טכנולוגיית ריתוך האינדוקציה עבור חומרים מרוכבים של סיבי פחמן תרמופלסטיים עדיין בשלבים מוקדמים.

מבוא לחמש שיטות ריתוך לחומרי סיבי פחמן תרמופלסטיים

שלא כמו חומרים מרוכבים תרמוסטיים, חומרים מרוכבים תרמופלסטיים עדיין יכולים להימס לאחר יציקה. ניתן להשיג את החיבור של חלקי סיבי פחמן תרמופלסטיים באמצעות התכה משנית והפעלת לחץ, אשר ניתן להתייחס אליו כתהליך ריתוך. נכון לעכשיו, טכניקות ריתוך נפוצות עבור חומרים מרוכבים של סיבי פחמן תרמופלסטיים כוללות גז חם, התנגדות, ריתוך קולי, אינדוקציה ולייזר. לכל שיטת ריתוך יש את היתרונות והחסרונות שלה, והבחירה בשיטה צריכה להתבסס על תרחישים ודרישות שונות.

1. ריתוך גז חם:

תֵאוּר: ריתוך גז חם משתמש בזרם של גז חם (בדרך כלל חנקן) כדי להמיס ולהתיך את החומרים התרמופלסטיים בחיבור.

תַהֲלִיך: פני החומרים מחוממים בגז חם, ומופעל לחץ כדי לחבר אותם יחד.

יתרונות: ישנה שליטה מדויקת על הטמפרטורה והלחץ, מה שהופך אותו מתאים לחומרים תרמופלסטיים שונים.

שיקולים: יש להקפיד על מניעת התחממות יתר ופגיעה בסיבי הפחמן.

2. ריתוך התנגדות:

תֵאוּר: ריתוך התנגדות כולל העברת זרם חשמלי דרך החומרים, יצירת חום במפרק.

תַהֲלִיך: שני רכיבים נלחצים יחד, והזרם זורם דרך המפרק, וגורם לחימום מקומי.

יתרונות: התהליך מהיר, מתאים למבנים גדולים וניתן לאוטומטיות.

שיקולים: החומרים חייבים להיות בעלי מוליכות מספקת, וקיים סיכון להתחממות יתר מקומית.

3. ריתוך אולטראסוני:

תֵאוּר: ריתוך אולטראסוני משתמש בתנודות בתדירות גבוהה כדי ליצור חום במפרק, ובכך להמיס ולמזג את החומרים התרמופלסטיים.

תַהֲלִיך: רעידות אולטרסאונד מוחלות על הממשק, הגורמות לחימום והדבקה מקומיים.

יתרונות: מהירות העיבוד מהירה, מה שהופך אותו מתאים לחלקים קטנים ומורכבים, עם השפעה תרמית מינימלית על האזורים הסובבים אותו.

שיקולים: הגדרות תדר ואמפליטודה נכונות הן קריטיות, וייתכן ששיטה זו לא תתאים לכל החומרים התרמופלסטיים המרוכבים.

4. ריתוך אינדוקציה:

תֵאוּר: ריתוך אינדוקציה משתמש באינדוקציה אלקטרומגנטית כדי לחמם את החומרים התרמופלסטיים במפרק.

תַהֲלִיך: סליל אינדוקציה משרה חום בתוך החומרים, ויוצר אזור התכה מקומי לריתוך.

יתרונות: ישנה שליטה מדויקת על החימום, מה שהופך אותו מתאים למבנים גדולים עם השפעה מינימלית על האזורים שמסביב.

שיקולים: החומרים חייבים להיות בעלי מוליכות מספקת, ושיטה זו אינה ישימה באופן אוניברסלי.

5. ריתוך לייזר:

תֵאוּר: ריתוך בלייזר משתמש בקרן לייזר ממוקדת ביותר כדי לחמם ולהמיס את החומרים במפרק, וליצור קשר כשהם מתקררים.

תַהֲלִיך: קרן הלייזר מכוונת אל הממשק, מחממת במהירות את החומר התרמופלסטי. לאחר מכן הרכיבים נלחצים יחד, ויוצרים ריתוך תוך כדי התמצקות.

יתרונות: ריתוך בלייזר מספק דיוק גבוה ושליטה על קלט תרמי, מהירויות ריתוך מהירות יחסית, ומתאימה לייצור המוני. זה יוצר אזורים מושפעי חום מינימליים, שומר על תכונות החומר ומהווה סיכון נמוך יותר לזיהום.

שיקולים: יש להקפיד במהלך ריתוך לייזר כדי להגן על סיבי הפחמן מפני התחממות יתר כדי למנוע נזק.

טכנולוגיית ריתוך אינדוקציה בוגרת לסיבי פחמן תרמופלסטיים מועילה לתעשיית התעופה והחלל

טכנולוגיית ריתוך אינדוקציה מתאימה במיוחד לחיבור מבנים מרוכבים תרמופלסטיים מחוזקים בסיבי פחמן. מכיוון שסיבי פחמן מוליכים ויכולים ליצור זרמי מערבולת כאשר הם נתונים לשדה מגנטי לסירוגין, אין צורך להכניס חומרי אינדוקציה נוספים בעת ריתוך חומרים תרמופלסטיים מחוזקים בסיבי פחמן.

ככל שטכנולוגיית הייצור של חומרים מרוכבים תרמופלסטיים לחלל מתבגרת ועלויות הייצור יורדות, היישום שלהם בייצור תעופתי יגדל באופן משמעותי. בנוסף, המבנה המורכב של רכיבי תעופה וחלל מחייב להרכיב חלקים פשוטים לכלל שלם באמצעות טכנולוגיות חיבור. לכן, פיתוח טכנולוגיות ריתוך עבור חומרים מרוכבים תרמופלסטיים תעופה וחלל, לרבות ריתוך אינדוקציה, הפך לצורך דחוף במחקר מתקדם של ייצור מטוסים, וזו תישאר משימה ארוכת טווח בעתיד.

נכון לעכשיו, טכנולוגיית ריתוך האינדוקציה לסיבי פחמן תרמופלסטיים מתמודדת עם אתגרים כמו בגרות נמוכה והעובדה שהיא עדיין לא נכנסה לשלבי אב הטיפוס ההנדסיים ולשלבי היישום המעשי של המוצר. עם זאת, מחקר על ריתוך אינדוקציה של חומרים מרוכבים תרמופלסטיים עבור מטוסים אזרחיים נמצא עדיין בשלביו הראשונים בחו"ל, כאשר טכנולוגיות מפתח שונות ממתינות לפריצות דרך. הפער הטכנולוגי בין המדינות אינו בולט במיוחד. לכן, סין צריכה להאיץ את מאמצי הפיתוח והיישום בתחום זה כדי לקצר את הפער עם חומרים מתקדמים זרים וטכנולוגיות ייצור למטוסים. רק על ידי שליטה אמיתית בטכנולוגיות ליבה נוכל להועיל לתעשיית התעופה והחלל המקומית.

התקדמות המחקר בנושא ריתוך אינדוקציה של חומרים תרמופלסטיים CF/PPS מרוכבים בסין

כמה צוותי מחקר חקרו את ההשפעות של כוח הריתוך והזמן על חוזק הגזירה (LSS) תוך שימוש בגישת ריתוך נקודתי. הם גם בחנו את ההיתכנות של שכבות מושתלות שונות לריתוך אינדוקציה של חומרים מרוכבים תרמופלסטיים CF/PPS. המחקר מצא שכוח ריתוך מוגזם או זמן ריתוך ממושך עלולים להוביל להתחממות יתר של הדגימות, וכתוצאה מכך לתגובות כימיות כגון חיבור צולב, חמצון והשפלה של מטריצת השרף, אשר מפחיתות באופן משמעותי את התכונות המכניות של המפרקים המרותכים ואף המאפיינים הפנימיים של החומרים המרוכבים.

1. נתוני זמן מקסימליים לריתוך אינדוקציה של חומרים מרוכבים CF/PPS

תוצאות ניסוי מצביעות על כך שכאשר ההספק היחסי הוא בטווח של 400 עד 800, שכבת הביניים מציגה את קצב עליית הטמפרטורה הגבוה ביותר. ככל שהכוח היחסי גדל, קצב עליית הטמפרטורה הופך למהיר יותר, וזמן העישון מתרחש מוקדם יותר. כאשר זמן הריתוך חורג מערך מסוים, עישון יופיע בהכרח באמצע הלוחות. התרחשות העישון נובעת בעיקר מהשפלה של השרף או מהנדיפות של מולקולות קטנות שיוריות, שתיהן עלולות להשפיע לרעה על איכות הריתוך וביצועי ההתקשרות בין שני הלוחות. לכן, יש צורך להימנע ממצב זה.

2. השפעות של כוח וזמן ריתוך על חוזק גזירה (LSS)

ריתוך אינדוקציה בוצע על שני חומרים מרוכבים CF/PPS בשיטת ריתוך נקודתי, ולאחר מכן הפעלת לחץ עם גלילים לאחר החימום. חוזק הגזירה המתקבל (LSS) נבדק. התוצאות מצביעות על כך שבמהלך תהליך ריתוך האינדוקציה, בשל זמן הריתוך הקצר יחסית, יציאת השרף אינה חמורה, מה שמאפשר למשטח הריתוך לשמור על כמות מסוימת של שרף. בהספק יחסי של 500, ערך חוזק הגזירה (LSS) מגיע למקסימום בזמן חימום של 65 שניות, מה שמצביע על כך שזמן החימום לא צריך להיות קצר מדי ולא ארוך מדי.

3. השפעת שכבת השתל על חוזק הגזירה (LSS)

באמצעות שני חומרים מרוכבים CF/PPS, יחד עם CF/PPS prepreg בעל אותו מפרט (אותם חומרי גלם, צורת בד, תכולת נפח סיבים וכו') כמו החומרים המרוכבים, נעשה שימוש בשכבת שתל לריתוך נקודתי. התוצאות מצביעות על כך שהוספת שכבת השתל הובילה בדרך כלל לירידה בחוזק הגזירה (LSS), אשר ניתן לייחס לשכבת השתל המגבילה יצירת חום והולכה; עם זאת, ה-LSS המקסימלי עדיין הגיע ל-24.8 MPa.