1-3-2 تسلیم فشاری و رفتار خمشی
همانطور که اولر بطور کمّی نشان داد، ستون های تحت بارهای فشاری بهراحتی تا میخورند. تیموشنکو تاخوردن میلهها را روی پایة الاستیک آزمود و اخیرا هوبز تأثیر لغزش محوری در تاخوردگی خط لولههای واقع در بستر دریاها را نشان داد. آزمایش روی تاخوردگی محوری الیاف درون ریسمان نیز توسط هوبز انجام شد. [11] . حالت مشابهی نیز در مقیاس مولکولی روی مولکولهای پلیمری آرایشیافته درون لیف اتفاق میافتد. نتیجتاً الیاف پلیمری خطی HM-HT دارای تنش تسلیم فشاری و از این رو استحکام تراکمی می باشند که به نوبة خود با اهمیتاند، هرچند کمتر از استحکام کششی. جهت ایجاد مقاومت بیشتر در مقابل تاخوردگی مهندسان اتصالات جانبی در ساختار الیاف وارد کردند. در مقیاس مولکولی، این عمل در شبکههای سهبعدی درون لیف اتفاق میافتد. در نتیجه، الیاف شیشه و سرامیک تحت نیروی فشردگی تسلیم نمیشوند بلکه از قانون هوک پیروی میکند. این در حالی است که در مورد نیروهای دیگری مثل نیروی گسیختگی روی سطوح مورب چنین قاعده ای حکم نمیکند. از آنجا که در فشردگی ها ترکخوردگی اتفاق نمی افتد، امکان دارد که استحکام فشردگی از استحکام کششی بیشتر شود.
الیاف کربن تمایل بیشتری در قرابت به مدل سهبعدی از خود نشان میدهند؛ اگرچه خصوصیات فشردگی آنها ضعیفتر از خصوصیات کششی آنهاست. نتیجه ثانویهای که از تفاوت در رفتار تراکمی حاصل میشود نوع رفتار لیف در خمش است.
لیفِ دارای ساختار سهبعدی از تحلیل کلاسیک خمش پیروی میکند. در سمت بیرونی خمیدگی وضعیت کشیدگی و در سمت داخلی حالت فشردگی حاکم میشود. از آنجا که این دو طرف با هم در حال موازنة متعادلی هستند، صفحة خنثی با تنش باقیماندة صفر در مرکز لیف قرار خواهد گرفت. حداکثر کرنش در دورترین نقطه از صفحة خنثی، برابر r/R ) )± خواهد بود که « r » شعاع لیف و « R » شعاع خمیدگی لیف است. در هنگام اعمال نیروهای محوری ، غالبا در سمت کشیدگی، گسیختگی مارپیچی روی میدهد که معادل کرنش پارگی کششی است. اسکوپ و اسکلتون [12] حداکثر انحناء الیاف را قبل از آنکه دچار شکستگی شوند، اندازهگیری کردهاند. جدول 1-1 نشان میدهد که الیاف شیشه و کربن در مقابل نیروی خمشی ضعیفی البته کمی بالاتر از نیروی کششی اندازهگیری شده، شکسته میشوند. زیرا طول مؤثر در شکستگی خمشی کوتاهتر از آزمودهای کششی است.
در الیاف پلیمری ، استحکامِ کمِ تسلیم در برابر فشردگی، رفتار قبلی را تغییر میدهد. فشردگی در قسمت درونی خمیدگی راحتتر از کشیدگی در قسمت بیرون آن است. در نتیجه برای به حداقل رساندن انرژی تغییر شکل ، صفحة خنثی حرکت میکند تا فشار وارده بر قسمت بیرونی خمیدگی تقلیل یابد و بیشتر فشار بصورت نیروی فشردگی بر قسمت داخل خمیدگی متمرکز گردد. آنگونه که در جدول 1-1 آمده است، این بدان معنی است که الیافی نظیر کولار و همچنین الیاف رایج در نساجی می توانند کاملا روی خود خم شوند. طوری که کرنش خمشیِ اسمیِ آنها، r/R))،100 درصد باشد. قسمت بیرونی خمیدگی تحت فشار پارگی کششی قرار میگیرد و با اینکه فشار ساختمانی در بخش درونی خمیدگی وجود دارد ولی گسیختگی اتفاق نمیافتد. بخش عمدهای از این فشار و آشفتگی بوسیلة کشش مجدد از بین میرود اما خمشهای مکرر باعث ترک خوردن و گسست ناشی از خستگی میشود .در کششهای مکرر ریسمانها، باتوجه به نایکنواختی بار یا پیچخوردگی ریسمان، ممکن است یک قسمت آن تحت نیروی فشردگی قرارگیرد که سبب میشود الیاف به طور یکجا و به صورت زاویهدار تند دچار تاخوردگی شود که در مقیاس مولکولی نیز تاخوردگی دستههای مولکولی را به همراه خواهد داشت. به همین علت پیشنهاد شده است که طناب های لنگر دریایی که از جنس نخ های پارا – آرامید ساخته شدهاند نباید بیش از 2000 مرتبه تحت نیرویی بیش از 10 درصد بار پارگی مورد استفاده قرارگیرند. [13] . این مقدار برای طنابهای HMPE کمتر از 10 درصد بار پارگی برای حداکثر 40 هزار بار استفاده و برای طناب پلی استر که نسبت به تخریب تراکمی محوری کمتر آسیب پذیر است، کمتر از 5 درصد بار، حداکثر برای 1000 بار استفاده میباشد.
شکل 1-6 مقایسة جالبی از تغییر شکل تحت خمش را نشان میدهد. الیاف آرامید نیروی خمشی را تحمل میکنند بدون اینکه گسیختگی در آن روی دهد در حالی که لیف آزمایشگاهی مونسانتو -که البته به مرحله تولید تجاری نرسید- در اثر نیروی مشابهی دچار شکستگی به همراه شکافتگی های محوری از سمت تحت کشیدگی شده است.
هر دو نوع فشار تسلیم فشردگی بالا وپائین مزایا و معایبی دارند. تسلیم آسان در برابر فشردگی در مواقعی که کامپوزیتها تحت فشردگی واقع میشوند، مشکل ساز میشود. اما خمش آسان باعث میشود که الیاف به راحتی تحت فرآیندهای مختلفی واقع شوند و خمشهای با زاویه تند باعث تخریب و گسیختگی الیاف نشود در مقابل الیافی که تحت فشردگی تسلیم نمیشوند حالت خشک و شکنندهای در مواجهه با نیروهای خمشی دارند و این امر سبب میشود که هنگام کار با آنها دقت و مراقبت بیشتری در فرآیندها لازم باشد. اما همین ویژگی در کامپوزیتها باعث میشود که مقاومت خوبی در بارگذاری فشاری حاصل شود .
1-3-3 شکافتگی در اثر کشش
راه دیگری برای بررسی رفتار متفاوت انواع متختلف الیاف، ریخت شناسی شکافت است که منعکسکنندة موازنة متفاوت پیوندهای داخلی لیف در آنهاست . شکل 1-7 (a)نشان میدهد که لیف شیشه به فرم شکافت کلاسیک پاره شدهاست : تنش در محل یک آسیب سطحی اولیه تمرکز یافته و شکافی در عمق ایجاد نمودهاست که باعث رشد شکاف در ناحیة قرینه می شود تا جایی که چندین شکاف جدید شروع به تشکیل ناحیة نهایی شکافت میکنند. این مدل با پدیدة انتشار ترک نرم که در الیاف رایج ذوبریسی شده نظیر نایلون و پلی استر دیده میشود در تضاد است. در این نوع الیاف، انتشار آهستة ترک نرم باعث بوجود آمدن شکاف v شکل میشود که با تسلیم پلاستیکی وسیعی در طرف دیگر لیف همراه است تا جایی که گسیختگی اصلی اتفاق میافتد. شکل 1-7 (b) الیاف پلیمری HM-HT نیز تفاوتهای دیگری دارند. شکل معمول گسیختگی در آنها در شکل 1-7(C) نشان داده شده است. همانطور که در شکل 1-8 نشان دادهشدهاست، هر ناپیوستگی ، بیشتر یک ترک سطحی ، باعث ایجاد یک تنش برشی محوری میشود. چرا که مطابق شکل 1-9 پیوندهای کوالانسی خیلی قویتر از جاذبه های میان مولکولی است. لذا تحت تنش برشی، شکاف بصورت محوری (در طول لیف) رشد میکند. در عوض تحت تنش کششی بهصورت عرضی رشد مینماید. شکل 1-7(d) نمایانگر یک مرحلة آغازین شکافت محوری از ناحیة یک ترک سطحی است. اگر شکاف کمی به صورت غیر محوری رشد کند، سرانجام عرض لیف را طی خواهد کرد و گسست را کامل مینماید. شاخهای شدن شکاف منجر به ایجاد انتهای چاکدار در قسمت پارگی لیف می شود که در شکل 1-7(c) دیده میشود. و اما هندسة شکافی که در شکل 1-10 دیده میشود بیانگر یک مشاهدة معمول است که درآن یک انتهای گسستة لیف با یک شقّه و سمت دیگر آن به صورت چند شقه دیده میشود. یانگ [15] در نوشتار کلاسیک خود در مورد کولار، به سه فرم اساسی از گسیختگی اشاره دارد :
نوع (a): گسست نقطه ای
نوع (b): گسست رشته رشته ( فیبریلی شده )
نوع (c): گسست نواری تابخورده
نوع (a)مربوط به گسست با یک شقه است. نوع (b) به گسست چند شقّه ای اشاره میکند که ممکن است در طرفِ دیگرِ همان گسست (a) باشد. گسست نواری تابخورده که در طولی تقریبا به اندازة قطر لیف گسترش مییابد، همانطور که قبلا اشاره شد، میتواند به الیافی منسوب گردد که به واسطة فشار تراکمی محوری، تضعیف شدهاند. سایر مدلهای گسیختگی در الیاف آرامید مثل نمونهای که در شکل 2-10 دیده میشود، ترکیبی از شکافتگی محوری به همراه مناطقی با گسیختگی عرضی است. اما در الیافی که تخریب نشده اند معمولا شکافهای کامل محوری بیشتر دیده میشوند. یانگ به این نکته اشاره میکند که در مقابل قطر کل لیف که 12 میکرومتر میباشد، اندازة قطر پارگی نهایی بین 2 تا 4 میکرومتر است. بنابراین ، استحکام واقعی لیف تا حد زیادی مبتنی بر سطح مقطع بریدگی لیف است. اگر پارگی نهایی شبیه به پارگی ناشی از کشش محوری باشد و در عین حال نسبت ظاهری لیف کاهش یابد به این معنی است که گسیختگی کششی آسانتر از انقطاع برش اتفاق افتاده است و این امر نشان دهندة استحکام کششی مولکولی در حدود 30 الی 100 گیگا پاسکال است. نوع سوم از پارگی درالیاف HM – HT ، پارگی دانهای است که در شکل 1ـ 7 ـ ( e) نشان داده شده است. معمولاً این پدیده در الیاف رسیده شده از محلول مشاهده می شود.این پدیده نتیجه انعقاد اولیه لیف بصورت یک ساختار اسفنجی و دارای خلل و فرج (اصطلاحا یک ساختار پوک) است. پس از خشک شدن لیف ، سطحی دارای حفرات متعدد بعنوان یک ناحیة ضعیف روی لیف باقی میماند. سطح دانه دانه مشابه شکل کامپوزیت تقویت شده توسط الیاف در بزرگنماییهای اندک است. حتی مکانیک این نقیصه نیز مشابه همان است. تحت تنش بحرانی، عناصر فیبریلی دچار پارگی می شوند . شکاف حاصل مستقیما در جهت عرض نا پیوستگی کم دوام منتشر نمیشود بلکه با توجه به انتقال تنش ، شروع به ایجاد گسست در عناصر لیف مجاور در یک نقطة نزدیک اما نه دقیقا در امتداد شکاف موجود ، مینماید. شکل 1 – 7 (e) پارگی یک لیف کربن را نشان میدهد که شکل دانهای آن منعکس کننده وجود یک ساختار پوک در لیف پلی اکریلو نیتریل اولیه است. تصویر کلی از بروز اشکال مختلفی از شکستگی به این شرح است : الیاف شیشه شکستگی تردی از خود نشان میدهند، هرچند گاهی نیز شکاف موجود ، خط زاویه دار مربوط به تنش برشی ماکزیمم را دنبال میکند. البته خط عمودی تنش کششی بیشینه را شامل نمیشود. در مورد الیاف سرامیک و نیز الیاف کربن، اگر پیوند های قوی جانبی وجود داشته باشد، گسیختگی ترد ولی صاف دیده میشود. اما اگر سختار لیف دارای حفره های خالی باشد ویا ضعیف در پیوندهای جانبی وجود داشته باشد پارگی از نوع دانهای در آنها اتفاق میافتد. الیاف پلیمری خطی با آرایش یافتگی بالا ، از جمله HMPE و نیز الیاف کریستال مایع با شکاف محوری(طولی) دچار گسیختگی میشوند. البته در صورتی که ناپیوستگی افقی نیز وجود داشته باشد به احتمال قویتر بواسطة آسیب حاصله در ساختار اصلی ، شکاف محوری با قدری شکافهای عرضی همراه خواهد بود. گسیختگی ترد و شکننده باعث یک خدشة ناگهانی به لیف میشود. برخلاف این پدیده، شکاف محوریِ طویل برای رشد خود زمان و انرژی بیشتری طلب میکند. بعنوان نتیجه میتوان گفت: وقوع شکاف در یک حالتِ قابل استفاده، کم ضررتر خواهد بود. نتایج سودمند حاصل از حالتهای گسست افزون بر این، در آزمایش کشش روی یک لیف تنها اگر چه شکاف عمیق در عرض لیف باعث افت بار تا حد صفر میشود، اما در مورد یک مجموعه از الیاف ، عناصر فیبریلی به تحمل بار ادامه میدهند، البته به شرط آنکه در اینجا مقداری اثرات متقابل عرض ناشی از پیوند های جانبی یا اصطکاک وجود داشته باشد.
هیچ یک از الیاف HM-HT خستگی را از آن نوعی که در فلزات تجربه شده از خود نشان ندادهاند. الیاف غیرآلی فاقد ناحیة تسلیمی هستند که شکاف ناشی از خستگی از آنجا گسترش یابد. در تست کششهای چرخهای روی الیاف کولار {16} دیده شده که ضایعه فقط وقتی اتفاق میافتد که بار حداکثر در بازهای مشابه با بار بیشینه در آزمایشات کششی باشد؛ در حالی که شکاف های محور (طولی) خیلی طویلترند. در لیفی که تحت 90 درصد از بار پارگی قرارگرفته و 285 هزار بارگذاری را تحمل کرده است، گسست در طولی به اندازة 6 میلیمتر گسترش مییابد یعنی حدود 485 برابر قطر لیف . به منظور ضبط تصویر متحرک از لحظة پارگی لیف ، لازم است دنباله ای از تصاویر SEM به طول 3 متر به هم چسبانده شود. انواع مختلفی از شکافتگی تاکنون مشاهده گردیده است مثل شکافتی که بدون ایجاد پارگی و جدا شدن پوستة لیف به دو انتهای لیف میرسد. در بیشتر الیاف HM- HT ، گسیختگی ناشی از خزش (خستگی ایستا ) مشکل محسوب نمی شود مگر آنکه با خوردگی ناشی از تنش ، آنطور که در الیاف شیشه روی میدهد ، همراه گردد. الیاف آرامید نیز خزش را از خود نشان دادهاند اما یک سفتی ساختار تحت تنشهای پایین در آن بوجود میآید و سبب میشود گسیختگی ناشی از خزش درمورد آن اتفاق نافتد . الیاف HMPE یک استثناء مهم است .آنطور که توسط رنکر و مازور [17] بیان شده است، نقایص بلور به مولکولهای پلیاتیلن اجازه میدهد که نزدیک سایر مولکولها حرکت کنند. بیشتر از بار معینی در مورد هر لیف HMPE ، خزش با سرعت ثابتی ادامه مییابد . سرعت خزش پلِیتی با افزایش دما و کشش، افزایش مییابد . گسیختگی ناشی از خزش عاملی است که در هنگام استفاده ار الیاف HMPE تحت کشش زیاد و در مدت های طولانی و بویژه در دماهای بالاتر، باید به حساب آورده شود. نوعاً سرعت خزش پلیتی (مسطح) در 50 درجه سانتیگراد 100 برابر بزرگتر از مقدار آن در 20 درجه سانتیگراد است. [13]
نخستین لیف HMPE که به بازار آمد اسپکترا 900 بود که سرعت خزش بالایی داشت و در مدت زمان کوتاهی و حتی در بارگذاری های متوسط دچار گسیختگی میشد. الیاف اسپکترا 1000 که در سال 1985 تولید شد از لحاظ خصوصیات خزشی بهبود یافته بود. سایر الیاف HMPE به روشهایی کمی متفاوت تولید شدند و خزش کمتری از خود نشان دادند. در یک دسته آزمایشات [13] در کمتر از 15 درصد بار پارگی، لیف اسپکترا 900 بین 10 تا 100 روز به مقدار 13 درصد خزش داشت. در حالی که این مقدار برای اسپکترا 1000 و داینیما SK60 ، به ترتیب 3/6 و 47 / 0 درصد اندازهگیری شد. در بارگذاری 30 درصد از بار پارگی ، اسپکترا ی 1000 و داینیما SK60 به ترتیب 28 و 123 روز دوام آوردند.
درمورد تأثیرات فشردگی و خمش پیشتر بحث شد. الیاف شکننده ، حتی هنگامی که تحت نیروی ضعیف خمش واقع میشوند دچار گسیختگی میگردند. پلیمرهای خطی آرایش یافته میتوانند شدیداً خم شوند اما اگر در معرض تابخوردگیهای سخت و مکرر واقع شوند در اثر خستگی خمشی دچار گسست می شود. در پلیمرهای خطی آرایشیافته دارای پیوندهای 3 بعدی ، سایش سطحی مشکل بزرگتری است زیرا با توجه به ضعف پیوندهای عرضی ، سایش سطحی باعث جدا شدن لایه های قشری الیاف می شود.
1-4جنبه اقتصادی
1-4-1 بازارهای فروش الیاف
در دهة 1950 میلادی ، نایلون و پلی استر الیاف جدید شگفتی ساز بودند و چندین برابر قیمت پنبه و پشم ، در بازارهای به شدت درحال رشد به فروش میرسیدند. این امر،تولید کنندگان الیاف را قادر ساخت تا هزینه تحقیقاتوتوسعه ( R&D) را تامین نمایند و به کسب سود بالایی بپردازند که البته بیشتر صرف تحقیقات افزونتر در زمینه الیاف از قبیل توسعه نسل دوم از الیاف مصنوعی فوق کارا میشد. امروزه پلی استر از پنبه ارزانتر است و تبدیل به لیفی جهت مصارف عمومی شده است. هردو لیف نایلون و پلیاستر در مقادیر بالایی توسط بسیاری از شرکتها تولید میشوند. لذا قیمتگذاری این الیاف منعکسکننده هزینه های واقعی تولید و در شرایط بدتر، هزینههای حاشیهای است. ارقام مربوط به درآمد تولید و فروش درکتابهایی چون «fiber organon »و نیز در گزارشات اختصاصی مشاوران منتشر می شود. در مورد الیاف فوق کارا ، هم در ماهیت و هم در کسب اطلاعت اقتصادی وضعیت دشوارتری وجود دارد.
هنگامی که دوپونت و سایر شرکتها شروع به تحقیقاتی کردند که نهایتا به الیاف کولارا انجامید، چشمانشان به دنبال یک بازار بزرگ نخ تایر بود. در سال 1960، بجای پنبه از ریون و بعد ها نایلون در رقابت با ریون بعنوان نخ تایر استفاده شد چرا که استحکام این الیاف افزایش یافته بود و پلیاستر نیز در این عرصه رقیب می طلبید. هر افزایشی در استحکام الیاف باعث میشد که به مقدار کمتری از الیاف در تایر نیاز باشد. متاسفانه این موضوع هنگامی که استحکام نایلون به دو برابر رسید ادامه نیافت. کاهش مقدار لیف در تایر به این معنی است که نخها باریکتر شده و از هم فاصله میگیرند. سرانجام این موضوع به یک عامل محدود کننده تبدیل شد نه افزاینده استحکام . در نتیجه ، الیاف کولار و الیاف مشابه آن هیچگاه نتوانستند در بازار تایر خودروهای مسافرتی و وسایل نقلیه تجاری نفوذ کنند. در آن هنگام مفتول های فولادی به رقیبی برای نخهای قبلی تبدیل شد. الیاف فوق کارا تنها جهت اهداف خاص مثل خودروهای مسابقه و ماشینهای سنگین بکار گرفته شدند. با یک استثناء ، تمام الیاف فوق کارا از هر نوع در مقادیر نسبتاً کم و توسط کارخانجات محدودی تولید میشوند و در مواردی که خواص برجستة آنها قیمت بالایشان را توجیه نماید بازارهای ویژه ای را پیداکرده اند. کاربردهای این الیاف در بخش دیگری از این کتاب توضیح داده شده است. استثناء مذکور هم لیف شیشه است. الیاف شیشة E-glass در مقادیر زیاد تولید شده و جهت استفاده در "پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه" موسوم به GFRP به فروش بالایی دست یافت. GFRP که بعنوان یک کامپوزیت پیشرفته شناخته شده است، معمولاً از وجود الیاف پلیمری HM-HT و همچنین الیاف سرامیک ، در ساختار خود بهره میبرد. همانطورکه در بخش 6-2-1 آمده است، حتی در خود مجموعة الیاف شیشه ، الیاف شیشة R و S نیز الیاف گرانقیمتی جهت تولید محسوب میشوند و لذا مصرفشان تنها به بازارهای کوچک برای تولید کامپوزیتهای پیشرفته محدود میگردد.
1-4-2 تولید
الیاف پلی استر و نایلون از طریق فرایندهای پلیمریزاسیون(بسپارش) سادهای از مواد شیمیایی ارزانقیمت تولید میشوند و با سرعت بالغ بر m/min5000 قابلیت ذوبریسی دارند. تولید کنندگان عمده از روش پلیمریزاسیون مداوم استفاده میکنند که در آن پلیمر تولید شده مستقیماً به ذوب ریسی فرستاده میشود. البته این تولید کنندگان چیپس های پلیمری را نیز در بازار جهت مصرف تولیدکنندگان کوچکتر تامین میکنند حتی جدای از پیامدهای تولید کم حجم ، تمام الیاف فوق کارا، بجز در مورد الیاف کشیده شده در حالت مذاب E-glass ، هزینههای تولید بالاتری چه در روش یکسان تولید و غیر آن نسبت به نایلون و پلیاستر دارند.
تقریبا تمام پلیمرهایی که در این کتاب جهت تولید الیاف تشریح شدهاند، چه الیاف HM-HT و چه الیاف مقاوم حرارتی یا شیمیایی ، پیچیدهتر ،گرانتر در ساخت و گاهی غیر قابل دسترسی در بازار هستند. گاهی اوقات سایر کاربردها به کمک میآیند: الیاف وکترن و PEEK اگر بازاری در زمینه کاربردشان در پلاستیکها نباشد احتمالا به عنوان لیف تولید نمیشوند. یک مورد استثنایی که در آن از یک پلیمر ارزان قیمت استفاده میشود HMPE است. الیاف پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا به راحتی در بازار قابل دسترسی است. بسیاری از الیاف کربن موجود ، از الیاف پلی اکریلونیتریل(PAN) ساخته میشوند. در نساجی الیاف PAN هزینه تولید بالاتر و نیز قیمت گرانتری نسبت به نایلون و پلیاستر دارند. انواع ویژهای از PAN در تولید الیاف کربن بکار میرود. برای این منظور ، قیر بعنوان ماده خام به صرفهتر است. اما انجام فرایند روی الیاف تازه ریسیده شدة قیر دشوارتر است. همچنین تولید الیاف سرامیک هم به مواد غیرآلی گرانقیمت و هم به محلول پلیمری گران جهت تولید الیاف پیش هادی نیاز دارد. فرایند ترریسی که برای تولید پیش هادیهای سرامیک و بسیاری از الیاف مقاوم شیمیایی و حرارتی بکار میرود نسبت به ذوب ریسی ، کندتر و گرانتر است. هنگامی که اسید سولفوریک یا فسفریک برای الیاف آرامیدی یا الیاف مشابه آن بکار رود، هزینهها باز هم بالاتر خواهد بود.
ضرورتاً ژل ریسی هم فرایند بازیابی حلال را میطلبد و از طرفی یک فرایند کم سرعت است. در یک اختراع سرعت ریسندگی لیفی مثل spectra 900 کمتر از 50 متر بر دقیقه عنوان شده است.غالبا فرایند های بیشتری ضروری است. عملیات حرارتی کشش مدول بالاتری را برای الیاف آرامید و سایر الیاف مشابه نتیجه میدهد. بهای افزودة تولید الیاف وکترن از طریق ذوبریسی، بواسطة نیاز به حرارت دهی آرام ثانویه جهت بالا بردن وزن پلیمریزاسیون فاز جامد سر به سر می شود. پتنت ژل ریسی [18] انجام عملیات حرارتی بیشتر را در نزدیکی نقطة ذوب و تحت کشش سرعتی کمتر از 20 متر بر دقیقه را توضیح میدهد. به منظور تولید الیاف بهبود یافته مثل spectra 1000 ، فرایند تولید الیاف کربن دارای دو مرحله عملیات حرارتی است. در مرحلة دوم آن دما به 2000 درجه سانتی گراد یا بالاتر میرسد. مدت ماندگاری لیف در منابع علمی، ساعتها نقل شده است. به طور مشابه الیاف پیش هادی سرامیک میبایست در دمای بالا به آهستگی حرارت داده شود.
مسلماً مقیاس تولید الیاف عامل مهمی در هزینههای تولید است و در این میان الیاف فوق کارا تفاوت عمده را با الیاف مورد استفاده در مصارف معمولی نظیر پلیاستر دارند، برخی از این الیاف هنوز در مقیاس آزمایشگاهی در مراکز تحقیق و توسعه( R&D ) تولید میشوند چرا که شرکتها اطمینانی به رشد بازار فروش آنها ندارند و لذا تمایلی به تولید آنها در مقیاس واقعی از خودشان نشان نمی دهند.
جدول 1-2 قیمت الیاف(از منابع مختلف)، بجز مواردیکه به طریقه دیگر معلوم شده، مقادیر داده شده قیمتهای اولیه مربوط به نخ ضخیم یا نیمچه نخ است . دنیرهای کمتر و درجههای خاص گرانتر از موارد ذکر شده اند.تولید امری بجاست، هزینه ظرفیت روبه افزایش روی فرآیند تصمیمگیری تأثیر میگذارد. هر چند ممکن است تولید از ناحیه سرمایه گذاری روی تأسیسات فعلی سود مناسبی را برای کسانی که در سالهای اخیر متحمل این هزینه ها شدهاند در پی داشته باشد ولی این امکان وجود دارد که سرمایه گذاری روی طرح های تولیدی جدید عایدات مناسبی دربر نداشته باشد. در این رابطه الیاف HMPE موقعیت مناسبتری دارند زیرا پلیمر آن به وفور موجود است و واحدهای تولید آن نیز نسبتاً کوچکند. تولید الیاف آرامید نیاز به سرمایهگذاری عظیمی در بخش پلیمریزاسیون و نیز در واحدهای تولید اقتصادی دارد. نهایتاً با این تصمیم دشوار مواجه میشویم که آیا بهتر است تولید را محدود نموده و بهای بالایی را برای محصولات در بازارهای تخصصی تعیین کنیم و یا اینکه حجم تولید بالاتر با قیمت های پایین تر را برگزینیم.
1-4-3 قیمت ها و تولید
طبیعتاً هزینههای تولید جزء اطلاعات خصوصی تولیدکنندگان است. در مقابل قیمتها میبایست برای مشتریان آشکار باشد. با این وجود معمولاً یافتن اطلاعات موجود دراین زمینه دشوار است. به علاوه اینکه، دنیرهای مختلف از نخ و الیاف و نیز درجههای مختلف از یک نوع، قیمتهای مختلفی خواهند داشت. هرگاه یک تولیدکننده مایل به ایجاد توسعه در یک بازار خاص باشد، قیمتها پایین خواهد آمد و در مقابل ، هرگاه حجم تقاضا بر ظرفیت تولید پیشی گیرد قیمتها بالا خواهد رفت. منابع تولید بیشتر الیاف محدود است. لذا بازار رقابتی آزادی در این زمینه وجود ندارد و این امر سبب می گردد که دامنه وسیعی از قیمت ها گزارش شود: یک منبع برای الیاف کربن به شکل tow سنگین و درجه پایین قیمت 18 دلار امریکا در هر کیلوگرم و برای الیاف کربن به شکل tow ظریف و از درجه مرغوب، 1000 دلار آمریکا در هر کیلوگرم را قیمت گذاری نموده است.
جدول 1-2 که حاوی اطلاعاتی از منابع مختلف است، یک نمای کلی را از قیمتهای نسبی در بازار الیاف فوق کارا به دست میدهد.
بدست آوردن تخمینهای صحیح در مورد تولید الیاف فوق کارا امر دشواری است. الیاف پلیاستر رایج در نساجی و کاربردهای فنی، تولید جهانی در مقیاس دهها میلیون تن در هر سال پیدا کرده است. الیاف شیشه نیز در حجم بالایی در جهان که به 3 میلیون تن در هر سال میرسد، در حال تولید است. سایر الیاف فوق کارا که بیشترمورد استفاده قرار میگیرند، حجم تولیدی در حد دهها هزار تن در سال و آنهایی که جدیدتر هستند، تولید صدها تن در سال یا کمتر را به خود اختصاص داده اند
بازده اقتصادی (1) برای فناوری های پیشرفته می تواند براساس هزینه های صرف شده دارای سطوح زیر باشد:
1- تحقیقات علمی و مهندسی و زیر بنایی از طریقر سرمایه گذاری عمومی و غیره ..
2- مطالعات علمی و مهندسی مستقیم مثلاً توسط ارگانهای دفاعی
3- فعالیت تحقیق و توسعه تکنولوژیکی خاص توسط شرکت های پیشرو
4- هزینة سرمایة ایجاد تأسیسات و زیر ساخت های تجاری
5- هزینه های عملیاتی ( اجرایی )
در نسل اول الیاف مصنوعی، خصوصاً پلی استر و نایلون، هنگامی که هزینه ها در تمام سطوح فوق جمع بندی شد، بر سر مقدار بازدهی اقتصادی آنها کمی تردید وجود داشت. در دهة 1960 سطح بالایی با میزان سوددهی شرکتهای تولیدکننده الیاف انطباق پیدا کرد. در پایان قرن بیستم، هر چند بازار خیلی رقابتی تر شد، اما با این حال، تولید الیاف به منبعی پر سود برای بسیاری از شرکتها مبدّل شده بود. البته در این میان ، تعداد کمی از شرکتهایی که وارد این صنعت شده بودند، ولو اینکه دیر از صحنه رقابت خارج شدند اما به هر حال در سرمایه گذاری خود دچار زیان گشتند.
برای نسل دوم الیاف فوق کارا، موقعیت متفاوت بود. دو سطح فوقانی از سرمایهگذاری عمومی در محاسبات تجاری وارد نشد. علم زیر بنایی میتواند به عنوان بخشی از داراییهای عمومی تلقی گردد و منافع همگانی زیادی به همراه دارد. به عنوان مثال حلقه اتصال به تحصیلات بالاتر است. صرف هزینه دفاعی، در زمینههای دیگری توجیه شده است و تاکنون منجر به صرف هزینههای بالا در زمینه الیاف پیشرفته جهت استفاده در کامپوزیتهای سبک وزن برای کاربردهای هواوفضا شده است. این هزینهها محل اشتراک با دسته سوم یعنی تحقیقات شرکتی است. بعنوان مثال ، در تحقیقات قرارداد شده با شرکت های « دو پونت» و« دو » جهت توسعه الیاف PBO، مطالعات زیربنایی در آزمایشگاههای نیروی هوایی ایالات متحده انجام شد. حسابداری تجاری که به سهم سهامداران ارتباط دارد، فقط به صرف سرمایههای شرکت در دسته سوم تا پنجم مربوط میگردد. واضح است که بسیاری از شرکتها از سرمایهگذاری خود سود نمیبرند چرا که هیچگاه به محصولات خود جنبه تجاری نمیدهند و در نتیجه از عرصه بازار حذف میشوند. شاید درست نباشد که نام ببریم زیرا خیلی از الیاف و بسیاری از شرکتها در این موقعیت هستند اما برای روشن شدن وضعیت میتوان به شرکت مونسانتو با الیاف آروماتیکش اشاره کرد. همچنین شرکت کلانس با الیاف ذوبریسی شده سرترن و الیاف کشیده شده PE (پلیاتیلن)، شرکت کورتاولدز با الیاف کربن و شرکت دو پونت با الیاف آلومینا FP . هر جا شرکتها به تولید و فروش ادامه میدهند، این شک و تردید وجود دارد که آیا عواید حامل از الیاف فوق کارا با هزینههای ایجاد و توسعه انطباق دارد یا نه؟ تولید الیاف در کارخانههای موجود یقیناً باعث تداوم در عرصة بازارهای خاص میشود. سؤالات مهمتر برای آینده این است که آیا سود پیشبینی شده در سرمایهگذاری برای توجیه ایجاد تاسیسات و کارخانجات جدید کفایت میکند؟ و آیا اطمینان کافی در مورد وجود تقاضا برای الیاف فوق کارا در آینده وجود دارد؟
همچنین در رابطه با پیشرفتهای فنی که ممکن است برای توجیه هزینه تحقیق به وقوع پیوندد، چطور؟ دفتر پرسشهای فنی– اقتصادی مفتوح می ماند : آیا الیاف فوق کارا به حجمهای کم و قیمت بالای کاربردها محدود میشوند ؟ اگر مصرف الیاف باعث نگهداری و افزایش عمر وسایل و تجهیزات پزشکی شود ؛ به پیروزی در یک رخداد ورزشی بزرگ کمک کند، یا قابلیت های نظامی ایجاد نماید، آنگاه قیمت تقریباً چیز نامربوطی خواهد بود، آیا در اینجا مصارف با حجم بالا، با وجود آنکه قیمتها نیز بالاست، شکل میگیرد؟ آیا هنگامی که برای یک سیستم کامل تولید هزینه میشود، رابطة منطقی هزینه سود برقرار خواهد بود؟ بعنوان مثال، تخمین زده میشود که در ازای 100 کیلوگرم کاهش وزن در یک هواپیما، هزینه سوخت آن 2000 دلار در هر سال کاهش یافته و طول مسیر پرواز نیز 100 کیلومتر افزایش مییابد. [ 19 ]. آیا راههایی برای تولید با هزینه کمتر یافته خواهد شد که به تولید محصول قابل رقابت در بازار پرحجم منسوجات فنی بیانجامد؟ در اینجا، استحکام و سختی نسبتاً بالا و هزینه پایین تولید پلیاستر یک چالش است، اگر چه آن نیز بخصوص در مورد کاربردهایی مثل بارگذاری شدید در تایرهای فوق کارا و یا مصرف در شرایط ناسازگار، ضعف هایی دارد.
صرفنظر از دور نماهای ترسیم شده برای این صنعت خاص، یک پرسش کلی در مورد نحوة برخورد با ریسک وجود دارد. بسیاری از شرکت ها محاسبات دقیقی روی هزینههای بالقوه را نیز مورد ارزیابی قرار دادهاند. اما دادههای ورودی نامطمئن است و می تواند منجر به یک تفسیر خوشبینانه و یا بدبینانه شود. در یک تعبیر، برخورد زورمندانه تری به نقل از سوهیروهوندا بنیان گذار ژاپنی کارخانجات خودرو آمده است:
« برای من، موفقیت، تنها می تواند از خلال شکست و درون نگری حاصل شود.در واقع، موفقیت از یک درصد کار شما نتیجه می شود که آن هم فقط از 99 درصد آنچه شکست نامیده میشود، نتیجه میگردد.»
پایان