة بالجزيئات ، ومركبات مقواة بالألياف بما في ذلك مصفوفة سيراميك / مصفوفة بوليمر / مصفوفة معدنية / كربون-كربون / مركبات هجينة ، مركبات هيكلية ومصفوفة ومركبة ذات هيكل ساندويتش ومركبات متناهية الصغر.

 

تقنيات التصنيع التي ننشرها في تصنيع المواد المركبة هي: Pultrusion ، عمليات إنتاج ما قبل التقديم ، وضع الألياف المتقدمة ، لف الشعيرات ، وضع الألياف المصممة خصيصًا ، عملية وضع رذاذ الألياف الزجاجية ، التفتت ، عملية lanxide ، z-pinning.
تتكون العديد من المواد المركبة من مرحلتين ، المصفوفة ، وهي مستمرة وتحيط بالطور الآخر ؛ والمرحلة المشتتة التي تحيط بها المصفوفة.
نوصي بالضغط هنا لقم بتنزيل الرسوم التوضيحية التخطيطية الخاصة بنا لتصنيع المواد المركبة والمواد المركبة بواسطة AGS-TECH Inc.
سيساعدك هذا على فهم المعلومات التي نقدمها لك أدناه بشكل أفضل.

 

• المركبات المقواة بالجزيئات: تتكون هذه الفئة من نوعين: المركبات ذات الجسيمات الكبيرة والمركبات المقواة بالتشتت. في النوع الأول ، لا يمكن معالجة تفاعلات مصفوفة الجسيمات على المستوى الذري أو الجزيئي. بدلا من ذلك فإن ميكانيكا الاستمرارية صالحة. من ناحية أخرى ، في المركبات المعززة بالتشتت ، تكون الجسيمات بشكل عام أصغر بكثير في عشرات النطاقات من النانومتر. مثال على مركب الجسيمات الكبيرة هو البوليمرات التي تمت إضافة مواد مالئة إليها. تعمل الحشوات على تحسين خصائص المادة وقد تستبدل بعض حجم البوليمر بمواد أكثر اقتصادا. تؤثر كسور الحجم في المرحلتين على سلوك المركب. تستخدم مركبات الجسيمات الكبيرة مع المعادن والبوليمرات والسيراميك. CERMETS هي أمثلة على مركبات السيراميك / المعدن. السيرمت الأكثر شيوعًا لدينا هو كربيد الأسمنت. يتكون من سيراميك كربيد حراري مثل جزيئات كربيد التنجستن في مصفوفة من معدن مثل الكوبالت أو النيكل. تستخدم مركبات الكربيد هذه على نطاق واسع كأدوات قطع للصلب المتصلب. جزيئات الكربيد الصلبة هي المسؤولة عن عملية القطع ويتم تعزيز صلابتها من خلال المصفوفة المعدنية المطيلة. وهكذا نحصل على مزايا كلتا المادتين في مركب واحد. مثال آخر شائع لمركب الجسيمات الكبير الذي نستخدمه هو جسيمات أسود الكربون الممزوجة بالمطاط المفلكن للحصول على مركب يتمتع بقوة شد عالية وصلابة ومقاومة للتمزق والتآكل. مثال على المركب المعزز بالتشتت هو المعادن والسبائك المعدنية المعززة والمتصلبة بالتشتت المنتظم للجزيئات الدقيقة من مادة صلبة وخاملة للغاية. عندما تتم إضافة رقائق أكسيد الألومنيوم الصغيرة جدًا إلى مصفوفة معدن الألمنيوم ، نحصل على مسحوق الألمنيوم الملبد الذي يتميز بقوة درجات الحرارة العالية.  

 

• المركبات المقواة بالألياف: هذه الفئة من المركبات هي في الواقع الأكثر أهمية. الهدف المراد تحقيقه هو القوة والصلابة العالية لكل وحدة وزن. يعد تكوين الألياف وطولها واتجاهها وتركيزها في هذه المركبات أمرًا بالغ الأهمية في تحديد خصائص وفائدة هذه المواد. هناك ثلاث مجموعات من الألياف التي نستخدمها: الشعيرات والألياف والأسلاك. الوايسكرز عبارة عن بلورات مفردة رفيعة جدًا وطويلة. هم من بين أقوى المواد. بعض الأمثلة على مواد الطولي هي الجرافيت ونتريد السيليكون وأكسيد الألومنيوم.  FIBERS من ناحية أخرى تتكون معظمها من البوليمرات أو السيراميك وهي في حالة متعددة البلورات أو غير متبلورة. المجموعة الثالثة عبارة عن أسلاك رفيعة ذات أقطار كبيرة نسبيًا وتتكون بشكل متكرر من الفولاذ أو التنجستن. مثال على مركب مقوى بالأسلاك هو إطارات السيارات التي تحتوي على أسلاك فولاذية داخل المطاط. اعتمادًا على مادة المصفوفة ، لدينا المركبات التالية:
مركبات مصفوفة البوليمر: وهي مصنوعة من راتينج البوليمر والألياف كمكون تقوية. تحتوي مجموعة فرعية تسمى مركبات البوليمر المقوى بالألياف الزجاجية (GFRP) على ألياف زجاجية مستمرة أو غير متصلة داخل مصفوفة بوليمر. يوفر الزجاج قوة عالية ، وهو اقتصادي ، ويسهل تصنيعه إلى ألياف ، كما أنه خامل كيميائيًا. العيوب هي محدودية صلابتها وصلابتها ، ودرجات حرارة الخدمة تصل فقط إلى 200 - 300 درجة مئوية. الألياف الزجاجية مناسبة لهيكل السيارات ومعدات النقل وأجسام المركبات البحرية وحاويات التخزين. وهي غير مناسبة للطيران ولا صناعة الجسور بسبب الصلابة المحدودة. المجموعة الفرعية الأخرى تسمى مركب البوليمر المقوى بألياف الكربون (CFRP). هنا ، الكربون هو مادة الألياف الخاصة بنا في مصفوفة البوليمر. يُعرف الكربون بمعامله النوعي العالي وقوته وقدرته على الحفاظ عليها في درجات حرارة عالية. يمكن أن توفر لنا ألياف الكربون وحدات شد قياسية ومتوسطة وعالية وفائقة الارتفاع. علاوة على ذلك ، توفر ألياف الكربون خصائص فيزيائية وميكانيكية متنوعة ، وبالتالي فهي مناسبة لمختلف التطبيقات الهندسية المصممة حسب الطلب. يمكن اعتبار مركبات CFRP لتصنيع المعدات الرياضية والترفيهية وأوعية الضغط والمكونات الهيكلية للطيران. ومع ذلك ، فإن مجموعة فرعية أخرى ، وهي مركبات البوليمر المقوى بألياف الأراميد هي أيضًا مواد ذات قوة عالية ومعاملية. نسب قوتهم إلى الوزن عالية بشكل ملحوظ. تُعرف ألياف الأراميد أيضًا بأسماء تجارية KEVLAR و NOMEX. في ظل التوتر ، فإنها تؤدي أداءً أفضل من مواد الألياف البوليمرية الأخرى ، لكنها ضعيفة في الانضغاط. ألياف الأراميد صلبة ، مقاومة للتأثيرات ، مقاومة الزحف والتعب ، مستقرة في درجات الحرارة العالية ، خاملة كيميائياً باستثناء الأحماض والقواعد القوية. تستخدم ألياف الأراميد على نطاق واسع في السلع الرياضية ، والسترات الواقية من الرصاص ، والإطارات ، والحبال ، وأغلفة كابلات الألياف البصرية. توجد مواد تقوية أخرى للألياف ولكنها تستخدم بدرجة أقل. هذه هي البورون وكربيد السيليكون وأكسيد الألومنيوم بشكل أساسي. من ناحية أخرى ، تعتبر مادة مصفوفة البوليمر مهمة أيضًا. يحدد درجة حرارة الخدمة القصوى للمركب لأن البوليمر لديه درجة حرارة انصهار وتدهور أقل بشكل عام. تستخدم البوليستر وإسترات الفينيل على نطاق واسع كمصفوفة البوليمر. تستخدم الراتنجات أيضًا ولها مقاومة ممتازة للرطوبة وخصائص ميكانيكية. على سبيل المثال ، يمكن استخدام راتنج البوليميد حتى 230 درجة مئوية . 
مركبات المصفوفة المعدنية: في هذه المواد نستخدم مصفوفة معدنية مطيلة ودرجات حرارة الخدمة أعلى بشكل عام من المكونات المكونة لها. عند مقارنتها بمركبات مصفوفة البوليمر ، يمكن أن يكون لها درجات حرارة تشغيل أعلى ، وتكون غير قابلة للاشتعال ، وقد يكون لها مقاومة تحلل أفضل ضد السوائل العضوية. ومع ذلك فهي أكثر تكلفة. مواد التعزيز مثل الشعيرات والجسيمات والألياف المستمرة والمتقطعة ؛ ومواد المصفوفة مثل النحاس والألومنيوم والمغنيسيوم والتيتانيوم والسبائك الفائقة يتم استخدامها بشكل شائع. التطبيقات النموذجية هي مكونات المحرك المصنوعة من مصفوفة من سبائك الألومنيوم المقواة بأكسيد الألومنيوم وألياف الكربون.  
مركبات المصفوفة الخزفية: تُعرف مواد السيراميك بموثوقيتها العالية في درجات الحرارة العالية. ومع ذلك فهي هشة للغاية ولها قيم منخفضة لمتانة الكسر. من خلال تضمين جزيئات أو ألياف أو شعيرات من السيراميك في مصفوفة أخرى ، يمكننا الحصول على مركبات ذات صلابة تكسير أعلى. تمنع هذه المواد المدمجة بشكل أساسي انتشار الشقوق داخل المصفوفة من خلال بعض الآليات مثل انحراف أطراف الكراك أو تشكيل الجسور عبر أوجه الشق. على سبيل المثال ، يتم استخدام الألومينا المقواة بشعيرات SiC كإدراج في أداة القطع لتصنيع السبائك المعدنية الصلبة. يمكن أن تكشف هذه عن أداء أفضل مقارنة بالكربيدات الأسمنتية.  
مركبات الكربون - الكربون: كل من التعزيز والمصفوفة من الكربون. لديهم معاملات شد عالية وقوة عند درجات حرارة عالية تزيد عن 2000 درجة مئوية ، ومقاومة الزحف ، وصلابة عالية للكسر ، ومعاملات تمدد حراري منخفضة ، وموصلات حرارية عالية. هذه الخصائص تجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب مقاومة الصدمات الحرارية. ومع ذلك ، فإن ضعف مركبات الكربون والكربون هو ضعفها ضد الأكسدة في درجات الحرارة العالية. الأمثلة النموذجية للاستخدام هي قوالب الضغط الساخن وتصنيع مكونات محرك التوربينات المتقدمة . 
المركبات الهجينة: يتم خلط نوعين مختلفين أو أكثر من الألياف في مصفوفة واحدة. وبالتالي يمكن تصميم مادة جديدة بمزيج من الخصائص. مثال على ذلك عندما يتم دمج كل من ألياف الكربون والزجاج في راتينج بوليمري. توفر ألياف الكربون صلابة وقوة منخفضة الكثافة ولكنها غالية الثمن. الزجاج من ناحية أخرى غير مكلف ولكنه يفتقر إلى صلابة ألياف الكربون. المركب الهجين الزجاجي الكربوني أقوى وأكثر صرامة ويمكن تصنيعه بتكلفة أقل.
معالجة التركيبات المقواة بالألياف: بالنسبة للبلاستيك المقوى بالألياف المستمر مع الألياف الموزعة بشكل موحد والموجهة في نفس الاتجاه ، نستخدم التقنيات التالية.
النبض: يتم تصنيع قضبان وعوارض وأنابيب ذات أطوال مستمرة ومقاطع عرضية ثابتة. يتم تشريب حواف الألياف المستمرة براتنج التصلد بالحرارة ويتم سحبها من خلال قالب فولاذي لتشكيلها بالشكل المطلوب. بعد ذلك ، يمرون عبر قالب معالجة آلي دقيق للوصول إلى شكله النهائي. نظرًا لتسخين قالب المعالجة ، فإنه يعالج مصفوفة الراتنج. ساحبات سحب المواد من خلال القوالب. باستخدام النوى المجوفة المُدخلة ، يمكننا الحصول على أنابيب وأشكال هندسية مجوفة. طريقة pultrusion آلية وتوفر لنا معدلات إنتاج عالية. يمكن إنتاج أي طول للمنتج.  
عملية إنتاج ما قبل التحضير: التقوية الأولية عبارة عن تقوية مستمرة للألياف مشبعة مسبقًا براتنج بوليمر معالج جزئيًا. يستخدم على نطاق واسع للتطبيقات الهيكلية. تأتي المادة في شكل شريط ويتم شحنها كشريط. تصنعه الشركة المصنعة مباشرة وبشكل كامل دون الحاجة إلى إضافة أي راتنج. نظرًا لأن التقوية الأولية تخضع لتفاعلات المعالجة في درجات حرارة الغرفة ، يتم تخزينها عند درجة حرارة 0 مئوية أو درجات حرارة أقل. بعد الاستخدام ، يتم تخزين الأشرطة المتبقية مرة أخرى في درجات حرارة منخفضة. تستخدم راتنجات اللدائن الحرارية وراتنجات التصلد بالحرارة وتشيع ألياف تقوية الكربون والأراميد والزجاج. لاستخدام مواد التقوية المسبقة ، يتم أولاً إزالة ورق تغليف الحامل ثم يتم التصنيع عن طريق وضع شريط التقوية المسبق على سطح مزود بأدوات (عملية التجميع). يمكن وضع عدة طبقات للحصول على السماكات المرغوبة. الممارسة المتكررة هي تبديل اتجاه الألياف لإنتاج رقائق متقاطعة أو صفائح زاوية. أخيرًا يتم تطبيق الحرارة والضغط من أجل المعالجة. يتم استخدام كل من المعالجة اليدوية وكذلك العمليات الآلية لقطع مواد التقوية الأولية والتركيب.
التفاف الملف: يتم وضع ألياف التعزيز المستمرة بدقة في نمط محدد مسبقًا لتتبع شكل مجوف   وعادة ما يكون شكل دائري. تمر الألياف أولاً في حمام الراتنج ثم يتم لفها في مغزل بواسطة نظام آلي. بعد عدة مرات تكرار لف يتم الحصول على السماكات المرغوبة ويتم إجراء المعالجة إما في درجة حرارة الغرفة أو داخل الفرن. الآن تتم إزالة المغزل ويتم فك المنتج. يمكن أن يوفر لف الشعيرة نسبًا عالية جدًا من القوة إلى الوزن عن طريق لف الألياف بأنماط محيطية وحلزونية وقطبية. يتم تصنيع الأنابيب والخزانات والأغلفة باستخدام هذه التقنية . 

 

• التركيبات الهيكلية: تتكون هذه بشكل عام من مواد متجانسة ومركبة. لذلك يتم تحديد خصائص هذه من خلال المواد المكونة والتصميم الهندسي لعناصرها. فيما يلي الأنواع الرئيسية:
التركيبات الصفيحية: هذه المواد الإنشائية مصنوعة من صفائح أو ألواح ثنائية الأبعاد ذات اتجاهات مفضلة عالية القوة. يتم تكديس الطبقات وتثبيتها معًا. من خلال تبديل الاتجاهات عالية القوة في المحورين المتعامدين ، نحصل على مركب له قوة عالية في كلا الاتجاهين في المستوى ثنائي الأبعاد. من خلال ضبط زوايا الطبقات ، يمكن للمرء أن يصنع مركبًا بقوة في الاتجاهات المفضلة. يتم تصنيع التزلج الحديث بهذه الطريقة . 
ألواح الساندويش: هذه المركبات الهيكلية خفيفة الوزن ولكنها تتمتع بصلابة وقوة عالية. تتكون الألواح العازلة من لوحين خارجيين مصنوعين من مادة صلبة وقوية مثل سبائك الألومنيوم أو البلاستيك المقوى بالألياف أو الفولاذ ونواة بين الألواح الخارجية. يجب أن يكون اللب خفيف الوزن ومعظم الوقت يكون له معامل مرونة منخفض. المواد الأساسية الشعبية هي الرغاوي البوليمرية الصلبة والخشب وأقراص العسل. تُستخدم الألواح العازلة على نطاق واسع في صناعة البناء كمواد تسقيف أو مواد أرضية أو حائط ، وكذلك في صناعات الطيران.  

 

• المركبات النانوية: تتكون هذه المواد الجديدة من جسيمات متناهية الصغر مدمجة في مصفوفة. باستخدام المركبات النانوية ، يمكننا تصنيع مواد مطاطية تمثل حواجز جيدة جدًا لاختراق الهواء مع الحفاظ على خصائصها المطاطية دون تغيير .