الكيمياء

المواد المركبة المتقدمة

1998 تقرير1996 عن العلم في العالم

KFAS

المواد المركبة الكيمياء

ثمة نقطتان أساسيتان عن المواد المركبة المتقدمة. الأولى أنها الاختيار الطبيعي في الحالات التي يتعذر فيها تلبية الاحتياجات القصوى للأداء باستخدام المواد المتجانسة بمفردها.

والنقطة الأخرى هي أنه نظرًا إلى إمكانية تكييف المواد المركبة لتلبية احتياجات معينة، وتوزيعات الإجهاد-التشوه stress-strain ودرجات الحرارة، وظروف الاستخدام الأخرى، فإنها ستصبح حتمًا المادة الرئيسية للبناء، وستحل محل المواد المتجانسة في كثير من التطبيقات.

وتفرض التقانات الجديدة متطلبات متزايدة الصرامة لمجموعات من خواص المادة لا يمكن لمادة واحدة أن تحققها. إضافة إلى ذلك، فإن خلط أي نسيج بنيوي بعامل مدعم معين يمكن أن يكسب المادة المركبة الناتجة خواص لا تتوافر في أي من المادتين بمفردها.

يتحدد اختيار مادة النسيج البنيوي على أساس درجة الحرارة التي ستتعرض لها المادة أثناء الاستخدام. وتستخدم الأنسجة البنيوية البوليمرية لدائن تنعقد بالحرارة ولا يمكن أن تنصهر أو مركبات إيبوكسي مصنوعة من مواد تنعقد بالحرارة.

ومن الواضح أن النسيج البنيوي الذي يتم اختياره سيملي الكيفية التي سيتم بها تجهيز المادة وصنعها، وبالنسبة إلى المواد المركبة التي يشكل البوليمر نسيجها البنيوي تكون العملية طويلة؛ إذ تشرَّب الشعيرات، التي تكون على هيئة خيوط أو حزم، براتنج النسيج البنيوي ثم تجمع أساسًا باليد أو آليًا في طبقات عديدة على هيئة بنية رقائقية.

 

فإذا كان الراتنج المستخدم من النوع الذي ينعقد بالحرارة تعين معالجة البيئة بعملية مكلفة تجري في محمٍّ autoclave، وتتم غالبًا بتعريض المادة لدرجة حرارة عالية لعدة ساعات.

وتتميز المواد المركبة ذات النسيج البوليمري بخفة الوزن وشدة الصلابة وتحمل الإجهاد في اتجاه التدعيم، لذا فهي تستخدم في صنع الطائرات والسيارات والهياكل المتحركة الأخرى.

غير أنها تتحلل عند درجات الحرارة العالية. كما أنها تتطلب عددًا كبيرًا من العمال وإن كان يجري حاليًا تصنيعها آليًا بصورة متزايدة، وهي عملية غير مناسبة للتطبيقات الصناعية ذات الحجم الكبير والتكلفة المنخفضة.

وحتى يمكن إنتاجها تجاريًا بنجاح يتعين أولاً خفض تكاليفها وتحسين طرق تصنيعها. ووفقًا لرابطة الصناعات الفضائية في الولايات المتحدة، بلغت قيمة المبيعات من المواد المركبة ذات النسيج البوليمري، في عام 1992 على الصعيد العالمي، 4 بلايين دولار أمريكي.

 

ومن جهة أخرى فإن تقديرات مكتب تقييم التقانات في الولايات المتحدة، تشير إلى أن المبيعات السنوية للمواد المركبة المتقدمة ستصل إلى 20 بليون دولار أمريكي بحلول العام 2000.

وتحتل هذه المواد مكانة بالغة الأهمية في التطبيقات الفضائية ولكنها ستنتشر بصورة متزايدة في إنتاج الطائرات المدنية، وربما في صناعة السيارات.

ووفقًا لتقديرات مكتب المعادن في الولايات المتحدة الأمريكية فإن معدل النمو السنوي للمواد المركبة البوليمرية النسيج على الصعيد العالمي سيزيد على 6 في المئة سنويًا حتى العام 2002.

وعندما تصل درجة حرارة التشغيل إلى المستوى الذي تتحلل عنده المواد المركبة البوليمرية النسيج، ينظر في استخدام مادة مركبة فلزية النسيج. غير أن الفلزات لها كثافة عالية مقارنة بكثافة البوليمرات (لذا تستخدم عادة الفلزات الخفيفة كالألمنيوم والمغنيسيوم والتيتانيوم كأنسجة).

 

وينشأ عن ذلك مصاعب شديدة في التجهيز. والمواد المركبة الفلزية النسيج التي تتسم بأفضل الإمكانات هي الأنسجة الألمنيومية التي أساسها ميتاليركيا المساحيق والمدعمة بحبيبات وشعيرات وكِسَفٍ من كاربيد السليكون، والأنسجة التي أساسها الألمنيوم السائل والمدعمة بألياف ألمنيومية شبه متصلة مشكلة سلفًا. وتواجه المواد المركبة الفلزية النسيج مشكلات عدة. فاستخدام مواد أولية عالية التكلفة وتقانات تجهيز معقدة يؤدي إلى زيادة كبيرة في التكاليف مقارنة بالمواد المنافسة.

إضافة إلى ذلك، تزيد فرصة إخفاق الرابطة التي تصل النسيج بالمواد المدعمة له نتيجة التعرض لدورات حرارية متكررة، ويمكن أن يتحلل السطح البيني نتيجة التفاعلات التي تحدث بين النسيج والمواد المدعمة له.

وهنا أيضًا من المهم جدًا إدخال تحسينات على تقانات التجهيز لضمان قدر أكبر من الانتشار للمواد المركبة الفلزية النسيج مستقبلاً. وتشير التقديرات إلى أن متوسط معدل النمو في مبيعات المواد المركبة الفلزية النسيج على الصعيد العالمي يصل إلى 9.3%، تستخدم أساسًا في صناعة السيارات.

وتستخدم الخزفيات في الحالات التي تتطلب أن يكون للنسيج ما للمادة المدعمة من مقاومة حرارية وخفة في الوزن وصلابة وقوة.

 

وخلافًا للمواد المركبة البوليمرية النسيج والمواد المركبة الفلزية النسيج، التي تستخدم في كل منها الألياف لإكساب القوة، فإن استخدام الألياف في المواد المركبة الخزفية النسيج يوقف نمو الشروخ (الصدوع) ومن ثم فإنه يجعل المادة المركبة متينة لأنها صلبة وقوية أصلاً بفضل النسيج الخزفي. وكثير من المواد المركبة الخزفية النسيج تزداد متانة، ومن ثم قوة، بزيادة درجة الحرارة. غير أن هذه الخاصية ذاتها تجعل التجهيز أمرًا صعبًا.

ومن المواد المركبة الأخرى المادة المركبة من كربون-كربون، والتي تفوق في تحملها لدرجات الحرارة العالية جميع المواد المركبة المعروفة الأخرى. ويكون فيها النسيج والعامل المدعم مصنوعين من الكربون العنصري.

وتحتفظ المادة المركبة من كربون-كربون بمعظم قوتها حتى درجة 2500 مئوية، لذا فهي تستخدم في صنع مقدمات المركبات الفضائية العائدة. غير أن التعجيل بالاستغلال التجاري لهذه المواد يواجه عوائق خطيرة، مثل إمكانية التعويل على إنتاج مواد مصنوعة من كربون-كربون لها مواصفات ثابتة، ومقاومة التأكسد في درجات الحرارة العالية.

وتشير الإسقاطات إلى أن معدل النمو في مبيعات المواد المركبة من كربون-كربون سيكون أقل من 5% سنويًا حتى العام 2002. وأحد مجالات التطبيق الرئيسية لهذه المواد هو مكابح الطائرات.

اظهر المزيد

مقالات ذات صلة

زر الذهاب إلى الأعلى
Loading cart ⌛️ ...
إغلاق
إغلاق