مع التطورات الحاصلة في العالم عبر العصور تشكلت المهارات الهندسية والبحثية للإنسان، وحتى يومنا هذا لازال العلماء يشقون طريقهم لتطوير تقنيات جديدة سعياً لمستقبل أكثر استدامة.
كرس المهندسون والباحثون أنفسهم في بحث دائم عن مواد أحدث وأفضل لتحقيق التوزان بين الأداء والتكلفة على النحو الأمثل في قطاع الانشاءات، وقد تم تطوير العديد من المواد الجديدة التي تفتح آفاقاً جديدة، وقد حقق بعضها نجاحاً إستثنائياً. وتعتبر ألياف الكربون، هي واحدة من هذه المواد، التي تستعمل عادة كمادة مركبة مع مواد أخرى.
ما هي ألياف الكاربون:
ألياف الكربون Carbon Fibers هي نوع من الألياف ذات الجودة العالية التي تستعمل في تطبيقات الهندسة المدنية وغيرها، كما أنه يطلق عليها ألياف الغرافيت Graphite Fiber أو غرافيت الكربون Carbon Graphite. تتكون ألياف الكربون من مجموعة خيوط رفيعة جداً من عنصر الكربون. تتميز بمقاومة عالية لقوى الشد، وتعتبر قوية جداً مقارنةً بحجمها، ويمكن إعتبارها المادة الأقوى في الوقت الحالي. مقارنةً بالألياف الزجاجية Glass Fibers لدى ألياف الكربون معامل مرونة ومقاومة إجهادات عالية جداً لهذا تعتبر الدراسات مركبات ألياف الكربون المسلحة أكثر تحملاً من ألياف الزجاج. بالإضافة لما سبق، فإن ألياف الكربون لديها مقاومة عالية للمركبات الكيميائية وسماحية مع درجات الحرارة العالية مع تمدد بسيط ومقاومة للتآكل.
يتراوح قطر كل ليف بين 5-10 ميكرون (واحد من المليون من المتر) مع العلم أن قطر خيط العنكبوت يتراوح بين 3-8 ميكرون. إن قساوة ألياف الكربون تعادل ضعف قساوة الفولاذ، وأقوى منه بخمس مرات. أهم العوامل لتحديد خواص ألياف الكربون الفيزيائية هي درجة كربنتها (نسبة الكربون فيها والتي تكون عادة 92% من وزنها) و إتجاه الألياف في طبقات الكربون.
خواص ألياف الكربون:
1. صلابة عالية بالنسبة للوزن: معدل صلابة مادة هي القوة في وحدة المساحة عند الانهيار مقسومة على الكثافة، كلما كانت المادة صلبة وخفيفة كان معدل صلابتها الى وزنها أفضل.
2. قساوة كبيرة جداً: تقاس القساوة بواسطة معامل يونغ، وتقيس مدى الترخيم في المادة تحت تأثير الاجهادات. يذكر أن قساوة ألياف الكربون أعلى مرتين ونصف من الألمنيوم.
3. مقاومة للتآكل ومستقرة كيميائياً: ولكن على الرغم من عدم تأثر ألياف الكربون نفسها، قد تحتاج المواد الأخرى الداخلة معها للحماية.
4. ناقلة للكهرباء: هذه الخاصية يمكن أن تكون مفيدة ومزعجة في آن واحد.
5. مقاومة للإجهادات: ولكن عندما تنهار ألياف الكربون فإن انهيارها قد يكون كارثياً، حيث أنه يحدث بدون سابق إنذار.
6. مقاومتها للشد.
7. مقاومة للحرائق (غير قابلة للاشتعال): وفقاً لأسلوب التصنيع فإن ألياف الكربون يمكن أن تدخل في صناعة ألبسة رجال الإطفاء.
8. قابلية ألياف الكربون لتوصيل الحرارة: وهي كمية الحرارة المارة عبر سمك المادة، بشكل عمودي على مساحتها، وبسبب تعدد أنواع ألياف الكربون فإنه من غير الممكن تحديد مدى قابليتها لنقل الحرارة، ولكن يوجد بعض الأنواع التي تصمم خصيصاً لتكون ذات ناقلية عالية أو منخفضة.
9. معامل تمددها الحراري منخفض: ويعني مدى تمدد أو تقلص المادة عند ارتفاع أو انخفاض درجات الحرارة.
إستخدامات ألياف الكربون:
• في الهندسة المدنية
• في الطيران
• المنتجات الرياضية
• التطبيقات العسكرية
• التطبيقات الطبية
• صناعة السيارات
وصل الطلب العالمي على ألياف الكربون إلى قرابة 40000 طن في عام 2010. فقد إستطاعت إحداث ثورة في تكنلوجيا المواد، وليس غريبا أن أكاديمية الهندسة الوطنية إختارت ألياف الكربون كواحدة من أفضل 20 إنجاز في عالم الهندسة في القرن العشرين، كما أن المجمع الكيميائي الأمريكي أطلق على هذا التطور لألياف الكربون كعلامة في تاريخ الكيمياء في سبتمبر 2003.
