1. יישום חומרים מרוכבים מסיבי פחמן בתחום הספורט והפנאי ותהליכי ייצור עיקריים
היישום של סיבי פחמן במוצרי ספורט מקורו בשנות ה-70. באותה תקופה כולם התמקדו בתעשייה האווירית והצבאית. אחרי הכל, תחום כה יוקרתי, במיוחד מרוץ החלל האמריקני-סובייטי, לוויינים, חלליות ותוכניות נחיתה על ירח בתקופה זו, משכו את תשומת הלב של העולם.
במשך זמן רב, חומרים מרוכבים מסיבי פחמן חדרו בהצלחה לתחומים שונים של מוצרי ספורט, ומוצרי ספורט הם גם המגזר התעשייתי ליישום ופיתוח של סיבי פחמן לאחר תעופה וחלל.
חומרים מרוכבים של סיבי פחמן הפכו לחומר המועדף בתעשיית מוצרי הספורט בשל משקלם הקל, החוזק הגבוה ועמידותם המצוינת לעייפות. ההשראה לשוק מוצרי הספורט של סיבי פחמן מגיעה מג'ים פלאד בארצות הברית, שידוע כאדיסון של הגולף. בשנת 1972 גילה ג'ים פלאד ששימוש באלות סיבי פחמן יכול לפגוע בכדורי גולף במרחק של 30 יארד מאשר ברזלים. לאחר מכן, סיבי פחמן קודמו בענפי ספורט אחרים כתחליף לחומרי מתכת, כגון בדמינטון, טניס, בייסבול, סקייטבורד, סקי, רכיבה על אופניים, חתירה, חץ וקשת וענפי ספורט אחרים, כמו גם ענפי פנאי כגון דיג.
2. יתרונות חומרים מרוכבים מסיבי פחמן בציוד ספורט
עם התקדמות החברה, המרדף של אנשים אחר אורח חיים משתפר כל הזמן. הספורט חדר לחייו של כל אחד מאיתנו. שיטות אימון בריאות ומדעיות הן גם מוקד תשומת הלב של האנשים. הדרישות לציוד ספורט הולכות וגדלות. גם שוק ציוד הספורט החדש הולך ומתרחב, וגם הדרישות לחומרי ציוד הספורט הולכות וגדלות. היתרונות של סיבי פחמן במשקל ובחוזק הופכים אותו לחומר המועדף עבור ציוד ספורט חדש. כתוצאה מכך, סיבי פחמן נמצאים בשימוש נרחב יותר ויותר בתחום ציוד הספורט. מהם היתרונות של סיבי פחמן בציוד ספורט:
(1) משקל קל
למעט ענפי ספורט מיוחדים הדורשים משקל, כאשר אנשים משתמשים בציוד ספורט לצורך פעילות גופנית, ככל שציוד הספורט קל יותר, כך ייטב. משקל קל יכול לאפשר למתעמלים לבצע ביצועים טובים יותר, כגון מחבטי טניס, אלות, אופניים, מגלשיים וכו'. אפילו ציוד מסוים המסתמך על כוח שאינו כוח אנושי כדי לגרום להם לנוע, כגון מכוניות מירוץ וסירות מפרש, דורש גם משקל קל, מה שיכול להפחית את דרישות החשמל ולחסוך בדלק. לסיבי פחמן יש יתרונות שאין להם תחליף בהקשר זה.
(2) תכונות מכניות טובות
לא ניתן לעלות על החוזק הספציפי והמודול הספציפי של חומרי סיבי פחמן על ידי חומרים אחרים. התכונות המכאניות הייחודיות שלו פשוט עונות על הצרכים של ציוד ספורט ומהווים בחירה מצוינת לציוד ספורט. חומרים מרוכבים של סיבי פחמן מעובדים ויצוקים בעיקר בשרף, שיכולים למלא תפקיד גדול יותר בתכנון העיבוד.
(3) בטיחות, היגיינה והגנת הסביבה
לחומרים מרוכבים של סיבי פחמן יש לא רק יתרונות רבים, אלא הם גם חומר ידידותי לסביבה עם היגיינה ובטיחות מובטחות. הם חומרים חדשים עם תכונות מיוחדות. בנוסף לתכונות מכניות טובות, פלסטיות חזקה ובטיחות גבוהה, הם גם משאבים למחזור. הם ידידותיים מאוד לסביבה וקלים למיחזור, תוך הפחתת עלויות וחיסכון במשאבים. מאפיינים אלו יהפכו ליתרונות של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן בשימוש הנרחב בציוד ספורט.
(4) פלסטיות גבוהה
פלסטיות היא אחד התנאים הבסיסיים לייצור ציוד ספורט. לפלסטיק ולחומרים מרוכבים של סיבי פחמן יש מידה מסוימת של פלסטיות. ניתן לעבד וליצור פלסטיק וסגסוגות שלהם בדרכים רבות (דפוס מכה, הזרקה, אקסטרוזיה, תרמופורמינג וכו'), ולאחר מכן ליישם אותם על ציוד ספורט. בהשוואה לחומרים נפוצים אחרים, יש להם פלסטיות טובה יותר. עם התפתחות תעשיית הספורט של ארצי, ניתן לעבד חומרים המיושמים בתחום ציוד הספורט בדרכים נוספות לשיפור הביצועים של ציוד הספורט.
(5) עמידות טובה להזדקנות
ביישומים בפועל, ציוד הספורט נמצא בעיקר בחוץ ומושפע בקלות מסביבות טבעיות כמו אור שמש וסופות רעמים. במקביל, חומרים כמו חמצן, אוזון וגזים חומציים באטמוספרה עלולים גם הם לפגוע בה. בנוסף, שינויים בטמפרטורה יגרמו להזדקנות, סדקים, שינויי צבע וכו' של ציוד הספורט. לכן, ציוד ספורט צריך להיות בעל עמידות טובה בפני קורוזיה ועמידות בפני הזדקנות כאשר הוא נכנס לשימוש, במיוחד בסביבות באוויר הפתוח. הדרישות בנושא זה מחמירות יותר. אם עמידות ההזדקנות ירודה, זה ישפיע ברצינות על חיי השירות של הציוד.
3. יישום חומרים מרוכבים מסיבי פחמן במוצרי ספורט ופנאי
ניתן לחלק את היישום של מוצרי ספורט סיבי פחמן לשני כיוונים עיקריים. האחד הוא ספורט תחרותי, ששם דגש בעיקר על דיוק גבוה, גבוה ומהיר יותר. השני הוא כושר ופנאי יומיומי, הדורש יחס ביצועי עלות מתאים. כיום המוצרים בעלי הצריכה הגדולה ביותר של סיבי פחמן בתחום מוצרי הספורט הם:
(1) אופניים
פלדה היא החומר העמיד ביותר לאופניים. יש לו גמישות טובה ועלות נמוכה, אבל בגלל הצפיפות הגבוהה שלו, קל להחליד ולעייף. סגסוגת אלומיניום היא חומר נפוץ בשוק. הוא קל ולא יחליד, אבל האלסטיות שלו ירודה מדי, קל להתעייף ונוחות הרכיבה לא טובה. הצפיפות של סגסוגת מגנזיום קטנה מזו של סגסוגת אלומיניום, והביצועים הבסיסיים שלה דומים לאלו של סגסוגת אלומיניום. עמידות העייפות של סגסוגת טיטניום טובה יותר מזו של חומרי מתכת אחרים, אך המחיר גבוה והמשקל הסגולי אינו יתרון. לחומרים מרוכבים של סיבי פחמן חוזק גבוה, גמישות טובה, צפיפות קלה ועמידות בפני קורוזיה. לאופניים המיוצרים מחומרים מרוכבים של סיבי פחמן יש את המאפיינים הבאים:
א. להפחית ביעילות את המשקל הכולל של האופניים
הצפיפות של חומרים מרוכבים המבוססים על סיבי פחמן היא בדרך כלל רק 1.6. זה רק חמישית מפלדה והוא יכול להפחית משקל בכ-40% בהשוואה לאלומיניום. יש פתגם בתעשיית האופניים שאם המשקל מופחת ב-1g, ניתן להעלות את המחיר ב-1 דולר. שלדת אופניים מורכבת מסיבי פחמן קלה ברבע משלדת סגסוגת אלומיניום. משקל קל יכול להפחית אובדן אנרגיה פיזית ובכך להגביר את מהירות הרכיבה.
ב. קשיחות כללית גבוהה של הגוף
מסגרת בעלת קשיחות טובה תורמת להמרת כוח המניע ומשפרת את ביצועי הטיפול באופניים. המבנה של אופניים מורכבים מסיבי פחמן חזק ולא קל לעיוות. התרגול הוכיח שקשיחות המסגרת שלו אינה נמוכה מזו של מסגרת פלדת מוליבדן.
ג. עמידות בפני זעזועים טובה
התדירות הטבעית של המבנה אינה קשורה רק לצורה המבנית, אלא גם פרופורציונלית לריבוע המודולוס הספציפי של החומר. תדר טבעי גבוה יכול למנוע נזק מוקדם שנגרם על ידי תהודה בתנאי עבודה. מדווח כי בדיקות על מסגרות בעלות צורה וגודל זהה מראות שלרטט של מסגרת מסגסוגת אלומיניום לוקח 9 שניות להפסיק, בעוד שלחומר המרוכב של סיבי פחמן עם תדר טבעי גבוה במיוחד לוקח רק 2.5 שניות להפסיק. השיכוך הטוב של החומר המרוכב מפחית את מהמורות האופניים ומשפר את נוחות הרכיבה.
ד. בטיחות טובה
המטריצה בחומרים מרוכבים של סיבי פחמן היא שלב רציף המקיף סיבי פחמן עצמאיים, ויוצרים מערכת דינמית לא ודאית. כאשר החומר נפגע, כאשר מספר קטן של סיבים נשבר, העומס יתחלק מחדש במהירות לסיבים הבלתי נשברים, כך שהמבנה יוכל להמשיך לשאת את העומס, מה שמשפר מאוד את בטיחות הרכיבה. קשה להבחין בסימנים ברורים של כשל עייפות של חומרי מתכת כלליים, והכשל שלהם הוא לעתים קרובות פתאומי, בעוד שלמסגרות מרוכבות סיבי פחמן יש עמידות טובה מאוד לעייפות, וניתן להבחין בסימנים ברורים לפני כשל. מחקרים הראו כי מסגרות מרוכבות מסיבי פחמן יכולות לעמוד ביותר ממיליון מבחני התנגשות.
ה. חופש מוגבר של עיצוב מבני
לחומרים מרוכבים של סיבי פחמן יש את המאפיינים של אניזוטרופיה. ניתן להשתמש בתכונה זו של חומרים מרוכבים לסידור והנחת סיבים בהתאם לכיוון וגודל העומס על האופניים בעת נסיעה. הגמישות של ייצור חומרים מרוכבים תורמת לעיצוב של מבנים בצורות שונות. לדוגמה, אופניים יעילים יכולים להיות מתוכננים על פי עקרונות אווירודינמיים, שהם יפים ומעשיים, וקל להשיג את ביצועי העלות הטובים ביותר. ו. עמידות בפני קורוזיה טובה
לחומרים פולימרים יש עמידות טובה לחומצה, אלקלי ואווירה תעשייתית, ולכן שלדות אופניים העשויות מחומרים מרוכבים של סיבי פחמן בעלות עמידות מצוינת בפני קורוזיה חומצה ואלקלית.
יצרנית מכוניות הספורט הצרפתית בוגאטי ויצרנית האופניים ההולנדית PG הוציאו יחד את האופניים הקלים בעולם. עיצוב האופניים בהשראת מכונית מירוץ הספורט Chiron של בוגאטי. עשוי מחומרים מרוכבים של סיבי פחמן, הוא שוקל רק 11 פאונד (כ-4.99 ק"ג). לפי ה-American Architectural Digest, 95% מהאופניים עשויים מחומרים מרוכבים של סיבי פחמן.
האוניברסיטה הטכנית הצ'כית בפראג משתמשת בתהליך סיפוף אוטומטי של סיבים, בשילוב עם טכנולוגיית הלולאה המשולבת (ILT) שפותחה על ידי חיבור צינור סיבים רציף לייצור שלדות אופניים וחלקי רכיבים נלווים. ILT הוא תהליך המשלב אלמנטים מרוכבים מבניים (כגון צינורות וחלקים מחברים). כל החלקים נוצרים במקשה אחת ואז מורכבים.
(2) חכות
לחובבי דיג, איך שופטים איזו חכה היא הטובה ביותר? לסיכום, הוא משקף בעיקר שלוש נקודות: דק, קל וחזק. לכן, חכה בעלת ביצועים גבוהים צריכה לעמוד בשני מאפיינים: קשיחות גבוהה ומשקל קל.
עם הופעתו ופיתוחם של סיבי פחמן, הם מספקים חוזק ספציפי גבוה ומודול ספציפי גבוה לחכות, מה שהופך את החכות הללו לקלות וקלות יותר. לכן, החכות של היום נקראות בעצם "חכות סיבי פחמן".
חכות העשויות מחומרים מרוכבים מחוזקים בסיבי פחמן קלות בהרבה ממוצרי GFRP או פלסטיק, אשר צורכים פחות אנרגיה בעת משיכת החכה, ומרחק משיכת החכה גדול בכ-20% מהאחרון. חכות העשויות מ-CFRP ארוכות וטובות, בעלות קשיחות גבוהה. חכות דיג יכולות להתאושש במהירות לאחר כיפוף, מה שהופך אותן לרגישות יותר לאספקת פיתיון. ניתן להשתמש בפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן גם לייצור סלילי ציוד דיג, אשר שוקלים לא יותר מ-140 גרם, אך בעלי חוזק עייפות גבוה ועמידות בחיכוך, כך שיש להם חיי שירות ארוכים.
היתרונות של חכות דייג מורכבות מסיבי פחמן
בשל מאפיינים הקלים והקשיחות הגבוהים, הוא זוכה לשבחים רבים. בתהליך הדיג, היתרונות של חכות סיבי פחמן באים לידי ביטוי בהיבטים הבאים:
· מאחר וחכות דייג מסיבי פחמן קלות ודקות יותר, ניתן לתפעל אותן בקלות ביד אחת;
·בגלל משקלו הקל, זה יכול למנוע מהמשתמשים להרגיש עייפות;
· סיבי פחמן יכולים להפוך את החכות לארוכות יותר, וחכות דייג ארוכות יותר פירושן שניתן לכסות אזור דיג רחב יותר;
· חכות סיבי פחמן רגישות יותר לדגים;
חכות סיבי פחמן גרמו לדיגים להתלהב יותר ויותר משנה לשנה, וחכות סיבי פחמן אלו גם הפכו את הדיג לפעילות בידורית פופולרית ולא לספורט בסיסי, מה שללא ספק יצר שוק חדש לתחום סיבי הפחמן.
(3) מחבטי טניס ומחבטי בדמינטון
מגמת הפיתוח של מחבטי הטניס היא להפוך לגדולים וקלים יותר. כיום, רוב מחבטי הטניס היוקרתיים והבינוניים בעולם עשויים מחומרים מרוכבים של סיבי פחמן. מחבטי טניס גדולים צריכים להיות עשויים מחומרים מרוכבים של סיבי פחמן בעלי משקל קל, חוזק ספציפי גבוה ומודול סגולי גבוה. הם יכולים לעמוד במתח מיתרים חזק יותר מאשר מסגרות מחבט עץ כדי להבטיח שהם לא יתעוותו בעת הפגיעה בכדור. חומרים מרוכבים של סיבי פחמן בעלי תכונות שיכוך רעידות טובות לא רק מעניקים לספורטאים תחושת נוחות, אלא גם מאפשרים לכדור הטניס להשיג מהירות התחלתית גבוהה יותר.
מחבטי טניס העשויים מחומרים מרוכבים הם קלים וחזקים, בעלי קשיחות גבוהה ומתח נמוך, מה שיכול להפחית את הסטייה בעת מגע הכדור עם המחבט. יחד עם זאת, ל-CFRP תכונות שיכוך טובות, שיכולות להאריך את זמן המגע בין המיתר לכדור, ולאפשר לכדור הטניס להשיג תאוצה גבוהה יותר. לדוגמה, זמן המגע של מחבטי עץ הוא 4.33 מילי-שניות, זה של מוצרי פלדה הוא 4.09 מילי-שניות, ושל CFRP הוא 4.66 מילי-שניות. המהירויות הראשוניות המתאימות של הכדור הן 1.38 קמ"ש, 149.6 קמ"ש ו-157.4 קמ"ש, בהתאמה.
מחבטי בדמינטון העשויים מחומרים מרוכבים מחוזקים בסיבי פחמן (CFRP) מאופיינים במשקל קל, קשיחות גבוהה והימנעות משבירת ידית הנגרמת עקב קשיחות לא מספקת של מוצרי עץ. יש להם גם פונקציית הפחתת רעידות וגמישות טובה, המאפשרת מרחקי מכה והחזרה ארוכים ודיוק נחיתת כדור גבוה.
(4) מועדוני גולף
בשנת 1972, ארצות הברית השתמשה לראשונה בחומרים מרוכבים של סיבי פחמן לייצור אלות גולף. עד 1998, מספר אלות הגולף מסיבי פחמן עלה בהרבה על זה של אלות פלדה. מועדוני גולף מורכבים מאחיזה, מוט וראש. מועדוני גולף עשויים מחומרים מרוכבים של סיבי פחמן יכולים להפחית את המשקל בכ-10% עד 40%. על פי חוק שימור המומנטום, כאשר המשקל הכולל של מקל גולף קבוע, ראש כבד ופיר קל יכולים להגביר את מהירות התנופה ולאפשר לכדור להשיג מהירות התחלתית גדולה יותר. בנוסף, לחומרים מרוכבים מסיבי פחמן יש תכונות שיכוך גבוהות, שיכולות להאריך את זמן הפגיעה ולאפשר לכדור להיפגע רחוק יותר.
(5) קיאק
שימוש ב-Kevlar, סיב ארמיד הנפוץ בשדה חסין כדורים, על קיאק יכול להבטיח שהסירה הבנויה היטב תוכל לעמוד בפני סדקים ושבירה. כאשר משתמשים בחומרי גרפן וסיבי פחמן בסירות קאנו וסירות, הם יכולים לא רק להגביר את חוזק הריצה של הגוף ולהפחית משקל, אלא גם להגדיל את מרחק הגלישה.
(6) מכוניות מירוץ
בשנות ה-80, כאשר קבוצת מקלארן F1 השתמשה בחומרי סיבי פחמן לבניית שלדת המרוצים שלה, מכוניות המירוץ שלהם הקדימו בהרבה את המתחרים. כתוצאה מכך, הגישה של מקלארן נחקה על ידי צוותים אחרים ולאחר מכן הוחזרה למכוניות-על שונות, מכוניות בעלות ביצועים גבוהים ומכוניות אזרחיות.
כיום, היישום של סיבי פחמן בתעשיית הרכב מתחלק בעיקר לשני סוגים: יבש ורטוב. ביניהם, בסיבי פחמן יבשים יש פחות שרף שיורי במהלך הייצור, והחלקים המעוצבים חזקים ויקרים יותר, ולכן הוא נמצא בשימוש נרחב על ידי מותגי סופר יוקרה גדולים.
תכולת השרף בסיבי פחמן רטובים גבוהה יותר, ולכן היא זולה בהרבה מסיבי פחמן יבשים מבחינת חוזק הרכיב ועלות הייצור. אבל בין אם זה סיבי פחמן יבש או רטוב, יש לו ביצועים טובים יותר מחומרים רגילים.
הגוף של Ares AMR Pro משתמש בצבע ירוק ניאון מיוחד, ומוסיף גם פאנל דקורטיבי של סיבי פחמן שיכול לראות את סידור סיבי הפחמן. הקווים של המכונית כולה דקים יותר, ומראות הצד החיצוניות שונו לעיצוב אווירודינמי יותר. החלק האחורי של הפגוש הקדמי משתמש בפתח אוורור מרובה חלקים כדי להנחות טוב יותר את האוויר בקשת הגלגלים. חצאיות הצד הקרובות כמעט לקרקע מחוברות לגבות הגלגל הקדמי והאחורי. גם עיצוב דלת כנפי שחף מקסים מאוד. הגלגלים הקדמיים של 20-אינץ' והגלגלים האחוריים 21-מצוידים בצמיגים רחבים שטוחים ומערכות בלמים מסיבי פחמן קרמי, מה שגורם לכל המכונית להיראות נאה יותר.
הפנים גם העתיק את העיצוב הקלאסי של מכונית המירוץ F1 פורמולה 1. תא הטייס המשולב מסיבי פחמן הופך את המכונית כולה לקשיחה יותר. הגג, תא הטייס והמרכב מאמצים עיצוב משולב של סיבי פחמן. הקשיחות של המכונית כולה חזקה יותר, והמשוב מהכביש אמיתי וחיובי יותר. השטח הגדול של חומר זמש מהדהד את חומר סיבי הפחמן החשוף. הקונסולה המרכזית מצוידת בהגה מלבני מעוגל. ישנה תצוגת LCD באמצע גלגל ההגה להצגת המידע הבסיסי של הרכב. שני מסכי ה-LCD התלויים מוטים לכיוון צד הנהג. מושב המירוץ מסיבי פחמן מקשה אחת הוא קל משקל ויכול גם לספק עטיפה ותמיכה טובים יותר לנהג.
עם עיצוב סיבי פחמן מקשה אחת, הקשיחות של הרכב כולו חזקה יותר, והמשוב על הכביש אמיתי וחיובי יותר. השטח הגדול של חומר זמש מהדהד את חומר סיבי הפחמן החשוף. הקונסולה המרכזית מצוידת בהגה מלבני מעוגל. ישנה תצוגת LCD באמצע גלגל ההגה להצגת המידע הבסיסי של הרכב. שני מסכי ה-LCD התלויים מוטים לכיוון צד הנהג. מושב המירוץ מסיבי פחמן מקשה אחת הוא קל משקל ויכול גם לספק עטיפה ותמיכה טובים יותר לנהג.
