كثافة صفيحة الكربون: ما يمكن توقّعه من اللامينات

مقدمة

تقع كثافة صفيحة الكربون في نطاق ضيق — نحو 1.45 إلى 1.62 غرام لكل سنتيمتر مكعب للامينات الإيبوكسية الصلبة — وهي من أكثر الأرقام ثباتًا في ورقة بيانات المركّبات. صفيحة كربونية بسُمك 4 ملم تزن 6.2 كيلوغرام لكل متر مربع سواء كانت سرجية أو أحادية الاتجاه، أي نحو خُمس الألومنيوم وخامس الفولاذ؛ وهذه الكتلة المتوقَّعة هي سبب اختيار الصناعات الحسّاسة للوزن — من الطائرات المسيّرة إلى سباقات السيارات — حسب السُمك بدل ملاحقة درجات أخف.

تشرح هذه المقالة من أين يأتي الرقم، وكيف تتغيّر كثافة صفيحة الكربون مع التشكيل وضغط التصلّب، وكيف تُحوَّل إلى كتلة لأي سُمك، وكيف تُخفض الحالات الفراغية القيمة المقاسة تحت النظرية، وكيف تتحقّق من دفعة بتجربة أرخميدس بسيطة.

ما الذي يحدّد كثافة صفيحة الكربون

اللوح المُصلَّب نظام من طورين: ألياف كربون بكثافة 1.76 إلى 1.80 غ/سم³، وراتنج إيبوكسي 1.10 إلى 1.20. وتكثافة اللامينات تتبع قاعدة المزج:

ρ_{اللامينات} = V_f · ρ_{الألياف} + (1 − V_f) · ρ_{الراتنج}

لذا المتغيّر الجوهري الوحيد هو نسبة الليف الحجمية V_f التي يحدّدها وزن النسيج وضغط التصلّب — لا درجة الليف. والانتقال من تشكيل كيس التفريغ عند نسبة 45 إلى 50 في المئة إلى أوتوكلاف عند 60 في المئة يضيف نحو 0.10 غ/سم³ ويرفع الصلابة والقوة معًا نحو 30 في المئة. أما تبديل الراتنج ضمن الإيبوكسيات الشائعة فيغيّر الكثافة أقل من 0.03 غ/سم³.

• وزن النسيج: النسيج الأثقل يترك في السُمك نفسه مساحة أقل للراتج بين الطبقات فترتفع نسبة الليف.
• ضغط التصلّب: ضغط الأوتوكلاف يُكثّف الطبقات ويطرد فائض الراتنج؛ والتفريغ بالكيس وحده يتوقف عادةً قرب 50 في المئة.
• الحالات الفراغية: الهواء المحبوس والمتطايرات تخفض الكثافة المقاسة عن قيمة قاعدة المزج؛ وكل 1 في المئة من الفراغات تُسقط نحو 0.016 غ/سم³.

كثافة صفيحة الكربون بحسب التقنية

يفترض الجدول ألياف PAN عادية المطاطية بكثافة 1.78 غ/سم³ وإيبوكسي 1.15 غ/سم³:

التقنية	نسبة الليف الحجمية	الكثافة النظرية (غ/سم³)	القيمة المقاسة النموذجية (غ/سم³)	نسبة الفراغات
كيس تفريغ، سرجي 3K	45–50%	1.44–1.48	1.42–1.50	2–5%
أوتوكلاف، سرجي 3K	55–60%	1.51–1.55	1.50–1.57	0.5–2%
أوتوكلاف، أحادي الاتجاه	58–62%	1.53–1.57	1.53–1.61	<1%
Prepreg بضغط مرتفع	60–65%	1.55–1.59	1.55–1.62	<1%
RTM / سحق بالتفريغ	40–48%	1.40–1.46	1.38–1.48	1–4%
لوح مركّب كربون-إيبوكسي (لبّ نحل)	الوجه 55–60%	0.40–0.80 فعّالة	0.45–0.80	لا ينطبق

القراءة العملية: الألواح المخزنية المُباعة كصفائح كربون قياسية غالبًا ما تُصلَّب في أوتوكلاف أو بضغط مرتفع من نسيج سرجي بكثافة 1.52 إلى 1.58 غ/سم³، بينما تقترب الألواح المنسوخة أو التفريغية من 1.45. والألواح المركّبة استثناء — كثافتها كصفائح كربون تنطبق على الأوجه، أمّا الكثافة الفعّالة للوح فتحدّدها النواة.

من الكثافة إلى الكتلة: جداول صفيحة الكربون

عند 1.55 غ/سم³ تكون الكتلة لكل متر مربع = السُمك بالمليمتر × 1.55 كغ/م²:

السُمك	كغ/م² عند 1.50	كغ/م² عند 1.55	كغ/م² عند 1.60	قطعة 400 × 300 مم
1 مم	1.50	1.55	1.60	180–192 غ
2 مم	3.00	3.10	3.20	360–384 غ
3 مم	4.50	4.65	4.80	540–576 غ
4 مم	6.00	6.20	6.40	720–768 غ
6 مم	9.00	9.30	9.60	1.08–1.15 كغ
8 مم	12.00	12.40	12.80	1.44–1.54 كغ

مقارنة على مستوى اللوح: الألومنيوم 2.70، ولامينات الزجاج 1.85 إلى 2.00، والتيتانيوم 4.43، والفولاذ الكربوني الخفيف 7.85 غ/سم³. ينتصر لوح الكربون في كل المقارنات من ناحية الكتلة، وهوامش النطاق الكربوني نفسه 1.45 إلى 1.62 أضيق من الفارق بين أي مادتين من هذه — ولهذا تُعامَل الكثافة في التصميم المبدئي كثابت، والسمك كمُغيِّر.

كيفية القياس والتحقق من كثافة اللامينات

على المورّد الإبلاغ عن الكثافة وفق ASTM D792 (مبدأ أرخميدس). التجربة المكتبية بسيطة:

• الوزن الجاف: سجّل كتلة العيّنة في الهواء بدقة 0.01 غرام.
• الوزن المغمور: علّق العيّنة بخيط رفيع في ماء مقطّر عند 23 درجة وسجّل الكتلة الظاهرة. أغلق الحواف أولًا بورنيش رقيق، وإلا اخترقت الرطوبة أريج الألياف وارتفع القراءة.
• الحساب: ρ = الكتلة الجافة / (الجافة − المغمورة) — ونتيجة اللوح عادة بين 1.45 و1.60 غ/سم³.
• استنتاج الفراغات: إن كان التشكيل معروفًا، فنسبة الفراغات ≈ 1 − (الكثافة المقاسة / النظرية عند نسبة الليف نفسها). أقل من 1 في المئة جودة أوتوكلاف، وأكثر من 3 في المئة يعني عادةً عدم اكتمال التكثيف.

فحص سريع بلا أجهزة: قِس السُمك بمقياس ميكرومتر في خمس نقاط، ووزن القطعة، واقسم الكتلة على الحجم. على الألواح المسطّحة تختلف هذه الطريقة عن أرخميدس بنحو 2 في المئة فقط، وهو ما يكفي لاكتشاف دفعة بتشكيل خاطئ.

لماذا لا تتنبّأ الكثافة وحدها بالصلابة

لوحان بكثافة 1.56 غ/سم³ قد يختلفان في الصلابة بضعفين. الكثافة تتبع نسبة الليف الحجمية، والمُطاطية تتبع اتجاه الليف. اللوح شبه متساوي الاتجاه من نسيج السرجي قرب 1.55 غ/سم³ يبلغ مُطاطيته في المستو 45 إلى 55 جيجاباسكال، بينما يبلغ اللوح أحادي الاتجاه عند الكثافة نفسها 120 إلى 140 جيجاباسكال على طول الألياف. والقوة تتبع النمط نفسه: 700 إلى 900 ميجاباسكال شبه متساوي، مقابل أكثر من 1,500 على الاتجاه 0° في التشكيل أحادي الاتجاه. فاستعمل كثافة صفيحة الكربون للتنبؤ بالكتلة، والتشكيل للتنبؤ بالسلوك الميكانيكي؛ ولا يحلّ أحدهما محلّ الآخر.

الأسئلة الشائعة

ما كثافة صفيحة الكربون؟

اللامينات الإيبوكسية الصلبة القياسية بين 1.45 و1.62 غ/سم³، والألواح المخزنية من السرجي والأحادي الاتجاه المُصلَّبة في الأوتوكلاف عادة 1.52 إلى 1.58. أمّا الألواح المركّبة بنواة النحل فأخف بكثير، 0.45 إلى 0.80، لأن كثافتها الفعّالة تحدّدها النواة لا أوجه الكربون.

هل تتغيّر كثافة صفيحة الكربون مع السُمك؟

لا. الكثافة صفة مادّية للّامينات، والكتلة تتعدّد خطّيًا مع السُمك. قطعتان بسُمك 2 ملم و6 ملم من الورقة نفسها لهما كثافة متطابقة، والثانية أثقل بثلاث مرات فحسب — 9.3 مقابل 3.1 كغ/م² عند 1.55 غ/سم³.

كيف أتحقق من كثافة لوح لديّ بالفعل؟

وزنه، وقِس السُمك بميكرومتر في عدة نقاط، واقسم الكتلة على الحجم؛ الفارق عن اختبار أرخميدس الكامل ASTM D792 نحو 2 في المئة. وإن شككت في التشكيل المعلن فاطلب من المورّد نسبة الليف الحجمية ونسبة الفراغات أيضًا — لوحان بنفس الكثافة قد يختلفان في الصلابة بضعفين.

الخاتمة

عامِل كثافة صفيحة الكربون كثابت قرب 1.55 غ/سم³ واجعل السُمك أداة الضبط: 1.55 كغ/م² لكل مليمتر، نحو 744 غرامًا لقطعة 400 × 300 ملم بسُمك 4 ملم، وقيمة مقاسة أقل من النظرية بـ0.05 إلى 0.15 كلما وُجدت فراغات. الرقم يتنبّأ بالكتلة بثقة لكنه لا يتنبّأ بالصلابة التي تتبع اتجاه الليف. للحصول على ألواح أمّة أو قطع ضمن ميزانية كتلة أو تقرير كثافة لدفعة إنتاج، تصفّح مجموعتنا من ألواح الكربون أو تواصل مع فريقنا التقني مع ذكر السُمك المستهدف والتشكيل والتحمّلات.