ترکیب PEEK Carbon Fiber در کامپوزیت سبک هوافضا
ترکیب فیبر کربن و پلی اتر اترکتون در کامپوزیت سبک هوافضا
کاهش وزن و تولید ناب ازجمله محورهای اصلی در بخش هوافضا هستند زیرا طراحان به دنبال کاهش هزینههای عملیاتی هواپیماهای خود هستند. درنتیجه، کامپوزیتهای ترموپلاستیک که میتوانند حداقل با همان اطمینان فلزات سنتی و ترموستها عمل کنند، بسیار مورد تقاضا هستند. در پاسخ به این نیازها، برخی شرکتهای تولیدی پلاستیک توانستهاند قابلیتهای تولید کامپوزیت پلی اتر اترکتون (PEEK) را توسعه داده و براکتهایی را برای استفاده در کاربردهای سازهای هواپیما تولید کنند. وزن هر براکت تقریبا ۴۵ گرم است و در کاربردهای سازهای اولیه و ثانویه در هواپیماهای تجاری و نظامی به کار میرود. این ماده به دلیل ویژگیهای فنی و سابقه اثبات شده ۲۵ ساله در قالب گیری تزریقی قطعات هوافضا انتخاب شده است.
کامپوزیت ترموپلاستیک PEEK-فیبر کربن درمقایسه با فولاد ضد زنگ، 70 درصد کاهش وزن و قابلیت تولید بهتری از خود نشان میدهد. این کامپوزیت چگالی ۱.۶ گرم بر سانتیمتر مکعب درمقابل ۸ گرم بر سانتیمتر مکعب فولاد ضد زنگ دارد. براساس قیمتهای فعلی سوخت، کاهش یک کیلوگرم (۲.۲ پوند) از وزن یک هواپیمای کوتاه برد میتواند تا ۱۰۰ دلار در هزینههای سوخت سالانه خطوط هوایی صرفه جویی کند. به گفته رالف ویدیگ، مدیر بازرگانی کامپوزیتهای شرکت Victrex (واقع در غرب کانشوهاکن، پنسیلوانیا)، با فرض اینکه براکتهای کامپوزیتی بتوانند ۱۰۰ کیلوگرم (۲۲۰.۵ پوند) از وزن را کاهش دهند، یک شرکت هواپیمایی با ۵۰۰ هواپیمای کوتاه برد میتواند با تغییر از فلز به کامپوزیت، تا ۵ میلیون دلار در سال در هزینههای سوخت صرفه جویی کند.
علاوه بر کاهش وزن تا 70 درصد درمقایسه با فلزاتی مانند فولاد ضد زنگ، آلومینیوم و تیتانیوم، فرآیند نوآورانه تولید کامپوزیت مورد استفاده توسط یکی از شرکتهای تولیدی با نام Tri-Macck مزایای متعددی دارد که منجر به زمان چرخه تولید سریعتر قطعات درمقایسه با ترموستها میشود. به گفته تام نیث، مدیر فروش و بازاریابی این شرکت، قطعات کامپوزیت ترموست معمولا چندین ساعت طول میکشد تا تکمیل شوند. براکتهای کامپوزیت PEEK زمان چرخه تولید چند دقیقهای دارند. این سرعت، همراه با قابلیت بازیافت مواد برای کاربردهای دیگر سطح کاملا جدیدی از راندمان پردازش را تضمین میکند که با ترموستها قابل دستیابی نیست. یکپارچگی قطعات نیز برای حفظ عملکرد هواپیما درحین کار بسیار مهم است تا تعمیر و نگهداری و زمان از کار افتادگی به حداقل برسد. کامپوزیتهای ترموپلاستیک ساخته شده از PEEK میتوانند مقاومت شیمیایی و خوردگی را در برابر سوخت جت، سیال هیدرولیک، محلول یخ زدا، نمک، بخار، آب و سایر سیالات رایج که طول عمر فلزات را کاهش میدهند، فراهم کنند
به گفته ویدیگ، کامپوزیتهای PEEK میتوانند درمقایسه با فلزات سنتی مانند آلومینیوم، بین چهار تا پنج برابر مقاومت خستگی، سختی ویژه و استحکام ویژه بیشتری داشته باشند. این خواص مکانیکی همراه با بهبود در کاهش ارتعاش و صدا، این کامپوزیتها را به یک راه حل جذاب و مناسب برای مهندسانی که به دنبال جایگزینی فلزات سنگین و ترموستها هستند، تبدیل میکند.
مزایای مهم کامپوزیتهای فیبر کربن
اولین و مهم ترین مزیت کامپوزیتهای فیبر کربن این است که میتوان آنها را ازنظر سختی، استحکام و وزن تنظیم کرد. مواد پیشآغشته، محتوای رزین دقیقی را برای عملکرد پایدار فراهم میکنند و با این حال، جایگذاری خودکار فیبر، امکان ایجاد اشکال پیچیده با حداقل نقص را فراهم خواهد کرد. همچنین کامپوزیتهای فیبر کربنی نه تنها به طور فزایندهای جایگزین فلزات در خودروهای برقی پیشرفته شدهاند بلکه از آنها نیز در صنعت هوافضا ازجمله در ساخت بدنه، بالها و سازههای پهپاد استفاده میشود. کامپوزیتهای هیبریدی، فیبر کربن را با فلزات یا ترموپلاستیکها ترکیب میکنند تا خواص بهتری داشته باشند. ازطرفی، تکنیکهای پیشرفته پخت توانستهاند عمر خستگی و پرداخت سطح را بهبود بخشند. کامپوزیتهای فیبر کربن با فناوریهای نوظهور قابل بازیافت هستند.
روندها و پیش بینیهای صنعت کامپوزیتهای الیاف کربن (2035-2025)
پیش بینی میشود که صنعت کامپوزیتهای الیاف کربن به دلیل تقاضا ازسوی بخشهای خودرو، هوافضا و انرژیهای تجدیدپذیر با نرخ قابل توجهی رشد کند. روندهای کلیدی عبارتند از:
1. اتوماسیون و تولید پیشرفته: افزایش پذیرش AFP، قالب گیری انتقالی رزین (RTM) و تولید افزایشی برای تولید با حجم بالا
2. کامپوزیتهای سفارشی و هیبریدی: ترکیب فیبر کربن با ترموپلاستیکها، آلومینیوم و سایر تقویت کنندهها به منظور بهبود عملکرد
3. گسترش بازار: استفاده گستردهتر در خودروهای برقی تولید انبوه، لوازم الکترونیکی مصرفی و کالاهای ورزشی
4. پایداری و اقتصاد چرخشی: فناوریهای بازیافت، رزینهای زیستی و ارزیابی چرخه عمر درحال افزایش تمرکز هستند.
درمجموع، پیش بینی میشود که تا سال ۲۰۳۵ کامپوزیتهای الیاف کربن به یک ماده مهندسی رایج تبدیل شده و تولید نسل بعدی محصولات سبک، با کارایی بالا و پایدار را در صنایع مختلف امکان پذیر سازند. کامپوزیت فیبر کربن دیگر یک ماده خاص نیست بلکه به لطف استحکام بینظیر، ویژگیهای سبک و تطبیق پذیری صنایع را متحول میکند. این مواد برای نوآوری و بهبود کارایی در صنایع خودرو و هوافضا، ارتقای پایداری در استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و ارائه راه حلهای با کارایی بالا برای محصولات مصرفی استفاده میشوند. محبوبیت کامپوزیتهای فیبر کربن، اهمیت آنها را در تعیین آینده مهندسی و طراحی برجسته میکند.
از هوافضا گفتیم، بهتر است جایگذاری خودکار فیبر کربن در سازههای پیچیده هوافضا را نیز با هم مرور کنیم.
سیستمهای زرهی و حفاظتی
1. اگزوپروتکت: اگزوپروتکت یک ماده ضد گلوله جدید با قابلیت قالب گیری که از DANU که یک کامپوزیت قابل بازیافت است ساخته میشود.
2. ترکیب با الیاف پایدار و رزینهای بدون استایرن: این ترکیب مقاومت ویژه بیشتری نسبت به فولاد ضد زنگ ۳۱۶ و کامپوزیت شیشه دارد. همچنین، شکنندگی کمتری نسبت به فیبر کربن دارد و مانند کولار در برابر آب آسیب نمیبیند و برای وسایل نقلیه نظامی مختلف ازجمله شناورهای دریایی، وسایل نقلیه زمینی و هواپیما مناسب است.
آشنایی با نوآوریهای مواد کامپوزیتی
فیلامنت چند پلیمری برای چاپ سه بعدی: این نوع فیلامنت برای استفاده در چاپگرهای سه بعدی رومیزی مقرون به صرفه در این زمینه توسعه داده شده است. از یک فرآیند کشش حرارتی جدید برای ایجاد یک رشته دو مادهای استفاده میکند. هدف آن تولید قطعاتی با ساختار هسته کامپوزیت پلی کربنات/ABS است به طوری که بهبود خواص مکانیکی و کاهش زمان پخت به چهار ساعت یا کمتر است.
مزایای کامپوزیتهای فیبر کربن در کاربردهای نظامی
1. کاهش وزن: به افزایش ظرفیت حمل بار، افزایش برد عملیاتی و بهبود مانورپذیری کمک میکند.
2. قابلیتهای پنهان کاری: برای سطح مقطع راداری پایین مهندسی شده و قابلیت بقا در شرایط جنگی را افزایش میدهد.
3. دوام: مقاومت عالی در برابر خستگی و خوردگی برای محیطهای خشن
4. انعطاف پذیری طراحی: امکان ایجاد اشکال پیچیدهای را فراهم میکند که عملکرد و قابلیتهای ماموریتی را بهینه میکنند.
5. بهره وری انرژی: توسعه هواپیماهای الکتریکی و با قابلیت پرواز طولانی را ممکن میسازد.
چالشها و تحولات آینده پیشروی کامپوزیتهای فیبر کربن
اگرچه کامپوزیتهای فیبر کربن (FRP) مزایای بیشماری ارائه میدهند، تحقیقات پیوسته به برخی چالشهای پیشروی آنها اشاره دارند ازجمله فرآیندهای تولید مقرون به صرفه برای قطعات ساخته شده از فیبر کربن با گرید نظامی، ادغام فناوریهای پیشرفته مانند پیلهای سوختی هیدروژنی و انرژی خورشیدی، توسعه کامپوزیتهای چندمنظوره با قابلیتهای حسگری و خودترمیمی یکپارچه، بهبود پایداری و بازیافت مواد کامپوزیتی در کاربردهای نظامی.
با تکامل فناوری دفاعی، کامپوزیتهای فیبر کربن همچنان نقش حیاتی در توانمندسازی سیستمهای نظامی پیشرفتهتر، کارآمدتر و توانمندتر در کاربردهای هوایی، زمینی و دریایی ایفا میکنند. ادغام فرآیندهای تولید خودکار مانند جایگذاری خودکار فیبر (AFP) پذیرش و نوآوری در سازههای کامپوزیتی گرید نظامی را بیش از پیش تسریع میکند.