1. شرح تفصيلي لعملية خزان الضغط الساخن لألياف الكربون

عملية تصنيع متقدمة تستخدم وعاء ضغط محكم الإغلاق (خزان الضغط الساخن) لتطبيق درجة حرارة عالية يمكن التحكم فيها وضغط عالٍ وبيئة تفريغ الهواء على ألياف الكربون المسبقة التشريب (ألياف الراتنج المشبعة مسبقًا) الموضوعة على قالب، مما يسمح لها بالتصلب وتشكيل أجزاء مركبة عالية الأداء

2. نظرة عامة على عملية الوعاء الساخن من ألياف الكربون

إن عملية علبة الضغط الساخن هي الطريقة السائدة لتصنيع مكونات ألياف الكربون المركّبة عالية الأداء وعالية الدقة والمعقدة الهيكلية. وهي تحقق توزيعًا موحدًا للحرارة، وضغطًا عاليًا (ضغط الغاز)، وبيئة ضغط سلبي مفرغة من الهواء يوفرها خزان الضغط الساخن

3. خصائص عملية الوعاء الساخن

الضغط العالي والضغط المنتظم: يتم تطبيق غاز الضغط العالي (عادةً ما يكون الهواء المضغوط أو النيتروجين، بضغط يبلغ عدة ميجا باسكال أو حتى أعلى) بالتساوي على كيس التفريغ من جميع الاتجاهات

إن مفتاح تحقيق محتوى حجم كبير من الألياف ومسامية منخفضة هو تحقيق ضغط موحد للطبقة. تتفوق على عملية الكبس بأكياس التفريغ التي تعتمد فقط على الضغط الجوي

تسخين منتظم: يوفر دوران الهواء الساخن أو السخان داخل خزان الكبس الساخن مجال درجة حرارة موحد للغاية، مما يضمن المعالجة المتزامنة للمكون بأكمله (خاصة الأجزاء المعقدة الكبيرة)، مما يقلل من تشوه الإجهاد الحراري والإجهاد الداخلي

4. تدفق عملية خزان الضغط الساخن لألياف الكربون

1. تحضير المواد

اختيار المواد المشربة مسبقًا والقطع: حدد المادة المشبعة مسبقًا بألياف الكربون المناسبة (نوع الراتنج، ونوع الألياف، وكثافة السطح، واتجاه الطبقة) وفقًا لمتطلبات التصميم. استخدم آلات القطع الأوتوماتيكية أو القطع الدقيق اليدوي لتحقيق الشكل والزاوية المطلوبين

تحضير المواد المساعدة: إعداد الأحجام والأنواع المقابلة من غشاء كيس التفريغ، واللباد القابل للتنفس، وقماش التحرير، وغشاء التحرير، وشريط الختم، ووصلة التفريغ، والشريط الحساس للضغط، إلخ

2. تصميم القالب وإعداده

تصميم القالب: مراعاة الشكل، ودقة الأبعاد، ومطابقة معامل التمدد الحراري، والصلابة، والقوة (لتحمل الضغط العالي)، وطريقة إزالة القوالب، وكفاءة التسخين، ومانع التسخين، وما إلى ذلك من المواد المستخدمة في الشغل. تشمل المواد الشائعة الفولاذ، أو الإنفار (سبيكة منخفضة التمدد)، أو قوالب المواد المركبة، أو القوالب اللينة المصنوعة من مطاط السيليكون

تنظيف القالب وطلاء القالب بعامل تحرير: نظف سطح القالب جيدًا للتأكد من عدم وجود شحم أو غبار. ضع (بالرش أو المسح) عامل تحرير بدرجة حرارة عالية (مثل الشمع أو عامل تحرير شبه دائم) بالتساوي على سطح عمل القالب لتشكيل طبقة عازلة

في بعض الأحيان استخدم قماش التحرير لوضعه على سطح القالب

3. الاستلقاء

وضع المواد المشبعة مسبقًا: وضع طبقات المواد المشربة مسبقًا المقطوعة بدقة على سطح القالب وفقًا لتسلسل الوضع المصمم والزاوية والموضع. يلزم إجراء محاذاة دقيقة لتجنب دخول التجاعيد والمحاذاة الخاطئة والأجسام الغريبة. في بعض الأحيان يكون من الضروري الضغط والعادم بين الطبقات

وضع الإدخال: إذا لزم الأمر، ضع الحشوات المعدنية أو الرقع المعالجة مسبقًا أو الموصلات أو المواد الأساسية (قرص العسل، الرغوة، إلخ)

4. التعبئة بالتفريغ

هذه خطوة حاسمة ودقيقة

وضع متسلسل للمواد المساعدة: تغطية سطح الطبقة بالتسلسل

قماش التحرير: يمنع التصاق الراتنج باللباد القابل للتنفس، مما يضمن جودة سطح الأجزاء

اللباد القابل للتنفس/اللباد الماص: يوفر قنوات لتدفق الراتنج وعادم الغازات. يستخدم اللباد الماص أيضاً لامتصاص الراتنج الزائد

غشاء عازل (مثل غشاء FEP): اختياري، يمنع اللباد/اللباد اللاصق القابل للتنفس من الالتصاق بغشاء كيس التفريغ

غشاء الكيس المفرغ من الهواء: يغطي الطبقة بأكملها وحافة القالب، مما يشكل مساحة مغلقة

الختم: استخدم شريط الختم للالتصاق بإحكام بغشاء كيس التفريغ على حافة ختم القالب، مما يضمن عدم تسرب الهواء

توصيل أنابيب التفريغ: قم بتركيب أنبوب توصيل التفريغ في موقع مناسب (عادةً فوق اللباد القابل للتنفس) وقم بتوصيل خرطوم التفريغ بنظام التفريغ في خزان المكبس الساخن

اختبار درجة التفريغ: تفريغ الهواء (مطلوب عمومًا الوصول إلى -0.08 ميجا باسكال أو أعلى على الأقل)، والتحقق من الختم، والتأكد من عدم وجود تسرب، والحفاظ على الضغط لفترة من الوقت. درجة التفريغ هي المفتاح لضمان الضغط والعادم

5. القولبة بالضغط الساخن (دورة المعالجة)

ادفع مكونات القالب المعبأة في علبة الكبس الساخن وأغلق باب العلبة وأغلقها

ضخ التفريغ: بدء تشغيل نظام التفريغ، والحفاظ على مستوى التفريغ ومراقبته

الضغط: ملء الخزان بغاز مضغوط (هواء أو غاز خامل مثل النيتروجين) وضغطه إلى القيمة المستهدفة وفقًا للبرنامج المحدد (عادةً على مراحل). يتم نقل الضغط بالتساوي إلى قطعة العمل من خلال كيس التفريغ

التسخين: بدء تشغيل نظام التسخين (تدوير الهواء الساخن أو السخان) ورفع درجة الحرارة وفقًا لمنحنى وقت درجة الحرارة المحدد بدقة (منحنى المعالجة). يتم تحديد المنحنى من خلال حركية المعالجة لنظام الراتنج (بما في ذلك معدل التسخين، ودرجة حرارة منصة العزل والوقت، ومعدل التبريد، وما إلى ذلك).

معالجة العزل: الحفاظ على وقت كافٍ للعزل عند درجة حرارة المعالجة المستهدفة لضمان تشابك الراتنج ومعالجته بالكامل. يتم الحفاظ على الضغط والتفريغ باستمرار خلال هذه المرحلة

التبريد: يتحكم البرنامج في معدل التبريد (عادةً ما يكون أبطأ) لتجنب تشوه أو تشقق الأجزاء بسبب الإجهاد الحراري. عادةً ما يلزم الحفاظ على الضغط والتفريغ أثناء مرحلة التبريد الأولية، ويمكن تحريرها تدريجياً في وقت لاحق

تخفيف الضغط: بعد أن تنخفض درجة الحرارة إلى نطاق آمن، حرر الضغط ببطء داخل الخزان

خارج العلبة: افتح باب العلبة وأخرج مكونات القالب

6. إزالة القوالب والمعالجة اللاحقة

تفكيك نظام كيس التفريغ: قم بإزالة طبقة كيس التفريغ بعناية وجميع المواد المساعدة (قماش التفريغ، اللباد القابل للتنفس، إلخ).

إزالة القوالب: باستخدام آلية أو أداة لإزالة القوالب مصممة خصيصًا لإزالة القوالب، يتم فصل الأجزاء المعالجة بعناية من القالب. المهارات مطلوبة لتجنب تلف الأجزاء والقوالب

تشذيب الحواف والتشغيل الآلي: إزالة النتوءات وتدفق الغراء وبدلات المعالجة. إجراء المعالجة الميكانيكية اللازمة مثل الحفر والقطع والطحن وما إلى ذلك لتحقيق الأبعاد النهائية ومتطلبات التجميع

الاختبارات غير المدمرة: باستخدام الاختبار بالموجات فوق الصوتية (UT) والأشعة السينية واختبار الصدمات وغيرها من الطرق لفحص ما إذا كانت هناك عيوب مثل التفريغ والمسامات والشوائب داخل قطعة العمل

معالجة السطح: التنظيف، والتلميع (إذا لزم الأمر)، والتحضير للطلاء أو التجميع اللاحق

الفحص النهائي والتسليم: إجراء عمليات الفحص النهائي على الأبعاد والمظهر والأداء وما إلى ذلك، والتسليم بعد اجتياز الفحص

5. مزايا وعيوب عملية خزان الضغط الساخن بالألياف الكربونية

المزايا

جودة عالية للغاية للمكونات: محتوى عالي الحجم من الألياف (>60%)، ومسامية منخفضة للغاية (<1%)، وخصائص ميكانيكية مثالية (القوة، والصلابة، وأداء التعب)

جودة سطح ممتازة: يمكن لسطح القالب الملامس (السطح اللاصق) أن يحقق نعومة السطح من الفئة A أو قريبًا من الفئة A

دقة أبعاد ممتازة وثبات ممتاز: دقة عالية في القالب، وضغط معالجة موحد، ومجال حراري موحد، وتحكم جيد في حجم الجزء، وأقل تشوه

قدرة قوية على تشكيل هياكل معقدة: قادرة على تصنيع أسطح منحنية كبيرة ومعقدة، وسمك متغير، وأضلاع مقواة، وهياكل شطائر، ومكونات أخرى يصعب تشكيلها باستخدام طرق أخرى

عملية عالية النضج: تم تطبيقها في مجال الطيران والمجالات الأخرى لعقود، والعملية مستقرة وموثوق بها، مع معايير ومواصفات كاملة

اختيار المواد على نطاق واسع: مناسب لمختلف المصفوفات الراتنجية عالية الأداء (الإيبوكسي، والبيسماليميد، والبوليميد، والبلاستيك الحراري، إلخ) ومواد ألياف الكربون المسبقة

العيوب

1. تكلفة المعدات مرتفعة للغاية: الاستثمار في خزان المكبس الساخن الكبير نفسه والمرافق الداعمة له (ضاغط الهواء، ونظام التفريغ، ونظام التبريد، ونظام التحكم) ضخم

2. ارتفاع تكلفة القالب: القوالب التي تتطلب مقاومة درجات الحرارة العالية والضغط العالي، والدقة العالية، ومعامل التمدد الحراري المنخفض (مثل إنفار) يصعب تصنيعها وتكاليفها مرتفعة

3. استهلاك ضخم للطاقة: تستهلك عمليات التسخين والضغط والتفريغ كمية كبيرة جدًا من الطاقة

4. دورة عملية طويلة: تستغرق عملية التحضير والوضع والتعبئة والتغليف والمعالجة والتبريد وما بعد المعالجة بأكملها وقتًا طويلاً (خاصةً لمعالجة الأجزاء الكبيرة ذات الجدران السميكة)، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة الإنتاج نسبيًا

5. ارتفاع استهلاك وتكلفة المواد المساعدة: مواد نظام أكياس التفريغ هي مواد مستهلكة يمكن التخلص منها، مع كمية كبيرة من الاستخدام وتكلفة عالية

6. العملية المعقدة والاعتماد على الخبرة: تعتمد عمليات التمديد والتعبئة والتغليف اعتمادًا كبيرًا على العمال المهرة، كما تتطلب صياغة وتحسين معايير عملية المعالجة معرفة مهنية عميقة

7. تحديد الحجم: حجم المكون محدود بحجم المكبس الساخن يمكن أن يكون محدودًا بحجم المكبس الساخن

8. التحدي البيئي: قد تطلق الراتنجات مركبات عضوية متطايرة (VOCs) تحت درجة حرارة وضغط عاليين، مما يتطلب معالجة

6. مجالات تطبيق تكنولوجيا خزان الضغط الساخن لألياف الكربون؛ اتجاهات التطوير المستقبلية

مجال التطبيق

الفضاء الجوي (المجال الأساسي) هياكل الطائرات الرئيسية الحاملة للطائرات (الأجنحة، وألواح جسم الطائرة، وزعانف الذيل، والعوارض، والأضلاع)، ومكونات المحرك (ريش المروحة، والأغلفة)، وهياكل الأقمار الصناعية، ومكونات المركبات الفضائية، وهياكل المركبات الجوية غير المأهولة، وما إلى ذلك

المعدات الرياضية الراقية: إطارات الدراجات الهوائية، ومضارب التنس، ومضارب الغولف، وقطع الغولف، وقطع غيار السباقات، وقوارب التجديف، والزلاجات/الأعمدة عالية الأداء، إلخ

صناعة السيارات (عالية الأداء/السباقات): هيكل صدفة واحدة لسباق الفورمولا 1، والمكونات الهيكلية، ومكونات الهيكل، وأجزاء النموذج الأولي لمكونات غطاء الهيكل للسيارات الرياضية عالية الأداء، إلخ

الدفاع الوطني والصناعات العسكرية: جسم الصاروخ، وغطاء الرادار، وهيكل المركبة الجوية غير المأهولة، ومكونات المركبة المدرعة، إلخ

المجال الصناعي: مكونات المعدات الطبية المتطورة (مثل ألواح سرير التصوير المقطعي المحوسب/التصوير بالرنين المغناطيسي، وأدوات تقويم العظام)، وأذرع الروبوت، والمكونات الهيكلية الدقيقة للأدوات، والأغشية الصوتية المتطورة، وما إلى ذلك

الطاقة الجديدة: شفرات التوربينات الهوائية (بعض الأجزاء الرئيسية)، واسطوانات الهيدروجين، ومكونات خلايا الوقود، إلخ

الملخص

يمكن أن تكون عملية الضغط الساخن لألياف الكربون هي المعيار الذهبي لتصنيع مكونات المواد المركبة بأعلى أداء وأعلى جودة، وخاصة المكونات الهيكلية الكبيرة والمعقدة

يحقق الضغط الكامل، والمسامية المنخفضة، وتفاعل المعالجة الدقيق الذي يمكن التحكم فيه للمواد من خلال درجة الحرارة العالية المنتظمة، والضغط العالي، وبيئة التفريغ التي يوفرها خزان الضغط الساخن، مما يمنح الأجزاء خصائص ميكانيكية ودقة أبعاد لا مثيل لها

ومع ذلك، فإن ارتفاع تكاليف المعدات والقوالب والطاقة والمواد، بالإضافة إلى دورات المعالجة الطويلة، هي العقبات الرئيسية التي تحول دون تطبيقه على نطاق واسع

تتركز مجالات التطبيق الأساسية لهذه العملية في مجال الفضاء، والمعدات الرياضية المتطورة، والسيارات عالية الأداء/سيارات السباق، والدفاع الوطني والصناعات العسكرية، وغيرها من السيناريوهات التي تتطلب أداءً صارمًا للغاية وقيمة مضافة عالية