أصل ومستقبل مادة ألياف الكربون

في عام ١٨٦٠، اخترع جوزيف سوان النموذج الأولي للمصابيح المتوهجة، وهو مصباح سلك الكربون شبه المفرغ. ولإضاءة الليل المظلم، استُخدمت ألياف الكربون، باعتبارها الجسم المضيء للضوء الكهربائي.

لم تكن ألياف الكربون في بداياتها ملحوظة، إذ كانت مصنوعة من ألياف طبيعية، ذات قوة هيكلية ضعيفة، وكانت جودة خيوطها رديئة، وسهلة الكسر عند الاستخدام، ومتانتها بعيدة كل البعد عن المثالية، وسرعان ما استُبدلت بخيوط التنغستن. ونتيجةً لذلك، دخلت أبحاث ألياف الكربون مرحلة ركود.

في خمسينيات القرن الماضي، ازداد الطلب على المواد عالية القوة والمقاومة للتآكل ودرجات الحرارة العالية في قطاع الطيران والفضاء، فعاد الأمل إلى الكربيدات. وبعد سلسلة من الدراسات، عُثر في النهاية على مادة ذات درجة انصهار تبلغ 3600 درجة مئوية، وسُميَّت رسميًا "ألياف الكربون".

تتميز ألياف الكربون بخفة وزنها، ومتانتها العالية، وقوتها النوعية العالية، ومعامل مرونتها النوعية. كثافتها أقل من ربع كثافة الفولاذ، وقوة شدها أعلى بعشر مرات من قوة الحديد، ومعامل مرونتها أعلى بسبع مرات من قوة الحديد. كما تتميز ألياف الكربون بخصائص ممتازة، مثل مقاومة التعب، ومقاومة الصدأ، والثبات الكيميائي، والثبات الحراري الجيد.

في مجال محركات الطائرات، يتم دمج ألياف الكربون بشكل أساسي مع الراتنج والمعادن والسيراميك وغيرها من الركائز في شكل قاعدة معززة، ويسمى هذا المزيج مركبات معززة بألياف الكربون (CFRP)، وهو يعمل بشكل جيد من حيث خفض الوزن والكفاءة، وتقليل الضوضاء والانبعاثات، وتحسين قوة المواد واقتصاد الوقود.
تُستخدم المواد المركبة تدريجيًا في مكونات محركات الطائرات عالية الحرارة، مثل قسطرة صمام التدفق المتغير GEnx (VBV)، المصنوعة من أميد ماليك مزدوج (BMI) معزز بألياف الكربون، بوزن 3.6 كجم فقط للقسطرة الواحدة. كما تستخدم فوهة التدفق المختلط (MFN) في محرك SaM146 الروسي أجزاء BMI معززة بألياف الكربون، وهي أخف وزنًا بحوالي 20 كجم من المعدن.

في المستقبل، مع تعزيز قوة ومتانة مركبات ألياف الكربون بشكل أكبر، فإن استخدام مركبات ألياف الكربون في محركات الطائرات سيكون شائعًا: تعزيز CFRTP لتكوين عملية الانكماش الحراري البلاستيكية، وتعزيز عملية الكربون لتشكيل مركبات الكربون / الكربون CFRC، وتعزيز تشكيل عملية المعدن CFRM، وتعزيز تشكيل عملية المطاط CFRR ...... في أي اتجاه، ستكون مركبات ألياف الكربون مادة أساسية لمحركات الطائرات عالية الأداء في المستقبل.