الیاف کربن

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
(تغییرمسیر از فیبر کربن)
پرش به: ناوبری، جستجو
پارچهٔ ساخته شده از الیاف کربن

الیاف کربن (Carbon Wrap) یکی از پرکاربردترین الیاف در صنعت است؛ و در تولید انواع کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود.

این الیاف ضریب الاستیک نسبتاً بالایی درمقایسه با الیاف شیشه و کولار دارد. ضریب انبساط گرمایی این نوع الیاف‌ها در دماهای متفاوت کم می‌باشد که این مسئله باعث پایداری اندازه الیاف‌های کربن در دماهای مختلف می‌گردد.

فیبر کربن عنصری با چگالی ۲٫۲۷g/cm3 است و اشکال بلوری مختلفی دارد. رشته الیاف کربن که از فیبرهای کربن تشکیل می‌گردد، به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری می‌باشند. علیرغم حجم بالای استفاده از آنها، قیمت الیاف کربن هنوز نسبتاً بالا است. این مسئله باعث محدودیت فروش الیاف کربن می‌گردد.

فیبر و الیاف کربن در مدول‌های الاستیسیته و مقاومتهای کششی مختلف و با بافتهای الیاف یک جهته و دو جهته برای تولید مصالح کامپوزیتی صنایع مختلف و مقاوم‌سازی انواع سازه‌های بتنی عرضه می‌گردند. با توجه به نیاز صنعتهای مختلف کشور ایران، الیاف کربن در طیف گسترده‌ای از انواع فیبر از ۳K تا ۵۰K و با وزنهای مختلف و عرضهای مختلف ارائه می‌شوند.

مزایای الیاف کربن[ویرایش]

  • نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن – مقاومت کششی بالا (مقاومت کششی فوق‌العاده نسبت به وزن آن (الیاف کربن تقریباً یک سوم فولاد وزن و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت دارد).)
  • نسبت بالای مدول کششی الاستیسیته به وزن
  • استحکام مناسب در برابر خستگی
  • ضریب انبساط حرارتی بسیار پائین (کامپوزیت‌های سبک و مستحکم و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می‌سازد)
  • قابلیت بافت و تولید پارچه
  • مقاومت بالا در برابر خوردگی (دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعهX از بارزترین خصوصیات الیاف کربن به شمار می‌رود)
نمونه از شکست فیبر کربن استفاده شده در شاتل فضایی ناسا شکست فیبر کربن به دلیل کرنش کشسانی پایین مانند مواد ترد می‌باشد و دچار تغییر شکل مانند فلزات نمی‌شود

معایب الیاف کربن[ویرایش]

  • کرنش گسیختگی بسیار کم و شکننده بودن
  • کربن هادی الکتریکی است. هدایت الکتریکی بالا ممکن است سبب ایجاد اتصالات کوتاه در قطعات غیر عایق الکتریکی گردد.
  • کرنش کم در لحظه شکست
  • قیمت بالا
  • مقاومت ضربه‌ای کم[۱]

فیبر الیاف کربن[ویرایش]

یک تار الیاف کربن ۶میکرونی در مقایسه با موی انسان

الیاف کربن معمولاً بر اساس تعداد فیلامنت، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، و دمای نهایی عملیات حرارتی دسته‌بندی می‌گردند.

الیاف کربن بر اساس تعداد فیلامنت[ویرایش]

  1. رشته الیاف کمتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که توو (TOW) کوچک یا سبک
  2. رشته الیاف بیشتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که اصطلاحاً توو بزرگ یا سنگین نامیده می‌شوند،

بر اساس ویژگی خواص مکانیکی[ویرایش]

  1. الیاف کربن به صورت فیبر کربن با مدول الاستیک بالا (۳۵۰–۴۵۰ GPa)
  2. الیاف کربن با مدول متوسط (۲۵۰–۳۵۰ GPa)
  3. الیاف کربن با مقاومت کششی گسیختگی بالا و مدول پایین (مقاومت کششی بیشتر از ۳۰۰۰ مگا پاسکال و مدول کمتر از ۲۰۰۰ گیگا پاسکال (مدول فولاد حدود ۲۰۰ گیگا پاسکال می‌باشد))

دسته‌بندی الیاف و فیبرهای کربن بر اساس مبنای کامپوزیت در نظر گرفته شده[ویرایش]

  • الیاف و فیبر کربن بر اساس مبنای زمینه به صورت فیبر کربن با مبنای الیاف اکریلیک (پلی اکریلونیتریل)،
  • فیبر کربن با مبنای قیر صنعتی، فیبر کربن با مبنای قیر مزو فاز، فیبر کربن با مبنای قیر ایزوتروپیک،
  • فیبر کربن با مبنای الیاف ویسکوز ریون (ابریشم مصنوعی)
  • فیبر کربن با مبنای فاز گازی

دسته‌بندی می‌شوند.

در مجموع در این حالت الیاف کربن را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد که عبارتند از[ویرایش]

  1. الیاف کربن با مبنای الیاف مصنوعی، که با نام شیمیایی پلی آکریلونیتریل (PAN) شناخته می‌شوند، مقاومت بسیار زیادی دارند ولی این نوع قیمت الیاف کربن گران است.
  2. الیاف کربن با مبنای قیری، که از تقطیر زغال سنگ به دست می‌آیند و از الیاف کربن PAN ارزان‌تر هستند؛ ولی مقاومت و مدول الاستیسیته کم‌تری دارند.

الیاف کربن بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی[ویرایش]

  1. الیاف MH (دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سلسیوس)؛
  2. الیاف SH (دمای حدود ۱۵۰۰ درجه)
  3. الیاف TH (دمای کمتر از ۱۰۰۰ درجه با استحکام پایین کاربرد)

کاربرد الیاف کربن[ویرایش]

الیاف کربن صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارند که عبارتند از:

کاربرد الیاف کربن در صنعت ساختمان[ویرایش]

مقاوم‌سازی ساختمان و تقویت سازه‌ها با الیاف کربن، ساخت صفحات، ورقها و لمینیت کربن، الیاف تقویت کننده بتن‌های مقاومت بالا، ساخت دیوارهای با مقاومت بالا و سبک کربنی، ساخت سازه‌های پس کششی و پیش تنیده کربنی در سازه‌های بتنی، استفاده در جداره داخلی تونل‌ها.[۲]

خودرو McLaren F1نخستین خودروی تولید شده می‌باشد که تمامی بدنه ان از جنس فیبر کربن است در سال ۱۹۹۶میلادی

کاربرد الیاف کربن در صنعت خودرو[ویرایش]

مخازن سوخت کربنی خودروها، ساخت سپرهای کربنی خودروها، شفت‌های انتقال نیرو، قطعات موتور، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز، بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی‌ها، فنرهای لول و…

در صنایع خودرو و به خصوص خودروهای مسابقه‌ای که حالت لوکس دارند هم قطعات کربنی مثل سپر و اسپویلر طرفداران زیادی پیدا کرده و حتی برخی خودروهای چند صد هزار دلاری با بدنه‌ای که بیشتر بخش‌هایش از فیبر کربن است، عرضه می‌شوند.

بدنه هواپیمای فوق پیشرفته B2 از جنس فیبر الیاف کربن می‌باشد.
این هواپیمای فین ایر که توسط کمپانی ایرباس ساخته شده است ۳۵درصد مواد مصرف شده در ان از جنس الیاف کربن می‌باشند.

فیبر کربن زیبایی خاص و دلفریبی دارد، اما گران است و شکننده. به همین علت است که در حال حاضر فلزات کاربرد خاص خودشان را حفظ کرده‌اند و در صورت نیاز و به تناسب هزینه، از کربن هم استفاده می‌شود.[۳]

کاربرد الیاف کربن در صنایع هوا فضا و هواپیما سازی[ویرایش]

اجزای سازه‌ای ماهواره‌ها، سازه‌های داخلی هواپیماهای مسافرین اعم از پنل صندلی‌های کربنی، میزهای کربنی و سایر پوشش‌های کربنی، نوک هواپیماهای مافوق صوت، قطعات حساس موتور هواپیماها و …

در صنایع هوایی وزن کم و استحکام بسیار بالای فیبر کربن هزینه‌ها را جبران کرده و کمپانی‌های بزرگ مثل بویینگ و ایرباس به وفور از کامپوزیت‌ها استفاده می‌کنند.

دم یک نوع بالگرد که از جنس پلیمر الیاف کربن ساخته شده است به دلیل استحکام بالا و سبکی بسیار نسبت به فلزات رایج

صرف‌نظر از هزینه، سختی بالای کربن به معنی شکنندگی آن است. در حقیقت موادی که حالت کریستالی دارند، تا حدی ترد و شکننده هستند و کربن هم از این قاعده مستثنی نیست. این شکنندگی گاهی دردسرساز می‌شود.

به عنوان مثال بویینگ در آن روزهای ابتدایی تولید بویینگ ۷۸۷ متوجه ترک‌هایی شد که در ابتدا به راحتی و مثل فلزات آشکار نبود. همین کشف ساده منجر به توقف تولید و تقویت مجدد پنل بال شد.[۴]

کاربرد الیاف کربن در صنایع پزشکی[ویرایش]

ساخت اجزای تجهیزات پزشکی کربنی، صندلی چرخدار کربنی، استخوان مصنوعی و انواع اجزای مصنوعی بدن و …

کاربرد الیاف کربن در بخش انرژی[ویرایش]

  • ساخت پره توربین‌های کربنی و آسیاب‌های بادی جهت تولید برق از انرژی باد، ساخت و تولید باتری‌های سوختی و…
  • کاربرد الیاف کربن در صنایع تجهیزات الکتریکی، الکترونیک و ماشین سازی
  • ساخت چرخ دنده‌های کربنی، غلتک‌های کربنی، چرخ دنده‌های پرسرعت کربنی، قطعات خود روغنکاری شونده، آنتن‌های کربنی، مخازن تحت فشار کربنی، قاب تلفن‌های همراه و …

یکی از مهمترین دلایل سرعت کم نفوذ فیبر کربن در صنایع مختلف، بالا بودن قیمت الیاف کربن می‌باشد. امروزه بیشترین توجه شرکت‌ها، بر روی روشی جهت کاهش قیمت الیاف کربن و ارتقاء فروش الیاف کربن متمرکز شده است.[۵]

شیوه‌های کاهش قیمت الیاف کربن در سه حوزه کاهش قیمت:

  1. شرایط تولید
  2. بهینه‌سازی خصوصیات الیاف
  3. کاهش قیمت تجهیزات
نمونه دیگری از کاربرد کامپوزیت کربن که با نام کولار معروف است و در صنایح تولیدی مختلفی کاربرد دارد از جمله کشتیرانی و صنایعی چون تولید دستکش‌های خاص و لباس‌های ضد حریق و…

قابل بررسی می‌باشد. پیشرفت در هر کدام از این حوزه‌ها، تأثیر بسیار مهمی در قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن خواهد داشت.[۶]

تاریخچه الیاف کربن[ویرایش]

الیاف کربن اولین بار توسط توماس ادیسون در دهه ۱۸۸۰ ثبت اختراع شد و تولید تجاری الیاف کربن امروزی نیز در کشور ژاپن از سال ۱۹۷۰ آغاز گردید. بعد از سال ۱۹۸۰ نیز تولید تجاری این الیاف در حجم انبوه در آمریکا و کشورهای اروپایی باعث کاهش قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن شد.[۷]

تولید فیبرهای کربن معمولاً با یک روش خاص و یکسان انحام نمی‌شود غالباً با توجه به نیاز و اندازه و تعداد قطعات بصورت موضعی فیبر کربن را تولید می‌کنند نه بصورت پروفیل‌های خام و تولید انبوه

روش تولید الیاف کربن[ویرایش]

الیاف کربن از طریق پیرولیز مبناهای آلی که به شکل الیاف هستند، تولید می‌گردند.

ویژگی فیزیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت گیری الیاف پیش زمینه یا مبنا و کاهش ضعف‌های موجود، بهبود می‌یابند. بدین ترتیب، مناسبترین روش در فرایند تولید الیاف کربن با ویژگی‌های مناسب، استفاده از الیاف مبنا با بیشترین مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدار سازی و کربونیزاسیون از طریق اعمال کشش می‌باشد. الیاف اکریلیک به دلیل داشتن بیش از ۵۵ درصد کربن در ساختار خود، یکی از بهترین پیش‌زمینه‌ها جهت تولید الیاف کربن می‌باشد.[۸]

تولید الیاف کربن بر مبنای الیاف پلی اکریلونیتریل[ویرایش]

شامل سه فاز زیر می‌باشد:

فاز پایدارسازی اکسیداسیونی[ویرایش]

در این مرحله الیاف اکریلیک همزمان با اعمال کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سلسیوس قرار می‌گیرد.

فاز کربونیزاسیون[ویرایش]

پس از فاز پایدارسازی اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس در محیط خنثی برای مدت چند ساعت، تحت عملیات حرارتی کربونیزاسیون قرار می‌گیرند.

فاز گرافیتاسیون[ویرایش]

با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب ارتجاعی و اعمال این مرحله در محدوده دمایی ۳۰۰۰ – ۱۵۰۰ درجه سلسیوس، موجب بهبود درجه جهتگیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و سایر ویژگی‌های مکانیکی می‌شود.

فرایند تولید الیاف کربن بر مبنای سایر پیش‌زمینه‌ها نیز، مشابه مراحل فوق است.

مشخصه‌های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاه‌های میکروسکوپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است. در الیاف کربن بر پایه پلی اکریلونیتریل، ساختار الیاف در طی عملیات پایدار سازی اکسیداسیونی و متعاقب آن کربونیزاسیون، از ساختار زنجیره‌ای خطی به ساختار صفحه‌ای تغییر می‌کند.

فیبر کربن استفاده شده در شاشی خودروها در این نمونه شاشی از جنس آلومینیوم است که با فیبر کربن تقویت شده است با اینکار می‌توان از خاصیت نرمی آلومینیوم استفاده کرد و تردی فیبر کربن را تا حدودی خنثی نمود

هر چه مقاومت کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد، مشخصات کششی الیاف کربن بدست آمده بیشتر خواهد شد. هرگاه مرحله پایدار سازی به شکلی مناسب صورت گیرد، مقاومت کششی و ضریب ارتجاعی با کربونیزاسیون تحت کشش، به مقدار بسیار زیادی در محصول الیاف کربنی نهایی بالا می‌رود. در مجموع مقاومت نهایی و گسیختگی الیاف کربن به نوع الیاف مبنای پیش زمینه، شرایط فرایند، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف، مرتبط است.[۹]

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]