الأداء الميكانيكي وترتيب TOPSIS المستند إلى بايثون لمركبات إيبوكسي هجينة من كيفلار/بازلتي/إس-جلاس محشوة بالكربون لتطبيقات هياكل السيارات

أجزاء سيارة أقوى وأخف وزناً

من المتوقع أن تكون السيارات الحديثة أخف وزناً لتوفير الوقود أو طاقة البطارية، وفي الوقت نفسه متينة بما يكفي لحماية الركاب عند التصادم. تستكشف هذه الدراسة وصفة جديدة لمواد جسم السيارة قد تساهم في تحقيق الهدفين معاً. بدلاً من استخدام صفائح معدنية تقليدية، يجمع الباحثون عدة ألياف عالية الأداء وكمية صغيرة من مسحوق الكربون داخل مادة رابطة بلاستيكية، مكوِّنين مادة بطبقات مخصصة لأجزاء مثل ألواح السقف وغيرها من القطع الحاملة للهيكل.

بناء نوع جديد من الألواح

عمل الفريق مع راتنج إيبوكسي، وهو بوليمر قوي مألوف، وعزَّزوه بثلاثة ألياف متقدمة: كيفلار، بازلت، وS‑glass. يُعرف كيفلار من دروع الجسم بصلابته، والبازلت مشتق من الصخور البركانية ويُضفي قوة ومقاومة للحرارة، وS‑glass هو نوع خاص من ألياف الزجاج يتميز بصلابة وقوة أعلى من الألياف الزجاجية العادية. بالإضافة إلى ذلك، أُضيف 10% بالوزن من مسحوق الكربون الناعم، الذي يعمل كحبيبات دقيقة تشبه الحصى في الخرسانة، مما يساعد المادة على مقاومة التآكل وتلف السطح.

ألياف فردية مقابل ترتيب ذكي للطبقات

بدلاً من الاعتماد على نوع ألياف واحد فقط، قارن الباحثون بين سبعة تخطيطات مادية مختلفة: ثلاث تخطيطات بألياف مفردة، ثلاث تجمع بين ليفين، وتخطيط واحد يجمع الثلاثة معاً. استخدم كل تصميم ست طبقات من النسيج المنسوج مكدسة بتتابع مخطط بعناية وصُنعت بطريقة فردية بالترتيب باليد، على غرار بناء صفائح نسيج مشبعة بالراتنج. عبر تغيير ترتيب الطبقات، تمكنوا من ضبط كيفية تعامل المادة مع الشد والانحناء والاصطدامات المفاجئة والغرز السطحية، وهي احتياجات أساسية لقطع تشكل الغلاف الخارجي للسيارة.

تعريض المواد للاختبارات

خضعت جميع النسخ لاختبارات ميكانيكية قياسية. اختبارات الشد سحبت الشريط حتى الكسر لقياس مقاومة الشد. اختبارات الانحناء ثنَت العينات كما لو كانت لوح غطس لتحديد الحمولة التي يمكنها تحملها عند الانحناء. اختبارات الصدم ضربت عينات مشطوبة بمطرقة متأرجحة لقياس مقدار الطاقة التي تمتصها قبل التشقق. اختبارات الصلابة ضغطت كرة فولاذية على السطح لتقييم مقاومة المادة للخدوش والتجاعيد. على الصعيد العام، برزت الطبقة الثلاثية الهجينة التي جمعت البازلت والكيفلار وS‑glass مع مسحوق الكربون في الصدارة: فقد سجلت أعلى مقاومة في الشد والانحناء، وامتصت أكبر طاقة صدمية، وأظهرت أصلب سطح.

السماح للكمبيوتر بترتيب الفائزين

وبما أن قطع السيارة يجب أن تفي بالعديد من المتطلبات في آنٍ واحد، لم يرغب الفريق في اختيار "الأفضل" بناءً على رقم واحد فقط. استخدموا طريقة صنع القرار المسماة TOPSIS، والمكتوبة بلغة بايثون، لوزن الخصائص الأربع معاً. اعتُبرت كل من التصاميم السبعة خياراً، وقارن البرنامج بينها وبين تركيبة مثالية من قوة عالية، ومقاومة صدمة عالية، وصلابة سطح عالية. ظهرت المادة الثلاثية الهجينة مرة أخرى كالفائز الواضح، بينما حلّت نسخة الكيفلار وحدها في المرتبة الأخيرة، مما يدل على أن مزج الألياف قد يكون أكثر فعالية من الاعتماد على مادة أحادية بطل.

ماذا يعني هذا لمستقبل المركبات

بالنسبة للقارئ العام، الرسالة بسيطة: عبر ترتيب الألياف القوية بمهارة ورش مسحوق الكربون، يمكن للمهندسين ابتكار ألواح أخف من المعدن وفي نفس الوقت أفضل في تحمل الأحمال، ومقاومة الخدوش، وامتصاص الصدمات. المركب البازلت–كيفلار–S‑glass المحدد هنا يمتلك المزيج المناسب من الصلابة والليونة والمتانة السطحية ليكون مرشحاً قوياً لألواح السقف والقطع الحاملة للأحمال في الجيل القادم من السيارات. بينما هناك حاجة لمزيد من العمل لدراسة الشيخوخة الطويلة الأمد والظروف الواقعية، تُظهر هذه الدراسة مساراً واعداً نحو سيارات أكثر أماناً وكفاءة في استهلاك الطاقة.

الاستشهاد: Mohammed, R., Shaik, A.S., L. L. S, M. et al. Mechanical performance and python-based TOPSIS ranking of carbon-filled Kevlar/Basalt/S-glass hybrid epoxy composites for automotive structural applications. Sci Rep 16, 12228 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44376-w

الكلمات المفتاحية: المركبات الهجينة, مواد سيارات خفيفة الوزن, كيفلار بازلت إس-جلاس, إيبوكسي محشو بالكربون, تصنيف المواد متعدد المعايير