أسرار البنية المجهرية للألياف الزجاجية

عندما نرى منتجات مصنوعة منالألياف الزجاجيةغالباً ما نلاحظ مظهر الألياف الزجاجية واستخدامها فقط، ونادراً ما نتساءل: ما هو تركيبها الداخلي؟ إن هذه البنى المجهرية غير المرئية هي التي تمنحها خصائصها الفريدة، مثل القوة العالية، ومقاومة درجات الحرارة المرتفعة، ومقاومة التآكل. اليوم، سنتعمق في "العالم الداخلي" للألياف الزجاجية لنكشف أسرار تركيبها.

الأساس المجهري: "النظام غير المنتظم" على المستوى الذري

من منظور ذري، يُعد ثاني أكسيد السيليكون المكون الأساسي للألياف الزجاجية (عادةً ما يشكل 50-70% من وزنها)، مع إضافة عناصر أخرى مثل أكسيد الكالسيوم وأكسيد المغنيسيوم وأكسيد الألومنيوم لتعديل خصائصها. ويحدد ترتيب هذه الذرات الخصائص الأساسية للألياف الزجاجية.

بخلاف "الترتيب بعيد المدى" للذرات في المواد البلورية (مثل المعادن أو بلورات الكوارتز)، يُظهر الترتيب الذري في الألياف الزجاجية"نظام قصير المدى، فوضى طويلة المدى".ببساطة، في منطقة محلية (ضمن نطاق بضع ذرات)، ترتبط كل ذرة سيليكون بأربع ذرات أكسجين، لتشكل بنية تشبه الهرم."هرم رباعي الأوجه من السيليكا"بنية. هذا الترتيب المحلي منظم. مع ذلك، على نطاق أوسع، لا تُشكّل هذه الأشكال الرباعية السطوح من السيليكا شبكة منتظمة متكررة كما في البلورة. بل تتصل عشوائيًا وتتراص بطريقة غير منتظمة، أشبه بمجموعة من مكعبات البناء المُجمّعة بشكل عشوائي، لتُشكّل بنية زجاجية غير متبلورة.

يُعد هذا التركيب غير المتبلور أحد الاختلافات الرئيسية بينالألياف الزجاجيةوالزجاج العادي. خلال عملية تبريد الزجاج العادي، يتوفر للذرات وقت كافٍ لتشكيل بلورات صغيرة منتظمة موضعيًا، مما يؤدي إلى زيادة هشاشته. في المقابل، يُصنع الألياف الزجاجية عن طريق تمديد الزجاج المنصهر وتبريده بسرعة. لا يتوفر للذرات وقت كافٍ لترتيب نفسها بشكل منتظم، فتتجمد في هذه الحالة غير المنتظمة وغير المتبلورة. هذا يقلل من العيوب عند حدود البلورات، مما يسمح للألياف بالحفاظ على خصائص الزجاج مع اكتساب متانة وقوة شد أفضل.

بنية الخيوط الأحادية: كيان موحد من "الطبقة الخارجية" إلى "اللب"

يتكون الألياف الزجاجية التي نراها في الواقع من العديد منالخيوط الأحاديةلكن كل خيط أحادي يمثل وحدة هيكلية كاملة في حد ذاته. يبلغ قطر الخيط الأحادي عادةً من 5 إلى 20 ميكرومترًا (حوالي خُمس إلى نصف قطر شعرة الإنسان). وبنيته منتظمة."شكل أسطواني صلب"بدون طبقات واضحة. ومع ذلك، من منظور توزيع التركيب المجهري، توجد اختلافات دقيقة بين "الطبقة الخارجية واللب".

أثناء عملية السحب، عندما يُبثق الزجاج المنصهر من الثقوب الصغيرة للمغزل، يبرد السطح بسرعة عند ملامسته للهواء، مما يشكل طبقة رقيقة جدًا"جلد"طبقة (بسمك يتراوح بين 0.1 و0.5 ميكرومتر تقريبًا). تبرد هذه الطبقة الخارجية أسرع بكثير من الطبقة الداخلية."جوهر."نتيجةً لذلك، يكون محتوى ثاني أكسيد السيليكون في الطبقة الخارجية أعلى قليلاً من محتواه في اللب، ويكون الترتيب الذري أكثر كثافةً وأقل عيوباً. هذا الاختلاف الطفيف في التركيب والبنية يجعل سطح الخيط الأحادي أكثر صلابةً ومقاومةً للتآكل من اللب. كما أنه يقلل من احتمالية حدوث تشققات سطحية، إذ غالباً ما يبدأ فشل المادة بعيوب سطحية، وتعمل هذه الطبقة الخارجية الكثيفة كغلاف واقٍ للخيط الأحادي.

بالإضافة إلى الاختلاف الطفيف بين الجلد واللب، فإن الجودة العاليةالألياف الزجاجيةيتميز الخيط الأحادي بتناظر دائري عالٍ في مقطعه العرضي، حيث لا يتجاوز هامش الخطأ في القطر عادةً ميكرومترًا واحدًا. يضمن هذا التركيب الهندسي المنتظم توزيع الإجهاد بالتساوي على كامل المقطع العرضي عند تعرض الخيط الأحادي للإجهاد، مما يمنع تركيز الإجهاد الناتج عن عدم انتظام السماكة الموضعية، وبالتالي يحسن قوة الشد الإجمالية.

البنية الجماعية: التركيبة المنظمة لـ "الخيوط" و "النسيج"

على الرغم من قوة الخيوط الأحادية، إلا أن قطرها دقيق للغاية بحيث لا يمكن استخدامها بمفردها. لذلك، يوجد الألياف الزجاجية عادةً على شكل"جماعي"،الأكثر شيوعاً هو"خيوط من الألياف الزجاجية"و"نسيج من الألياف الزجاجية".إن بنيتها هي نتيجة للتركيب المنظم للخيوط الأحادية.

خيوط الألياف الزجاجية عبارة عن مجموعة من عشرات إلى آلاف الخيوط الأحادية، يتم تجميعها إما بواسطة"الالتواء"أو أن تكون"غير ملتوية".الخيوط غير الملتوية عبارة عن مجموعة فضفاضة من الخيوط الأحادية المتوازية، ذات بنية بسيطة، وتُستخدم بشكل أساسي في صناعة الصوف الزجاجي والألياف المقطعة، وما إلى ذلك. أما الخيوط الملتوية، فتتكون من خلال لف الخيوط الأحادية معًا، مما يُنشئ بنية حلزونية تشبه خيوط القطن. تزيد هذه البنية من قوة الترابط بين الخيوط الأحادية، مما يمنع الخيط من التفكك تحت الضغط، ويجعله مناسبًا للنسيج واللف وتقنيات المعالجة الأخرى."عدد"من الخيوط (مؤشر يدل على عدد الخيوط الأحادية، على سبيل المثال، يتكون خيط 1200 تكس من 1200 خيط أحادي) و"التواء"(عدد اللفات لكل وحدة طول) يحدد بشكل مباشر قوة الخيوط ومرونتها وأداء المعالجة اللاحقة.

نسيج الألياف الزجاجية عبارة عن هيكل يشبه الصفيحة مصنوع من خيوط الألياف الزجاجية من خلال عملية النسيج. أما أنواع النسيج الأساسية الثلاثة فهي: النسيج العادي، والنسيج المائل، والنسيج الساتان.نسيج عادييتكون النسيج من خلال تشابك خيوط السدى واللحمة بالتناوب، مما ينتج عنه بنية محكمة ذات نفاذية منخفضة ولكن بقوة موحدة، مما يجعله مناسبًا كمادة أساسية للمواد المركبة.نسيج قطني مائلتتشابك خيوط النسيج، السدى واللحمة، بنسبة 2:1 أو 3:1، مما يُشكّل نمطًا قطريًا على السطح. وهو أكثر مرونة من النسيج العادي، ويُستخدم غالبًا في المنتجات التي تتطلب الثني أو التشكيل.نسيج ساتانيتميز هذا النسيج بقلة نقاط التشابك، حيث تشكل خيوط السدى أو اللحمة خطوطًا عائمة متصلة على السطح. وهو ناعم الملمس وذو سطح أملس، مما يجعله مناسبًا للمكونات الزخرفية أو منخفضة الاحتكاك.

سواء كان الأمر يتعلق بالخيوط أو الأقمشة، فإن جوهر الهيكل الجماعي هو تحقيق تحسين في الأداء"1+1>2"من خلال التركيب المنظم للخيوط الأحادية. توفر الخيوط الأحادية القوة الأساسية، بينما يمنح الهيكل الجماعي المادة أشكالاً مختلفة ومرونة وقابلية للتكيف مع عمليات التصنيع لتلبية احتياجات متنوعة، من العزل الحراري إلى التدعيم الهيكلي.