المشاهدات: 0 المؤلف: محرر الموقع النشر الوقت: 2025-05-16 الأصل: موقع
يعد البلاستيك المصنوع من الألياف ( FRP ) (أيضًا بوليمر مقوى بالألياف ) مادة مركبة مصنوعة من مصفوفة البوليمر المعززة بالألياف. عادة ما تكون الألياف الزجاجية أو الكربون أو الأراميد أو البازلت. نادراً ما تم استخدام الألياف الأخرى مثل الورق أو الخشب أو الأسبستوس. البوليمر عادة ما يكون البلاستيك الايبوكسي أو الفينيل أو البوليستر. لا تزال راتنجات الفينول فورمالديهايد قيد الاستخدام.
تستخدم FRPs بشكل شائع في صناعات الطيران والسيارات والبحرية والبناء. تم العثور عليها عادة في درع الباليستية كذلك.
يتم تصنيع البوليمر عمومًا عن طريق البلمرة النمو أو بلمرة إضافة. عندما تقترن بالعوامل المختلفة لتعزيز أو تغيير الخصائص المادية للبوليمرات ، يشار إلى النتيجة على أنها بلاستيك. تشير المواد البلاستيكية البلاستيكية إلى تلك الأنواع من المواد البلاستيكية التي تنتج عن ترابط موادتين أو أكثر متجانسة مع خصائص مواد مختلفة لاستخلاص منتج نهائي مع بعض المواد المطلوبة والخصائص الميكانيكية. المواد البلاستيكية المقواة بالألياف هي فئة من المواد البلاستيكية المركبة التي تستخدم مواد الألياف على وجه التحديد لتعزيز قوة ومرونة البلاستيك. تُعرف المادة البلاستيكية الأصلية بدون تعزيز الألياف باسم thematrix أو عامل الربط. المصفوفة هي بلاستيك صعبة ولكنه ضعيف نسبيًا يعززها خيوط أو ألياف تعزز أكثر صلابة. يعتمد مدى تعزيز القوة والمرونة في البلاستيك المقوى بالألياف على الخواص الميكانيكية لكل من الألياف والمصفوفة ، وحجمها بالنسبة لبعضهما البعض ، وطول الألياف والاتجاه داخل المصفوفة. [1] يحدث تعزيز المصفوفة بحكم التعريف عندما تظهر مادة FRP قوة أو مرونة نسبة إلى قوة ومرونة المصفوفة وحدها. [2]
كان Bakelite أول البلاستيك المقوى بالألياف. كان الدكتور ليو بايكلاند قد انطلق في الأصل لإيجاد بديل عن شلاك (مصنوع من إفراز خنافس LAC). بدأ الكيميائيون في إدراك أن العديد من الراتنجات والألياف الطبيعية كانت من البوليمرات ، وحقق Baekeland في تفاعلات الفينول والفورمالديهايد. لقد أنتج أولاً شحذات الفينول فورمالدهيد القابلة للذوبان يسمى 'Novolak ' الذي لم يصبح نجاحًا في السوق ، ثم تحول إلى تطوير رابط للأسبستوس ، في ذلك الوقت ، تم تشكيله بالمطاط. من خلال التحكم في الضغط ودرجة الحرارة المطبقة على الفينول والفورمالديهايد ، وجد في عام 1905 أنه يمكن أن ينتج عن مواده الصلبة التي تحلم بها (أول بلاستيك صناعي في العالم): الباكليت. [3] [4] أعلن اختراعه في اجتماع للجمعية الكيميائية الأمريكية في 5 فبراير 1909. [5]
كان تطوير البلاستيك المعزز بالألياف للاستخدام التجاري يجري البحث على نطاق واسع في ثلاثينيات القرن العشرين. في المملكة المتحدة ، أجري بحث كبير من قبل رواد مثل نورمان دي بروين. كان من المهم بشكل خاص لصناعة الطيران. [6]
تم اكتشاف الإنتاج الضخم للأشرطة الزجاجية في عام 1932 عندما قام باحث في Games Slayter ، وهو باحث في Owens-Ellinois بتوجيه طائرة من الهواء المضغوط في مجرى من الزجاج المنصهر والألياف المنتجة. تم تطبيق براءة اختراع لهذه الطريقة لإنتاج الصوف الزجاجي لأول مرة في عام 1933. [7] انضمت أوينز إلى شركة كورنينج في عام 1935 وتم تكييف الطريقة من قبل أوينز كورنينج لإنتاجها على براءة اختراع 'fibreglas ' (واحد 's ') في عام 1936. درجات حرارة عالية.
تم تطوير راتنج مناسب للجمع بين 'fibreglas ' مع البلاستيك لإنتاج مادة مركبة ، في عام 1936 بواسطة Du Pont. أول سلف من راتنجات البوليستر الحديثة هو راتنجات Cyanamid لعام 1942. تم استخدام أنظمة علاج بيروكسيد في ذلك الوقت. [8] مع مزيج من fibreglas والراتنج تم استبدال محتوى الغاز بالمادة بالبلاستيك. تم تخفيض هذا إلى خصائص العزل إلى القيم النموذجية للبلاستيك ، ولكن الآن لأول مرة أظهر المركب قوة ووعد كبير كمواد هيكلية وبناء. بشكل مربك ، لا يزال يطلق على العديد من مركبات الألياف الزجاجية 'الألياف الزجاجية ' (كاسم عام) وتم استخدام الاسم أيضًا لمنتج الصوف الزجاجي منخفض الكثافة يحتوي على الغاز بدلاً من البلاستيك.
يُنسب إلى Ray Greene of Owens Corning إنتاج القارب المركب الأول في عام 1937 ، لكنه لم يمتد بشكل أكبر في ذلك الوقت بسبب الطبيعة الهشة للبلاستيك المستخدم. في عام 1939 ، تم الإبلاغ عن قيام روسيا ببناء قارب ركاب من المواد البلاستيكية ، والولايات المتحدة جسم الطائرة وأجنحة طائرة. [9] كانت السيارة الأولى التي تحتوي على جثة الألياف الزجاجية هي Scarab Stout 1946. تم بناء واحد فقط من هذا النموذج. [10] كان من الممكن أن يكون النموذج الأولي Ford لعام 1941 أول سيارة بلاستيكية ، ولكن هناك بعض عدم اليقين حول المواد المستخدمة حيث تم تدميرها بعد ذلك بفترة قصيرة. [11] [12]
كانت أول طائرة بلاستيكية مقاومة للألياف إما هي إما Fairchild F-46 ، التي تم نقلها لأول مرة في 12 مايو 1937 ، أو طائرة بلاستيكية بنيت في كاليفورنيا. [13] تم استخدام جسم الطائرة من الألياف الزجاجية على Vultee BT-13A المعدلة تم تعيين XBT-16 ومقرها في أواخر عام 1942. [14] عام 1943 تم إجراء مزيد من التجارب على بناء أجزاء هيكلية من مواد مركبة ، حيث تم تصنيفها. في [16] [17] تم تنمية مهمة في الأدوات لمكونات GFRP من قبل شركة الجمهورية للطيران في عام 1943. [18]
بدأ إنتاج ألياف الكربون في أواخر الخمسينيات وتم استخدامه ، وإن لم يكن على نطاق واسع ، في الصناعة البريطانية التي تبدأ في أوائل الستينيات. تم إنتاج ألياف Aramid في هذا الوقت أيضًا ، حيث ظهرت أولاً تحت الاسم التجاري Nomex بواسطة DuPont. اليوم ، يتم استخدام كل من هذه الألياف على نطاق واسع في الصناعة لأي تطبيقات تتطلب المواد البلاستيكية ذات القوة المحددة أو الصفات المرنة. تعتبر الألياف الزجاجية هي الأكثر شيوعًا في جميع الصناعات ، على الرغم من أن مركبات الألياف الكربونية والألياف الكربونية الألياف موجودة على نطاق واسع في تطبيقات الفضاء والسيارات والرياضة. [2] لا تزال هؤلاء الثلاثة (الزجاج والكربون والأندراميد) هي الفئات المهمة للألياف المستخدمة في FRP.
بدأ إنتاج البوليمر العالمي على المقياس الموجود اليوم في منتصف القرن العشرين ، عندما تكاليف انخفاض المواد والإنتاج ، وتقنيات الإنتاج الجديدة وفئات المنتجات الجديدة مجتمعة لجعل إنتاج البوليمر اقتصاديًا. نضجت الصناعة أخيرًا في أواخر سبعينيات القرن الماضي عندما تجاوز إنتاج البوليمرات العالمي إنتاج الصلب ، مما جعل البوليمرات في كل مكان هو اليوم. كانت المواد البلاستيكية المقواة بالألياف جانبًا مهمًا في هذه الصناعة منذ البداية.
يتضمن FRP عمليتين متميزتين ، الأول هو العملية التي يتم من خلالها تصنيع المادة الليفية وتشكيلها ، والثاني هو العملية التي يتم فيها ربط المواد الليفية بالمصفوفة أثناء القولبة. [2]
يتم تصنيع الألياف المعززة في كل من الاتجاهات ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد
تتميز بوليمر ثنائي الأبعاد المعزز بالألياف ببنية مغلفة يتم فيها محاذاة الألياف فقط على طول الطائرة في الاتجاه x واتجاه y للمادة. هذا يعني أنه لا يتم محاذاة أي ألياف في السمك أو في الاتجاه Z ، فإن هذا الافتقار إلى المحاذاة في السمك من خلال يمكن أن يخلق عيبًا في التكلفة والمعالجة. تزداد التكاليف والعمالة لأن تقنيات المعالجة التقليدية المستخدمة لتصنيع المركبات ، مثل وضع اليد الرطبة ، وصبر نقل الأوتوكلاف وضغط الراتنج ، تتطلب قدراً كبيراً من العمالة الماهرة لقطع المكدس والتوحيد في مكون مشكل مسبقًا.
مركبات البوليمرات ثلاثية الأبعاد التي تعززها الألياف هي مواد ذات هياكل من الألياف ثلاثية الأبعاد التي تتضمن أليافًا في الاتجاه X ، والاتجاه Y وتوظيف z. نشأ تطوير التوجهات ثلاثية الأبعاد من حاجة الصناعة إلى تقليل تكاليف التصنيع ، وزيادة الخصائص الميكانيكية ذات السمك ، وتحسين تحمل الأضرار ؛ كانت جميع المشكلات المرتبطة ببوليمرات مقواة الأبعاد الأبعاد.
تشوهات الألياف هي كيفية تصنيع الألياف قبل أن ترتبط بالمصفوفة. غالبًا ما يتم تصنيع تشكيلات الألياف في الأوراق أو الحصير المستمر أو خيوط مستمرة لتطبيقات الرش. الطرق الأربع الرئيسية لتصنيع التشكيل الألياف هي من خلال تقنيات معالجة النسيج من النسيج والحياكة والضافة والخياطة.
يمكن أن يتم النسيج بطريقة تقليدية لإنتاج ألياف ثنائية الأبعاد وكذلك في نسج متعدد الطبقات يمكن أن يخلق أليافًا ثلاثية الأبعاد. ومع ذلك ، يجب أن يكون النسيج متعدد الطبقات أن يكون له طبقات متعددة من خيوط الاعوجاج لإنشاء ألياف في الاتجاه z لإنشاء بعض العيوب في التصنيع ، وهي الوقت المناسب لإعداد جميع خيوط الاعوجاج على الطول. لذلك ، يتم استخدام معظم نسج الطبقات متعددة الطبقات حاليًا لإنتاج منتجات عرض ضيقة نسبيًا ، أو منتجات ذات قيمة عالية حيث تكون تكلفة إنتاج التشكيل مقبولة. واحدة أخرى من المشكلات الرئيسية التي تواجه استخدام الأقمشة المنسوجة متعددة الطبقات هي صعوبة إنتاج نسيج يحتوي على ألياف موجهة بزوايا أخرى غير 0 'و 90 ' لبعضها البعض على التوالي.
الطريقة الرئيسية الثانية لتصنيع التشكيلات الألياف هي التوليف. تعتبر التجويف مناسبة لتصنيع النسيج الضيق المسطح أو الأنبوبي ولا يمكنه النسيج في إنتاج كميات كبيرة من الأقمشة العريضة. تتم التضخيم على أعلى من المغزل الذي يختلف في شكل أو أبعاد مستعرضة على طول طولها. يقتصر التضخيم على الأشياء حول الطوب في الحجم. على عكس النسيج القياسي ، يمكن أن تنتج التضخيم نسيجًا يحتوي على ألياف بزاوية 45 درجة لبعضها البعض. يمكن إجراء الألياف ثلاثية الأبعاد في التجويف باستخدام أربع خطوات أو من خطوتين أو متعددة الطبقات ، خطوة أو صف وتجميد العمود تستخدم سريرًا مسطحًا يحتوي على صفوف وأعمدة من حاملات الغزل التي تشكل شكل الشكل المطلوب. تتم إضافة شركات النقل الإضافية إلى الجزء الخارجي من الصفيف ، ويعتمد الموقع والكمية الدقيق على شكل التشكيل الدقيق والهيكل المطلوب. هناك أربعة تسلسلات منفصلة من الحركة وحركة العمود ، والتي تعمل على التعشيق الخيوط وتنتج التشكيل المضفر. يتم إجبار الخيوط ميكانيكيا على الهيكل بين كل خطوة لتوحيد الهيكل في عملية مماثلة لاستخدام القصب في النسيج. لا تشبه التضخمة المكونة من خطوتين العملية من أربع خطوات لأن الخطوتين يتضمنون عددًا كبيرًا من الخيوط الثابتة في الاتجاه المحوري وعدد أقل من الخيوط التضخمة. تتكون العملية من خطوتين تتحرك فيها شركات الطيران تمامًا من خلال الهيكل بين الناقلات المحورية. هذا التسلسل البسيط نسبيًا للحركات قادر على تكوين تشكيلات من أي شكل بشكل أساسي ، بما في ذلك الأشكال الدائرية والجوفاء. على عكس العملية المكونة من أربع خطوات ، لا تتطلب العملية المكونة من خطوتين الضغط الميكانيكي ، حيث تتيح الحركات التي تنطوي عليها العملية سحب جديلة بإحكام من خلال توتر الغزل وحده. آخر نوع من الضواحي هو التجويف متعدد الطبقات المتشابك يتكون من عدد من الضفائر الدائرية القياسية التي يتم ربطها معًا لتشكيل إطار تجديف أسطواني. يحتوي هذا الإطار على عدد من المسارات التوازي المتوازية حول محيط الأسطوانة ، لكن الآلية تسمح بنقل ناقلات الغزل بين المسارات المجاورة التي تشكل نسيجًا مضفرًا متعدد الطبقات مع خيوط متشابكة إلى طبقات مجاورة. تختلف جديلة التعشيق متعدد الطبقات عن كل من الخطوات الأربع والضفائر المكونة من خطوتين من حيث أن الخيوط المتشابكة في المقام الأول في مستوى الهيكل ، وبالتالي لا تقلل بشكل كبير من خصائص المستوى المسبق. تنتج العمليات المكونة من أربع خطوات وقطعة درجة أكبر من الترابط حيث تنتقل خيوط التجويف عبر سماكة التشكيل ، ولكنها تساهم بشكل أقل في الأداء الداخلي للتشكيل. من العيوب في معدات التعشيق متعددة الطبقات أنه بسبب الحركة الجيبية التقليدية لناقلات الغزل لتشكيل التشكيل ، فإن المعدات غير قادرة على الحصول على كثافة ناقلات الغزل الممكنة مع خطوتين وأربع من آلات الخطوة.
يمكن إجراء تشكيلات الألياف الحياكة مع الأساليب التقليدية للتشوه والحياكة [اللحمة] ، وغالبًا ما تعتبر النسيج المنتج من قبل العديد من النسيج ثنائي الأبعاد ، لكن الآلات التي تحتوي على سريرين أو أكثر من الإبرة قادرة على إنتاج أقمشة متعددة الطبقات مع YAMs التي تجتاز بين الطبقات. التطورات في الضوابط الإلكترونية لاختيار الإبرة ونقل حلقة متماسكة ، وفي الآليات المتطورة التي تسمح بمساحات محددة من النسيج والتحكم في حركتها. وقد سمح ذلك للنسيج بتشكيل نفسه في شكل التشكيل ثلاثي الأبعاد المطلوب مع الحد الأدنى من هدر المواد.
يمكن القول إن الخياطة هي أبسط تقنيات تصنيع النسيج الأربعة الرئيسية والتي يمكن إجراؤها مع أصغر استثمار في الآلات المتخصصة. يتكون الخياطة بشكل أساسي من إدخال إبرة ، تحمل خيط الغرز ، من خلال مجموعة من طبقات القماش لتشكيل بنية ثلاثية الأبعاد. تتمثل مزايا الخياطة في أنه من الممكن خياطة النسيج الجاف والمسبق ، على الرغم من أن صياغة prepreg تجعل العملية صعبة وتخلق أضرارًا أكبر داخل المادة prepreg مقارنة بالنسيج الجاف. يستخدم الخياطة أيضًا الأقمشة القياسية ثنائية الأبعاد التي يتم استخدامها عادة في الصناعة المركبة ، وبالتالي هناك شعور بالألفة فيما يتعلق بأنظمة المواد. يسمح استخدام النسيج القياسي أيضًا بدرجة أكبر من المرونة في وضع النسيج للمكون مما هو ممكن مع عمليات النسيج الأخرى ، والتي لها قيود على اتجاهات الألياف التي يمكن إنتاجها. [19]
عادة ما يتم استخدام بنية صلبة لإنشاء شكل مكونات FRP. يمكن وضع الأجزاء على سطح مسطح يشار إليه باسم لوحة caul 'أو على بنية أسطواني يشار إليها باسم ' mandrel '. ومع ذلك ، يتم إنشاء معظم الأجزاء البلاستيكية المقوى بالألياف باستخدام قالب أو أداة.
تبدأ عمليات صب FRP Plastics عن طريق وضع التشكيل الألياف على القالب أو في القالب. يمكن أن يكون تشكيل الألياف الألياف الجافة ، أو الألياف التي تحتوي بالفعل على كمية مقاسة من الراتنجات تسمى 'prepreg '. الألياف الجافة هي 'مبللة ' مع الراتنج إما باليد أو يتم حقن الراتنج في قالب مغلق. ثم يتم علاج الجزء ، تاركًا المصفوفة والألياف في الشكل الذي تم إنشاؤه بواسطة القالب. يتم استخدام الحرارة و/أو الضغط أحيانًا لعلاج الراتنج وتحسين جودة الجزء النهائي. يتم سرد الطرق المختلفة لتشكيل أدناه.
يتم وضع أوراق فردية من المواد prepreg ووضعها في قالب على طراز أنثى جنبا إلى جنب مع المثانة التي تشبه البالون. يتم إغلاق القالب ووضعه في مكبس ساخن. أخيرًا ، يتم ضغط المثانة على فرض طبقات من المواد ضد جدران القالب.
عندما تحتوي المادة الخام (الكتلة البلاستيكية أو الكتلة المطاطية أو الورقة البلاستيكية أو الحبيبات) على ألياف معززة ، فإن جزءًا مصبوبًا مضغوطًا مؤهلاً كبلاستيك مقوى بالألياف. وعادة ما يكون التشكيل البلاستيكي المستخدم في صب الضغط لا يحتوي على ألياف معززة. في صب الضغط ، يتم وضع 'preform ' أو 'Charge ' ، من SMC ، BMC في تجويف القالب. يتم إغلاق القالب ويتم تشكيل المادة وشفائها بالداخل بالضغط والحرارة. يوفر ضغط الضغط تفاصيل ممتازة للأشكال الهندسية التي تتراوح بين النمط والتفاصيل الإغاثة إلى المنحنيات المعقدة والأشكال الإبداعية ، إلى الهندسة الدقيقة كلها في وقت الحد الأقصى لعلاج 20 دقيقة. [20]
يتم وضع أوراق فردية من المواد prepreg ووضعها في قالب مفتوح. المواد مغطاة بفيلم الإصدار ، ومواد النزف/الاستراحة وحقيبة فراغ. يتم سحب فراغ من جزأ ويوضع القالب بأكمله في أليفة (وعاء الضغط الساخن). يتم علاج الجزء مع فراغ مستمر لاستخراج الغازات المحبوبة من الصفائح. هذه عملية شائعة جدًا في صناعة الطيران لأنها توفر تحكمًا دقيقًا على الصب بسبب دورة علاجية طويلة وبطيئة في أي مكان من ساعة إلى عدة ساعات. [21] يخلق هذا التحكم الدقيق النماذج الهندسية الدقيقة اللازمة لضمان القوة والسلامة في صناعة الطيران ، ولكنها أيضًا بطيئة وكثيفة العمال ، مما يعني أن التكاليف غالباً ما تقصرها في صناعة الطيران. [20]
يتم لف ورقة من المواد prepreg حول مغزل الصلب أو الألومنيوم. يتم مضغوط المادة prepreg بواسطة شريط تشيلو النايلون أو البولي بروبيلين. عادة ما يتم علاج الأجزاء عن طريق تعبئة الفراغ والتعليق في الفرن. بعد علاج التشيلو واللطف تاركا أنبوب الكربون المجوف. هذه العملية تخلق أنابيب كربون مجوفة قوية وقوية.
يجمع تشكيل رمية الكرة الرطبة بين تعزيز الألياف والمصفوفة عند وضعها على أداة التشكيل. [2] يتم وضع طبقات الألياف المعززة في قالب مفتوح ثم مشبعة بالراتنج الرطب عن طريق سكبه على النسيج وعمله في النسيج. ثم يتم ترك القالب بحيث يعالج الراتنج ، عادة في درجة حرارة الغرفة ، على الرغم من استخدام الحرارة في بعض الأحيان لضمان علاج مناسب. في بعض الأحيان يتم استخدام كيس فراغ لضغط رمية الكرة الرطبة. تُستخدم الألياف الزجاجية بشكل شائع في هذه العملية ، والنتائج تُعرف على نطاق واسع باسم الألياف الزجاجية ، وتستخدم لصنع منتجات شائعة مثل الزحافات والزوارق والزوارق ولوحات الأمواج. [20]
يتم دفع خيوط مستمرة من الألياف الزجاجية من خلال بندقية محمولة يدويًا تقطع الخيوط وتجمع بينها مع راتنج محفوظ مثل البوليستر. يتم إطلاق النار على الزجاج المفروم المشرب على سطح القالب بأي سمك وتصميم يعتقد المشغل البشري أنه مناسب. هذه العملية جيدة لركض الإنتاج الكبير بتكلفة اقتصادية ، ولكنها تنتج أشكالًا هندسية بأقل قوة من عمليات الصب الأخرى ولها تحمل أبعاد. [20]
تسحب الآلات حزم الألياف من خلال حمام مبلل من الراتنج والجرح على مغزل فولاذي دوار في اتجاهات محددة يتم علاج أجزاء إما درجة حرارة الغرفة أو درجات حرارة مرتفعة. يتم استخراج المنقل ، تاركًا شكلًا هندسيًا نهائيًا ولكن يمكن تركه في بعض الحالات. [20]
يتم سحب حزم الألياف والأقمشة الشق من خلال حمام مبلل من الراتنج وتشكل في شكل الجزء الخام. يتم بثق المواد المشبعة من معالجة ممولة مغلقة ساخنة بينما يتم سحبها بشكل مستمر من خلال الموت. بعض المنتجات النهائية من pultrusion هي الأشكال الهيكلية ، أي شعاع ، زاوية ، قناة وملاءة مسطحة. يمكن استخدام هذه المواد لإنشاء جميع أنواع هياكل الألياف الزجاجية مثل السلالم والمنصات وخزانات أنظمة الدرابزين ودعم الأنابيب ودعم المضخة. [20]
وتسمى أيضا ضخ الراتنج . يتم وضع الأقمشة في قالب يتم حقن الراتنج الرطب فيه. عادة ما يتم الضغط على الراتنج وإجباره على تجويف تحت الفراغ في صب نقل الراتنج. يتم سحب الراتنج بالكامل إلى تجويف تحت فراغ في صب نقل الراتنج بمساعدة الفراغ. تتيح عملية الصب هذه التحمل الدقيق والتشكيل التفصيلي ولكن قد تفشل في بعض الأحيان في تشبع النسيج بشكل كامل مما يؤدي إلى ضعف في الشكل النهائي. [20]
يسمح FRP بمحاذاة الألياف الزجاجية للبلاستيك الحراري لتناسب برامج تصميم محددة. يمكن أن يؤدي تحديد اتجاه تعزيز الألياف إلى زيادة قوة ومقاومة تشوه البوليمر. تعد البوليمرات المقواة بالزجاج الأقوى والأكثر مقاومة للقوى المشوهة عندما تكون ألياف البوليمرات موازية للقوة التي يتمارسها ، وأضعف عندما تكون الألياف عموديًا. وبالتالي فإن هذه القدرة هي في وقت واحد ميزة أو قيود اعتمادا على سياق الاستخدام. يمكن استخدام البقع الضعيفة للألياف العمودية في المفصلات والاتصالات الطبيعية ، ولكنها يمكن أن تؤدي أيضًا إلى فشل المواد عندما تفشل عمليات الإنتاج في توجيه الألياف بشكل صحيح بالتوازي مع القوى المتوقعة. عندما تمارس القوى عموديًا على اتجاه الألياف ، تكون قوة ومرونة البوليمر أقل من المصفوفة وحدها. في مكونات الراتنج المصبوب المصنوعة من البوليمرات المقواة بالزجاج مثل UP و EP ، يمكن توجيه اتجاه الألياف في نسج ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد. هذا يعني أنه عندما تكون القوى عموديًا على اتجاه واحد ، فهي موازية لتوجه آخر ؛ هذا يلغي احتمال وجود بقع ضعيفة في البوليمر.
يمكن أن يحدث الفشل الهيكلي في مواد FRP عندما:
تمتد قوى الشد المصفوفة أكثر من الألياف ، مما تسبب في قص المادة في الواجهة بين المصفوفة والألياف.
تتجاوز قوى الشد بالقرب من نهاية الألياف تحمل المصفوفة ، وفصل الألياف عن المصفوفة.
يمكن أن تتجاوز قوى الشد أيضًا تحمل الألياف التي تسبب الألياف نفسها في كسرها مما يؤدي إلى فشل المواد. [2]
يجب أن تلبي مادة مصفوفة البوليمر بالحرارة ، أو مادة مصفوفة البوليمر الحرارية للهندسة ، متطلبات معينة من أجل أن تكون مناسبة أولاً لـ FRPs وضمان تعزيز ناجح لنفسها. يجب أن تكون المصفوفة قادرة على التشبع بشكل صحيح ، ويفضل أن تربط كيميائيًا مع تعزيز الألياف لتحقيق أقصى قدر من الالتصاق خلال فترة علاج مناسبة. يجب على المصفوفة أيضًا أن يلف الألياف تمامًا لحمايتها من التخفيضات والشقوق التي من شأنها أن تقلل من قوتها ، ونقل القوى إلى الألياف. يجب أيضًا الحفاظ على الألياف منفصلة عن بعضها البعض ، بحيث إذا حدث الفشل ، فإنه يتم ترجمة قدر الإمكان ، وإذا حدث الفشل ، يجب أن يفضح المصفوفة أيضًا من الألياف لأسباب مماثلة. أخيرًا ، يجب أن تكون المصفوفة من البلاستيك الذي يظل مستقرًا كيميائيًا وجسديًا أثناء وبعد عمليات التعزيز والقولبة. لتكون مناسبة كمواد تعزيز ، يجب أن تزيد إضافات الألياف من قوة الشد ومعامل مرونة المصفوفة وتلبية الشروط التالية ؛ يجب أن تتجاوز الألياف محتوى الألياف الحرجة ؛ يجب أن تتجاوز قوة وصلابة الألياف نفسها قوة وصلابة المصفوفة وحدها ؛ ويجب أن يكون هناك ترابط مثالي بين الألياف والمصفوفة
'Piberglass Plastics ' أو FRPs (يشار إليها عادةً باسم الألياف الزجاجية) تستخدم ألياف زجاجية من النسيج. تختلف ألياف النسيج هذه عن أشكال أخرى من الألياف الزجاجية المستخدمة لفخ الهواء عمداً ، للاطلاع على التطبيقات العازلة (انظر الصوف الزجاجي). تبدأ الألياف الزجاجية النسيجية كمجموعات متفاوتة من SIO 2أو Al 2O 3أو B 2O 3أو CAO أو MGO في شكل مسحوق. ثم يتم تسخين هذه المخاليط من خلال الانصهار المباشر إلى درجات حرارة حوالي 1300 درجة مئوية ، وبعد ذلك يتم استخدام يموت لبثق خيوط من الألياف الزجاجية في قطرها تتراوح بين 9 إلى 17 ميكرون. ثم يتم جرح هذه الخيوط في خيوط أكبر وتنسج على البكر للنقل ومزيد من المعالجة. تعتبر الألياف الزجاجية هي الوسيلة الأكثر شعبية لتعزيز البلاستيك ، وبالتالي تتمتع بثروة من عمليات الإنتاج ، والتي ينطبق بعضها على ألياف Aramid والكربون أيضًا بسبب صفاتها الليفية المشتركة.
المتجولة هي عملية يتم فيها نسج الخيوط إلى مؤشرات ترابط قطر أكبر. ثم يتم استخدام هذه الخيوط بشكل شائع للأقمشة الزجاجية المعززة المنسوجة ، وفي تطبيقات الرش.
أقمشة الألياف هي مواد تعزيز نسيج الويب التي لها اتجاهات الاعوجاج واللحمة. الحصير الألياف هي حصير غير منسوج من الألياف الزجاجية. يتم تصنيع الحصير بأبعاد مقطوعة بالألياف المفرومة ، أو في الحصير المستمر باستخدام الألياف المستمرة. يتم استخدام زجاج الألياف المفروم في العمليات التي يتم فيها قطع أطوال الخيوط الزجاجية بين 3 و 26 مم ، ثم يتم استخدام الخيوط في البلاستيك الأكثر شيوعًا لعمليات التشكيل. الألياف القصيرة الألياف الزجاجية قصيرة 0.2-0.3 ملم من الألياف الزجاجية التي يتم استخدامها لتعزيز اللدائن الحرارية الأكثر شيوعا في صب الحقن.
يتم إنشاء ألياف الكربون عندما تكون ألياف بولي أكريلونيتريل (PAN) ، أو راتنجات الملعب ، أو رايون مركبة (من خلال الانحلال الحراري الحراري) في درجات حرارة عالية. من خلال عمليات مزيد من الرسم أو تمديد قوة الألياف أو المرونة يمكن تعزيزها على التوالي. يتم تصنيع ألياف الكربون بأقطار مماثلة للألياف الزجاجية بأقطار تتراوح من 4 إلى 17 ميكرون. جرحت هذه الألياف إلى خيوط أكبر للنقل وعمليات الإنتاج الإضافية. [2] تشمل عمليات الإنتاج الإضافية النسيج أو التجويف في الأقمشة الكربونية والملابس والحصير المماثلة لتلك الموصوفة للزجاج والتي يمكن بعد ذلك استخدامها في التعزيزات الفعلية. [1]
تُعرف ألياف Aramid الأكثر شيوعًا باسم Kevlar و Nomex و Technora. يتم تحضير Aramids بشكل عام من خلال التفاعل بين مجموعة أمين ومجموعة هاليد حمض الكربوكسيل (Aramid) ؛ [1] يحدث هذا عادة عندما يتم نسج البولي أميد العطرية من تركيز سائل من حمض الكبريتيك إلى ألياف بلورة. [2] يتم نسج الألياف في خيوط أكبر من أجل نسجها في حبال كبيرة أو أقمشة منسوجة (aramid). [1] يتم تصنيع ألياف Aramid مع درجات متفاوتة بناءً على صفات متفاوتة للقوة والصلابة ، بحيث يمكن أن تكون المادة مصممة إلى حد ما إلى مخاوف محددة لتصميم ، مثل قطع المواد الصعبة أثناء التصنيع. [2]
| المواد [2] | مواد المصفوفة الأكثر شيوعًا | تحسن خصائص |
|---|---|---|
| الألياف الزجاجية | UP ، EP ، PA ، PC ، POM ، PP ، PBT ، VE | القوة ، المرونة ، مقاومة الحرارة |
| ألياف الخشب | PE ، PP ، ABS ، HDPE ، PLA | قوة الانثناء ، معامل الشد ، قوة الشد |
| ألياف الكربون والأراميد | EP ، UP ، VE ، PA | المرونة ، قوة الشد ، قوة الضغط ، القوة الكهربائية. |
| الجسيمات غير العضوية | البلاكتيات الحرارية شبه البلورية ، UP | انكماش الخلايا الخواص ، التآكل ، قوة الضغط |
تعد البلاستيكات التي تعزز الألياف الأنسب لأي برنامج تصميم يتطلب توفير الوزن ، وهندسة الدقة ، والتحملات المحدودة ، وتبسيط الأجزاء في كل من الإنتاج والتشغيل. إن قطعة أثرية بوليمر مقولبة أرخص وأسرع وأسهل في التصنيع من المصبوب المصبوب من الألومنيوم أو الفولاذ ، ويحافظ على نقاط التحمل والمواد المتشابهة وأحيانًا أفضل.
دفة Airbus A310
المزايا على الدفة التقليدية المصنوعة من الألومنيوم ورقة هي:
انخفاض في الوزن بنسبة 25 ٪
انخفاض بنسبة 95 ٪ في المكونات عن طريق الجمع بين الأجزاء والأشكال في أجزاء مقولبة أبسط.
انخفاض إجمالي في الإنتاج والتكاليف التشغيلية ، يؤدي اقتصاد الأجزاء إلى انخفاض تكاليف الإنتاج وتوفير الوزن لتوفير الوقود الذي يقلل من التكاليف التشغيلية لطيران الطائرة.
مصنوع من تناول المحرك مصنوع من PA 66 من الألياف الزجاجية.
مزايا هذا أكثر من مشعب الألومنيوم المصبوب هي:
ما يصل إلى 60 ٪ انخفاض في الوزن
تحسين جودة السطح والديناميكا الهوائية
انخفاض في المكونات عن طريق الجمع بين الأجزاء والأشكال في أشكال مقولبة أبسط.
غاز السيارات ودواسات القابض المصنوعة من PA 66 الألياف الزجاجية (DWP 12-13)
المزايا على الألومنيوم المختوم هي:
يمكن تشكيل الدواسات كوحدات واحدة تجمع بين الدواسات والروابط الميكانيكية التي تبسيط إنتاج وتشغيل التصميم.
يمكن توجيه الألياف لتعزيز الضغوط المحددة ، مما يزيد من المتانة والسلامة.
يتم عزل نوافذ الألومنيوم والأبواب والواجهات حرارياً باستخدام المواد البلاستيكية العازلة الحرارية المصنوعة من البولي أميد الألياف الزجاجية. في عام 1977 ، أنتجت Ensinger GmbH ملف تعريف العزل الأول لأنظمة النوافذ.
يمكن تطبيق FRP لتقوية الحزم والأعمدة وألواح المباني والجسور. من الممكن زيادة قوة الأعضاء الهيكليين حتى بعد أن تعرضوا للتلف الشديد بسبب ظروف التحميل. في حالة أعضاء الخرسانة المسلحة التالفة ، سيتطلب ذلك أولاً إصلاح العضو عن طريق إزالة الحطام الفضفاضة وملء التجاويف والتشققات مع راتنج الهاون أو الإيبوكسي. بمجرد إصلاح العضو ، يمكن تحقيق تعزيز من خلال وضع رطب ، يدويًا لتشريب صفائح الألياف براتنج الايبوكسي ثم يطبقها على الأسطح التي تم تنظيفها والمُعدة للعضو.
عادة ما يتم اعتماد تقنيتين لتقوية الحزم ، فيما يتعلق بتحسين القوة المطلوب: تعزيز الانثناء أو تعزيز القص. في كثير من الحالات ، قد يكون من الضروري توفير كل من تحسينات القوة. من أجل تعزيز الانثناء لحزمة ، يتم تطبيق صفائح FRP أو الألواح على وجه التوتر للعضو (الوجه السفلي لعضو مدعوم ببساطة مع التحميل العلوي المطبق أو تحميل الجاذبية). يتم توجيه ألياف الشد الرئيسية في المحور الطولي شعاع ، على غرار تعزيز الفولاذ العاطفي الداخلي. هذا يزيد من قوة الحزمة وتصلبه (الحمل المطلوب للتسبب في انحراف الوحدة) ، ومع ذلك يقلل من سعة الانحراف والليجغة.
لتقوية القص للحزمة ، يتم تطبيق FRP على شبكة الإنترنت (الجانبين) لعضو مع الألياف الموجهة نحو المحور الطولي للشعاع. تتحقق مقاومة قوى القص بطريقة مماثلة مثل ركاب الصلب الداخلي ، عن طريق سد شقوق القص التي تتشكل تحت التحميل المطبق. يمكن تطبيق FRP في العديد من التكوينات ، اعتمادًا على الوجوه المكشوفة للعضو ودرجة التعزيز المطلوبة ، ويشمل ذلك: الترابط الجانبي ، و u-jackets ، واللفائف المغلقة (لفائف كاملة). يتضمن الترابط الجانبي تطبيق FRP على جانبي الحزمة فقط. يوفر أقل كمية من تقوية القص بسبب الفشل الناجم عن إزالة الترابط من سطح الخرسانة عند الحواف الحرة FRP. بالنسبة إلى u-wraps ، يتم تطبيق FRP بشكل مستمر في شكل 'U' حول الجانبين والوجه السفلي (التوتر) من الحزمة. إذا كانت جميع وجوه الحزمة متاحة ، فإن استخدام الأرفف المغلقة أمر مرغوب فيه لأنها توفر أكبر قدر من تعزيز القوة. يتضمن التغليف المغلق تطبيق FRP حول محيط العضو بأكمله ، بحيث لا توجد نهايات حرة ووضع الفشل النموذجي هو تمزق الألياف. بالنسبة لجميع تكوينات التفاف ، يمكن تطبيق FRP على طول العضو كورقة مستمرة أو كشرائط منفصلة ، مع الحد الأدنى المحدد مسبقًا وتباعد.
يمكن تعزيز الألواح عن طريق تطبيق شرائط FRP في وجهها القاع (التوتر). سيؤدي ذلك إلى أداءً أفضل في الانثناء ، حيث تستكمل مقاومة الشد للألواح بقوة الشد من FRP. في حالة الحزم والألواح ، تعتمد فعالية تعزيز FRP على أداء الراتنج المختار للترابط. هذه مشكلة بشكل خاص لتقوية القص باستخدام الترابط الجانبي أو u-wraps. عادة ما يتم لف الأعمدة مع FRP حول محيطها ، كما هو الحال مع الالتفاف المغلق أو الكامل. هذا لا يؤدي فقط إلى مقاومة قص أعلى ، ولكن أكثر أهمية لتصميم الأعمدة ، بل يؤدي إلى زيادة قوة الضغط تحت التحميل المحوري. يعمل WRAP FRP عن طريق تقييد التوسع الجانبي للعمود ، والذي يمكن أن يعزز الحبس بطريقة مماثلة كما يفعل التعزيز الحلزوني للبان العمود.
في يونيو 2013 ، أعلنت شركة Kone Elevator Company UltraRope لاستخدامها كبديل للكابلات الصلب في المصاعد. إنه يختم ألياف الكربون في البوليمر عالي الاحتكاك. على عكس كابل الصلب ، تم تصميم Ultrarope للمباني التي تتطلب ما يصل إلى 1000 متر من الرفع. المصاعد الصلب تتجاوز 500 متر. قدرت الشركة أنه في مبنى يبلغ ارتفاعه 500 متر ، سيستخدم المصعد طاقة كهربائية أقل بنسبة 15 في المائة من النسخة المنقولة بالفولاذ. اعتبارًا من يونيو 2013 ، اجتاز المنتج جميع اختبارات الشهادات الأوروبية والولايات المتحدة. [22]
يتم استخدام FRP في التصميمات التي تتطلب مقياسًا من القوة أو معامل المرونة التي لا يتمتع بها المواد البلاستيكية غير المقدمة وخيارات المواد الأخرى إما غير مناسبة للميكانيكي أو الاقتصادي. هذا يعني أن اعتبار التصميم الأساسي لاستخدام FRP هو التأكد من استخدام المادة اقتصاديًا وبطريقة تستفيد من تحسيناتها الهيكلية على وجه التحديد. ومع ذلك ، فإن هذا ليس هو الحال دائمًا ، فإن اتجاه الألياف يخلق أيضًا ضعفًا ماديًا عموديًا على الألياف. وبالتالي فإن استخدام تعزيز الألياف وتوجهها يؤثر على القوة والصلابة والمرونة في الشكل النهائي وبالتالي تشغيل المنتج النهائي نفسه. يؤثر توجيه اتجاه الألياف إما ، أو أحادي الاتجاه ، أو ثنائي الأبعاد ، أو ثلاثي الأبعاد أثناء الإنتاج على درجة القوة والمرونة ومرونة المنتج النهائي. تُظهر الألياف الموجهة في اتجاه القوى مقاومة أكبر للتشويه من هذه القوى والعكس بالعكس ، وبالتالي ستُعزز مناطق منتج يجب أن يقاوم مع الألياف في نفس الاتجاه ، وستستخدم المناطق التي تتطلب مرونة ، مثل المفصلات الطبيعية ، الألياف في اتجاه عمودي للقوات. يتجنب استخدام المزيد من الأبعاد هذا أو سيناريو ويقوم بإنشاء كائنات تسعى إلى تجنب أي نقاط ضعف محددة بسبب التوجه أحادي الاتجاه للألياف. يمكن أيضًا تكبير أو تقلص خصائص القوة والمرونة والمرونة من خلال الشكل الهندسي وتصميم المنتج النهائي. وتشمل هذه الاعتبار التصميم مثل ضمان سمك الجدار المناسب وإنشاء أشكال هندسية متعددة الوظائف يمكن أن تكون صب كقطع واحدة ، مما يخلق أشكالًا لها المزيد من المواد والهيكلية عن طريق تقليل المفاصل والاتصالات والأجهزة. [2]
كمجموعة فرعية من البلاستيك من البلاستيك من البلاستيك عرضة لعدد من المشكلات والمخاوف في التخلص من النفايات البلاستيكية وإعادة التدوير. تشكل المواد البلاستيكية تحديًا خاصًا في إعادة التدوير لأنها مشتقة من البوليمرات والمونومرات التي لا يمكن فصلها في كثير من الأحيان وإعادتها إلى حالاتها البكر ، ولهذا السبب ، لا يمكن إعادة تدوير جميع المواد البلاستيكية لإعادة استخدامها ، في الواقع ، يمكن إعادة تدوير بعض التقديرات فقط إلى 20 ٪ إلى 30 ٪ من البلاستيك على الإطلاق. تشترك المواد البلاستيكية التي تعززها الألياف ومصفوفاتها في هذه المخاوف البيئية. بالإضافة إلى هذه المخاوف ، فإن حقيقة أن الألياف نفسها يصعب إزالتها من المصفوفة والحفاظ عليها لإعادة الاستخدام تعني تضخيم هذه التحديات FRP. من الصعب فصل FRP بطبيعتها إلى مواد أساسية ، والتي تكون في الألياف والمصفوفة ، والمصفوفة إلى البلاستيك والبوليمرات والمونومرات القابلة للاستخدام. هذه كلها مخاوف بشأن التصميم المستنيرة بيئياً اليوم. غالبًا ما توفر المواد البلاستيكية مدخرات في الطاقة والوديقة الاقتصادية مقارنة بالمواد الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، مع ظهور المصفوفات الجديدة الصديقة للبيئة مثل البلاستيك الحيوي والبلاستيك القابل للتحلل للأشعة فوق البنفسجية ، ستكتسب FRP حساسية بيئية. [1]
long-fibre-ininforged lyfoplastic
^ القفز إلى: A B C D E Smallman ، RE ، و RJ Bishop. المعادن البدنية الحديثة والمواد هندسة. الطبعة السادسة. أكسفورد: بتروورث-هينمان ، 1999.
^ القفز إلى: A B C D E F G H I J Erhard ، Gunter. تصميم مع البلاستيك. عبر. مارتن طومسون. ميونيخ: هانسر الناشرين ، 2006.
Jump Up^ Amato ، Ivan (29 March 1999). 'Leo Baekeland '. الوقت 100 . وقت.
القفز لأعلى^ 'Leo Baekeland '. البلاستيك . موقع تاريخ المملكة المتحدة. 28 يونيو 2000.
القفز لأعلى^ 'مادة كيميائية جديدة ' (PDF). صحيفة نيويورك تايمز. 6 فبراير 1909.
Jump Up^ راتنج الاصطناعي - استخدم في بناء الطائرات ، The Times ، لندن إنجلترا ، الاثنين 5 أكتوبر 1936 ، صفحة 14 ، العدد 47497
Jump Up^ US براءة اختراع رقم 2133235: طريقة وجهاز لصنع صوف الزجاج الأول Slayter Glass Wool Patent ، 1933.
القفز لأعلى^ 50 سنة من القوارب البلاستيكية المعززة ، جورج مارش ، 8 أكتوبر 2006 ، http://www.reinforcedplastics.com/view/1461/50 سنة
Jump Up^ Progrative Progress - استخدام البلاستيك ، المساء ، ويلنجتون ، نيوزيلندا ، المجلد CXXVIII ، العدد 31 ، 5 أغسطس 1939 ، صفحة 28
Jump Up^ Car of the Future in Plastics ، The Mercury (Hobart ، Tasmania) ، Monday 27 May 1946 ، Page 16
القفز لأعلى^ 'ما بعد الحرب السيارات '. Bradford Daily Record . 28 مارس 1941. ص. 12. تم الاسترجاع في 17 يونيو 2015 - عبر Newspapers.com. 
القفز لأعلى^ 'ما بعد الحرب السيارات '. كوربوس كريستي تايمز . 12 يناير 1942. ص. 3. تم استرجاعه في 17 يونيو 2015 - عبر Newspapers.com.
القفز لأعلى^ 'الطائرات البلاستيكية من القوالب هي خطة الجيش '. جريلي ديلي تريبيون . 24 يونيو 1938. ص. 2. تم استرجاعه في 12 أغسطس 2015 - عبر Newspapers.com.
Jump Up^ American Warblanes of World War II ، David Donald ، Aerospace Publishing Limited ، 1995 ، Pages 251–252 ، ISBN 1-874023-72-7
القفز لأعلى^ استخدام تسريع للمواد الجديدة ، لجنة المجلس الوطني للبحوث (الولايات المتحدة) المعتمدة على الاستخدام المتسارع للمواد الجديدة ، واشنطن ، الأكاديمية الوطنية للعلوم - الأكاديمية الوطنية للهندسة ، سبرينغفيلد ، فرجينيا ، 1971 ، الصفحات 56-57 بواسطة WP Conrardy
Jump Up^ مصبوب من جسم الطائرة الساندويتش الألياف الزجاجية ل BT-15 Airplane ، تقرير الجيش الجوي التقني 5159 ، 8 نوفمبر 1944
القفز لأعلى^ كتيب البلاستيك المقوى ؛ دونالد ف. روزاتو ، دومينيك ف. روزاتو ، وجون ميرفي ؛ إلسفير 2004 ؛ صفحة 586
Jump Up^ History of Composites ، Tim Palucka و Bernadette Bensaude-Vincent ، http: //authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/composites/composites_overview.htm
القفز لأعلى^ تونغ ، ل ، أبي موريتز ، و MK Bannister. 3D الألياف المقوى ببوليمر مركبات. أكسفورد: إلسفير ، 2002.
^ القفز إلى: A B C D E F G صب مركبة
القفز لأعلى^ دوغان ، فاتح ؛ Hadavinia ، Homayoun ؛ دونشيف ، تودور ؛ Bhonge ، Prasannakumar S. (5 أغسطس 2012). 'إزالة الهياكل المركبة المتأثرة بواسطة عناصر واجهة المنطقة المتماسكة واتصال التعادل '. مجلة الهندسة الأوروبية الوسطى . 2(4): 612-626. doi: 10.2478/s13531-012-0018-0.
قفز لأعلى^ 'أعلنت Ultrarope عن تكبير المباني الطويلة '. Phys.org. تم الاسترجاع 2013-06-13.
>>>>> ملاحظة: مقالة تم الحصول عليها من https://en.wikipedia.org/wiki/fibre-reinforced_plastic <<<<<