كيفية اختبار قوة وصلابة صفائح ألياف الكربون

كيفية اختبار قوة وصلابة صفائح ألياف الكربون

لماذا يعد اختبار صفائح ألياف الكربون أمرًا مهمًا للأداء والسلامة

تُستخدم صفائح ألياف الكربون على نطاق واسع في صناعة السيارات والدراجات النارية والطائرات والسلع الرياضية، نظرًا لقوتها النوعية العالية وصلابتها. إلا أن الأداء يعتمد بشكل كبير على نوع الألياف، وطريقة توزيعها، ونظام الراتنج، وجودة التصنيع. بالنسبة للمصممين والمهندسين والمشترين، يُوفر اختبار قوة وصلابة صفائح ألياف الكربون البيانات اللازمة للتحقق من صحة التصاميم، وضمان السلامة، ومراقبة الجودة، ومقارنة الموردين. تشرح هذه المقالة أساليب عملية قائمة على المعايير لقياس خصائص الشد والانثناء والضغط والقص، بالإضافة إلى تقنيات التقييم غير الإتلافي، ونصائح لتفسير البيانات، واعتبارات عملية للتعامل مع صفائح ألياف الكربون.

فهم الأساسيات: القوة مقابل الصلابة لألواح ألياف الكربون

تصف القوة أقصى حمل يمكن للمادة تحمله قبل الانهيار (غالبًا ما يُشار إليه بقوة الشد). تصف الصلابة مقاومة التشوه تحت الحمل، وتُقاس بمعامل يونغ (معامل الشد) أو معامل الانثناء. بالنسبة لألواح ألياف الكربون، تعتمد كلتا الخاصيتين على اتجاه الألياف، والنسبة الحجمية، والراتنج، والعيوب. تُظهر صفائح ألياف الكربون أحادية الاتجاه صلابةً وقوةً مختلفتين تمامًا على طول اتجاه الألياف مقارنةً باتجاهها؛ وتُخفف الطبقات شبه المتساوية الخواص من اختلافات الاتجاه، لكنها تُقلل من خصائص الذروة.

المعايير والمعدات لاختبار صفائح ألياف الكربون

اتبع معايير الاختبار المعترف بها لضمان نتائج قابلة للتكرار وقابلة للمقارنة. تشمل المعايير الشائعة ASTM D3039 لاختبار الشد للمركبات ذات مصفوفة البوليمر، وASTM D790 لخصائص الانحناء، وASTM D6641 وASTM D695 للضغط، وASTM D2344 للقص قصير الشعاع (القص بين الصفائح). أما بالنسبة للاختبارات غير التدميرية (NDT)، فتُستخدم عادةً ISO 16810/16811 وASTM E213 للطرق فوق الصوتية، وASTM E2597 للتصوير الحراري.

قائمة المعدات الأساسية:

• آلة اختبار عالمية (UTM) مع خلية تحميل ومقياس تمدد مناسبين
• مقابض وعلامات تبويب للعينات المركبة
• تركيبات الانحناء ثلاثية ورباعية النقاط
• تركيبات الضغط أو تركيبات ضغط التحميل المشترك (CLC)
• الميكرومتر والفرجار ومقاييس السُمك البصرية
• نظام المسح بالموجات فوق الصوتية C أو نظام المصفوفة المرحلية للفحص غير المدمر
• كاميرا التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء للتفتيش على مساحة واسعة

إعداد العينات وأهميتها لإجراء اختبارات دقيقة

يُعدّ سوء تحضير العينة المصدر الأكبر لتشتت العينات في الاختبارات المركبة. النقاط الرئيسية:

• قم بقطع العينات ذات الحواف النظيفة باستخدام نفث الماء أو المنشار الماسي لتجنب سحب الألياف وتقشيرها.
• الحفاظ على اتجاه الألياف بشكل متسق وتوزيعها عبر العينات؛ ووضع علامات على اتجاهات الألياف.
• استخدم علامات التبويب النهائية للعينات الشد لمنع الفشل الناجم عن الإمساك (تعمل علامات التبويب على توزيع ضغط الإمساك وتقليل تركيزات الإجهاد).
• قياس السُمك والعرض في نقاط متعددة؛ الإبلاغ عن مساحة المقطع العرضي المستخدمة لحسابات الإجهاد.
• قم بتجهيز العينات في ظروف معملية قياسية (عادة 23 ± 2 درجة مئوية ورطوبة نسبية 50 ± 5%) قبل الاختبار.

اختبار الشد لألواح ألياف الكربون (ASTM D3039)

اختبار الشد هو الطريقة الأساسية لتحديد قوة الشد ومعامل يونغ لألواح ألياف الكربون في اتجاه محدد. استخدم معيار ASTM D3039 كإجراء أساسي. الخطوات الرئيسية:

• هندسة العينة: عادةً ما تكون عظمة الكلب ذات علامات تبويب أو عينات مستقيمة؛ العرض الشائع هو 15-25 ملم مع طول طويل بما يكفي لمسافة الإمساك المناسبة (وفقًا للمعيار).
• الأجهزة: استخدم مقياس تمدد عالي الدقة متصل بطول المقياس لحساب معامل المرونة؛ حيث يؤدي إزاحة الرأس المتقاطع إلى المبالغة في تقدير الضغط في المواد المركبة بسبب انزلاق القبضة وتوافق النظام.
• سرعة الاختبار: استخدم معدلات الانفعال الموصى بها من المعيار (عادةً 1-2 مم/دقيقة أو معدل الانفعال المحدد)، نظرًا لأن الصلابة قد تُظهر اعتمادًا طفيفًا على المعدل.
• تحليل الفشل: لاحظ ما إذا كان الفشل ناتجًا عن كسر الألياف، أو تشقق المصفوفة، أو الانفصال، أو مرتبطًا بالقبضة؛ قم بتصوير الكسور ووضع المستندات في مكانها.

اختبارات الانحناء (الانحناء) للصلابة والقوة (ASTM D790)

يقيس اختبار الانحناء معامل الانثناء وقوة الانثناء، وهو مفيد للمكونات والألواح المنحنية. استخدم انحناءً ثلاثي أو رباعي النقاط وفقًا لمعيار ASTM D790. نصائح:

• يجب أن تتبع نسبة الامتداد إلى السُمك المعيار؛ حيث يمكن للامتداد الصغير جدًا أن يؤدي إلى استجابة تهيمن عليها القص ومعامل الانحراف.
• أبلغ عن كل من معامل الانحناء والإجهاد الأقصى عند الفشل؛ غالبًا ما تفشل المواد المركبة مع مزيج من تشقق المصفوفة والتقشير.
• بالنسبة لألواح ألياف الكربون الرقيقة، يؤدي الانحناء بأربع نقاط إلى إنشاء منطقة ذات لحظة ثابتة بشكل أكثر فعالية ويقلل من تأثيرات القص الموضعية.

اعتبارات اختبار الضغط والانبعاج (ASTM D6641، D695)

قوة الضغط ضرورية للعناصر الهيكلية والساندويتشية التي تعمل تحت ضغط. تُستخدم ASTM D6641 (ضغط التحميل المركب) وASTM D695 (خواص ضغط البلاستيك) بناءً على هندسة العينة. بالنسبة للصفائح الرقيقة، تجنب انبعاج أويلر باستخدام مثبتات طرفية مُلصقة أو مثبتات CLC تُقيد النهايات. راقب أنماط الفشل مثل الانبعاج الدقيق، وتكوين شريط الالتواء، أو سحق النهايات، واربطها بنتائج الشد لتحديد أي تفاوت في جودة التصنيع.

اختبار القص بين الصفائح والشعاع القصير (ASTM D2344)

تشير مقاومة القص بين الطبقات (ILSS) إلى مقاومة التقشر بين الطبقات. توفر اختبارات القص قصيرة الشعاع، وفقًا لمعيار ASTM D2344، تقديرًا سريعًا لقوة القص بين الطبقات، ولكنها حساسة لهندسة العينة. استخدم قوة القص بين الطبقات لتقييم ترابط ألياف الراتنج وسلامة العملية، حيث يشير انخفاض قوة القص بين الطبقات غالبًا إلى ضعف التبلل أو وجود فراغات أو تلوث.

اختبار التأثير والتعب والصلابة الديناميكية

لا ترصد الاختبارات الثابتة جميع أنماط الضرر أثناء الخدمة. يكشف اختبار الاصطدام منخفض السرعة (وزن السقوط) واختبار التعب عن مدى تحمل الضرر والصلابة المتبقية بعد الأحمال المتكررة. التوصيات الرئيسية:

• تحديد الصلابة المتبقية بعد مستويات طاقة التأثير المحددة والارتباط بمنطقة الضرر باستخدام المسح بالموجات فوق الصوتية C.
• قم بإجراء اختبارات التعب عند نسب الأحمال والدورات التمثيلية لتقييم معدل تدهور الصلابة؛ فقد تظهر المواد المركبة انخفاضات كبيرة في الصلابة قبل الفشل الكارثي.
• استخدم الاختبار النمطي أو التحليل الميكانيكي الديناميكي (DMA) لدراسة الصلابة المعتمدة على التردد للمكونات الحساسة للاهتزاز.

طرق الاختبار غير المدمرة لألواح ألياف الكربون

يُعد الفحص غير المُدمِّر ضروريًا لفحص الأجزاء قبل الاختبار التدميري أو في الإنتاج. من طرق الفحص غير المُدمِّر الشائعة:

• مسح C بالموجات فوق الصوتية: يرسم خرائط للطبقات الداخلية والفراغات وعدم التجانس. فعّال جدًا لألواح ألياف الكربون متعددة الطبقات.
• اختبار الصنبور: طريقة ميدانية سريعة للعثور على التقشرات عن طريق الأذن/مقياس التسارع؛ منخفضة التكلفة ولكنها ذات جودة عالية.
• التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء: مسح سريع للعيوب الموجودة تحت السطح والأضرار الناجمة عن الصدمات على مساحات واسعة.
• التصوير القصي والانبعاث الصوتي: مفيد للمراقبة أثناء الخدمة واكتشاف الأضرار المبكرة أثناء تطبيق الحمل.

تفسير البيانات: ما الذي يجب الإبلاغ عنه وكيفية المقارنة

عند الإبلاغ عن نتائج الاختبار لألواح ألياف الكربون، يجب تضمين ما يلي:

• هندسة العينة، والتوجيه، والترتيب (زوايا الألياف وتسلسل التكديس).
• نظام الراتنج ونوع الألياف (على سبيل المثال، ألياف T300، M46J، IM أو HM) ونسبة حجم الألياف إذا كانت معروفة.
• تم اتباع معيار الاختبار، وسرعة الاختبار، ودرجة الحرارة/الرطوبة، وتفاصيل الأجهزة (نوع مقياس التمدد وطول المقياس).
• المتوسط، الانحراف المعياري، معامل التباين (CoV)، وعدد العينات التي تم اختبارها.

ينبغي أن تأخذ المقارنات في الاعتبار توزيع الألياف واتجاهها. يُسهّل جدول بسيط عرض النتائج عبر المواد. أمثلة على النطاقات النموذجية:

ملاحظة: تختلف نطاقات صفائح ألياف الكربون اختلافًا كبيرًا حسب نوع الألياف، والطبقة، والراتنج. اختبر دائمًا مواد الإنتاج الفعلية بدلًا من الاعتماد على أوراق البيانات العامة.

نصائح عملية لتقليل التشتت وتحسين القدرة على التكرار عند اختبار صفائح ألياف الكربون

• اختبار خمس عينات على الأقل لكل حالة لبناء الثقة الإحصائية؛ والإبلاغ عن فيروس كورونا.
• استخدم مقابض ومواد تبويب متطابقة لتجنب الفشل المبكر بالقرب من المقابض.
• توثيق وتصوير أسطح الفشل للتمييز بين عيوب التصنيع وحدود المواد.
• تتبع بيانات عملية مستوى الدفعة (دورة المعالجة، درجة الحرارة، مزيج الراتنج) وربطها بالنتائج الميكانيكية لتحديد الأسباب الجذرية.
• استخدم تقنية الفحص غير التدميري أثناء الإنتاج لاكتشاف العيوب قبل إجراء الاختبارات التدميرية.

دمج نتائج الاختبار في قرارات التصميم والشراء لألواح ألياف الكربون

ينبغي على المصممين استخدام خصائص مُختبرة تمثيلية (وليس قيمًا قصوى مثالية من المُصنِّع) وتطبيق عوامل أمان مناسبة مع مراعاة التباين والتدهور المُحتمل في الخدمة (الأشعة فوق البنفسجية، الرطوبة، درجة الحرارة). بالنسبة للمشتريات، يُشترط الحصول على شهادات اختبار من المُصنِّع، واختبار دفعات الإنتاج، وعند الإمكان، اختبار من قِبل شهود عيان أو تحقق من قِبل جهة خارجية للتطبيقات الحرجة.

Supreem Carbon: الخبرة في التصنيع وكيف تدعم اختباراتنا الجودة

لماذا تختار Supreem Carbon للحصول على صفائح وأجزاء ألياف الكربون؟

تأسست شركة سوبريم كاربون عام ٢٠١٧، وهي شركة متخصصة في تصنيع قطع غيار ألياف الكربون للسيارات والدراجات النارية، حيث تجمع بين البحث والتطوير والتصميم والإنتاج والمبيعات لتقديم منتجات وخدمات عالية الجودة. نحن متخصصون في البحث والتطوير لمنتجات ألياف الكربون المركبة، وننتج إكسسوارات السيارات، وحقائب اليد المصنوعة من ألياف الكربون، والمعدات الرياضية المصممة خصيصًا لتلبية احتياجات عملائنا.

يمتد مصنعنا على مساحة تقارب 4500 متر مربع، ويعمل به 45 موظفًا ماهرًا في الإنتاج والفنيين، محققًا قيمة إنتاج سنوية تبلغ حوالي 4 ملايين دولار. نقدم حاليًا أكثر من 1000 نوع من المنتجات، بما في ذلك أكثر من 500 قطعة من ألياف الكربون المُخصصة. رؤيتنا هي أن نصبح الشركة الرائدة عالميًا.شركة تصنيع منتجات ألياف الكربونالموقع الإلكتروني: https://www.supreemcarbon.com/

كيف تطبق شركة Supreem Carbon الاختبارات لضمان الأداء

في Supreem Carbon، نقوم بالجمع بين الاختبارات المعملية والاختبارات غير التدميرية المباشرة للتحكم في الجودةقطع غيار دراجات نارية من ألياف الكربون,قطع غيار السيارات المصنوعة من ألياف الكربونوأجزاء ألياف الكربون المُخصصة. تشمل قدراتنا اختبارات الشد والانحناء للتحقق من صحة المواد، والمسح بالموجات فوق الصوتية C-scan للكشف عن العيوب الداخلية، وفحوصات الاصطدام/التعب للمكونات الحساسة للسلامة. من خلال التحقق من خصائص المواد وفحص الأجزاء قبل الشحن، نُقلل من أعطال الموقع ونضمن مطابقة المكونات لمواصفات العميل.

المنتجات الأساسية والقوة التنافسية

العروض الأساسية:

• أجزاء دراجات نارية من ألياف الكربون (الأغطية، المصدات، الزخارف)
• أجزاء السيارات المصنوعة من ألياف الكربون (التشطيب الداخلي، والمكونات الديناميكية الهوائية، والألواح الهيكلية)
• أجزاء ألياف الكربون المخصصة والتعديلات على دفعات صغيرة

نقاط القوة التنافسية الأساسية:

• الخدمة الشاملة: البحث والتطوير، والتصميم، والأدوات، والإنتاج، والمبيعات.
• حلول مخصصة ونماذج أولية سريعة لتطبيقات السيارات والدراجات النارية الفريدة.
• ضمان الجودة القوي: اختبارات معملية بالإضافة إلى اختبارات غير تدميرية لضمان القوة والصلابة المتسقة عبر الدفعات.

كيفية العمل مع Supreem Carbon

إذا كنتم بحاجة إلى صفائح ألياف كربون مختبرة ومعتمدة أو قطع غيار مخصصة، فإن شركة Supreem Carbon تقدم تقارير اختبار المواد، واختبار العينات، واختبارات NDT للإنتاج. للاستفسار عن المنتجات أو طلب دعم الاختبار، تواصلوا مع فريق المبيعات عبر موقعنا الإلكتروني.

الأسئلة الشائعة - اختبار قوة وصلابة صفائح ألياف الكربون

ما هو أفضل اختبار فردي لتحديد صلابة صفائح ألياف الكربون؟

يُعد اختبار الشد باستخدام مقياس التمدد على عينات مُحاذاة لاتجاه الألياف الأولية أفضل اختبار منفرد لصلابة الشد (معامل يونغ). أما بالنسبة لصلابة انحناء الألواح، فيُعد اختبار الانحناء أكثر تمثيلاً.

كم عدد العينات التي يجب أن أختبرها للحصول على نتائج موثوقة؟

اختبر خمس عينات على الأقل لكل تكوين للبيانات الأولية، وعشر عينات أو أكثر للتأهيل أو التحقق من صحة المورد. يُرجى دائمًا الإبلاغ عن المتوسط ​​والانحراف المعياري ومعامل التباين.

هل يمكنني استخدام أجهزة اختبار الشد المكتبية لألواح ألياف الكربون؟

يمكن استخدام أجهزة اختبار سطح المكتب مع القسائم منخفضة القوة أو الرقيقة، ولكن للتقييم، استخدم جهاز UTM صناعيًا بنطاق خلايا حمل وقياس امتداد مناسبين. تأكد من ملاءمة المقابض والعلامات لتجنب الأعطال الناتجة عن المقابض.

كيف تؤثر العيوب على الصلابة مقابل القوة المقاسة؟

غالبًا ما تُقلل التقشرات والفراغات من قوة التحمل أكثر من الصلابة الأولية. قد لا تُغير العيوب الصغيرة معامل المرونة الأولي بشكل ملحوظ، ولكنها قد تُسبب فشلًا مبكرًا تحت الأحمال القصوى أو الأحمال الدورية. لذلك، يُعد الجمع بين الفحص غير المُدمر والاختبار الميكانيكي أمرًا بالغ الأهمية.

هل يمكن تطبيق طرق اختبار المواد المعدنية القياسية على صفائح ألياف الكربون؟

معايير خاصة بالمواد، مثل ASTM D3039 وD790 وD6641، مصممة للمواد المركبة، وينبغي استخدامها بدلاً من معايير المعادن. تأخذ اختبارات المواد المركبة في الاعتبار تباين الخواص، والحاجة إلى علامات تبويب، وأنماط الفشل ذات الصلة.

اتصل بـ Supreem Carbon / عرض المنتجات

إذا كنت بحاجة إلى اختبار معتمد،صفائح ألياف الكربون المخصصة، أو مصممة خصيصًاقطع ألياف الكربون للدراجات الناريةللمركبات والسيارات، تواصل مع سوبريم كاربون. تفضل بزيارة https://www.supreemcarbon.com/ لعرض المنتجات أو طلب عرض أسعار. يستطيع فريقنا المساعدة في تحديد برامج الاختبار، وتقديم تقارير المواد، ودعم النماذج الأولية واختبارات الإنتاج.

المصادر والمراجع

• معايير ASTM الدولية: ASTM D3039، D790، D6641، D2344 - إجراءات اختبار المركبات.
• قاعدة بيانات خصائص المواد MatWeb — القيم النموذجية للمواد المركبة والألمنيوم والصلب.
• نشرات البيانات الفنية لشركة Hexcel وأدبيات الشركة المصنعة للمركبات حول خصائص مركبات ألياف الكربون.
• AZoM (من الألف إلى الياء للمواد) - نظرة عامة على المواد المركبة ونطاقات خصائصها.
• دليل المواد المركبة (CMH-17) - إرشادات التصميم والاختبار للمواد المركبة المقواة بالألياف.