الكربون ضروري لبقاء جميع الكائنات الحية، لأنه يشكل أساس جميع الجزيئات العضوية، وتشكل الجزيئات العضوية أساس جميع الكائنات الحية.على الرغم من أن هذا في حد ذاته أمر مثير للإعجاب للغاية، إلا أنه مع تطور ألياف الكربون، فقد وجد مؤخرًا تطبيقات جديدة مفاجئة في مجال الطيران والهندسة المدنية وغيرها من التخصصات.ألياف الكربون أقوى وأصعب وأخف وزنا من الفولاذ.ولذلك، حلت ألياف الكربون محل الفولاذ في المنتجات عالية الأداء مثل الطائرات وسيارات السباق والمعدات الرياضية.
عادة ما يتم دمج ألياف الكربون مع مواد أخرى لتكوين مواد مركبة.ومن المواد المركبة البلاستيك المقوى بألياف الكربون (CFRP)، والذي يشتهر بقوة الشد والصلابة ونسبة القوة العالية إلى الوزن.نظرًا للمتطلبات العالية لمركبات ألياف الكربون، أجرى الباحثون العديد من الدراسات لتحسين قوة مركبات ألياف الكربون، ركزت معظمها على تقنية خاصة تسمى “التصميم الموجه للألياف”، والتي تعمل على تحسين القوة من خلال تحسين اتجاه ألياف.
اعتمد الباحثون في جامعة طوكيو للعلوم طريقة تصميم ألياف الكربون التي تعمل على تحسين اتجاه وسمك الألياف، وبالتالي تعزيز قوة البلاستيك المقوى بالألياف وإنتاج مواد بلاستيكية أخف في عملية التصنيع، مما يساعد على صنع طائرات وسيارات أخف وزنا.
ومع ذلك، فإن طريقة تصميم توجيه الألياف لا تخلو من العيوب.يعمل تصميم دليل الألياف على تحسين الاتجاه فقط ويحافظ على سمك الألياف ثابتًا، مما يعيق الاستخدام الكامل للخصائص الميكانيكية لـ CFRP.يوضح الدكتور ريوسوكي ماتسوزاكي من جامعة طوكيو للعلوم (TUS) أن بحثه يركز على المواد المركبة.
في هذا السياق، اقترح الدكتور ماتسوزاكي وزملاؤه يوتو موري وناويا كوميكاوا طريقة تصميم جديدة، يمكنها في الوقت نفسه تحسين اتجاه وسمك الألياف وفقًا لموقعها في الهيكل المركب.وهذا يسمح لهم بتقليل وزن البوليمر المقوى بألياف الكربون دون التأثير على قوته.يتم نشر نتائجهم في مجلة الهيكل المركب.
يتكون نهجهم من ثلاث خطوات: الإعداد، والتكرار، والتعديل.في عملية التحضير، يتم إجراء التحليل الأولي باستخدام طريقة العناصر المحدودة (FEM) لتحديد عدد الطبقات، ويتم تحقيق تقييم الوزن النوعي من خلال تصميم دليل الألياف لنموذج التصفيح الخطي ونموذج تغيير السمك.يتم تحديد اتجاه الألياف من خلال اتجاه الإجهاد الرئيسي بالطريقة التكرارية، ويتم حساب السماكة من خلال نظرية الإجهاد الأقصى.أخيرًا، قم بتعديل العملية لتعديل المحاسبة الخاصة بقابلية التصنيع، وقم أولاً بإنشاء منطقة مرجعية "حزمة الألياف الأساسية" التي تتطلب قوة متزايدة، ثم تحديد الاتجاه النهائي وسمك حزمة الألياف الترتيبية، ونشر الحزمة على جانبي الحزمة مرجع.
وفي الوقت نفسه، يمكن للطريقة المحسنة أن تقلل الوزن بأكثر من 5%، وتجعل كفاءة نقل الحمولة أعلى من استخدام توجيه الألياف وحده.
الباحثون متحمسون لهذه النتائج ويتطلعون إلى استخدام أساليبهم لتقليل وزن الأجزاء التقليدية المصنوعة من ألياف الكربون في المستقبل.وقال الدكتور ماتسوزاكي إن نهج التصميم لدينا يتجاوز التصميم المركب التقليدي لصنع طائرات وسيارات أخف وزنا، مما يساعد على توفير الطاقة وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
وقت النشر: 22 يوليو 2021