دسته‌بندی نشده

آشنایی با الیاف کربن

آشنایی-با-الیاف-کربن

الیاف کربن یکی از مهمترین اعضای خانواده الیاف پیشرفته است که خواصی نظیر استحکام بسیار بالا (باتوجه به نوع الیاف بین 7 تا 10 برابر فولاد)، چگالی پایین (حدود 70 درصد آلومینیوم)، رسانایی الکتریکی بسیار خوب ، قابلیت بافت و تولید پارچه ، ساخت کامپوزیت های سبک و مستحکم و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می سازد.

الیاف کربن با توجه به خواص فوق العاده مکانیکی ، حرارتی و الکتریکی از کاربردهای متنوعی برخوردار است و حجم بسیار زیادی از تولید جهانی آن به صورت کامپوزیت (مواد مستحکم شده پلیمری با الیاف و یا منسوجات) مورد استفاده قرار می گیرد.

 

انواع الیاف کربن

الیاف کربن را می توان براساس تعداد فیلامنت، مدول یانگ، استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی به گروه های مختلفی دسته بندی کرد .

 

دسته بندی براساس تعداد فیلامنت:

  • دسته الیاف کمتر از 24000 فیلامنت که اصطلاحا” توو TOW سبک یا کوچک نامیده می شوند.
  • دسته الیاف بیشتر از 24000 فیلامنت که اصطلاحا” توو سنگین یا بزرگ نامیده می شوند.

 

دسته بندی براساس خصوصیات فیزیکی:

  • الیاف کربن با مدول یانگ بسیار بالا ؛ بیشتر از 450 گیگا پاسکال.
  • الیاف کربن با مدول یانگ بالا؛بین 350 تا 450 گیگا پاسکال.
  • الیاف کربن با مدول یانگ متوسط بین 250 تا 350 گیگا پاسکال
  • الیاف کربن با استحکام کششی بالا و مدول یانگ پایین؛ استحکام کششی بیش از 3 گیگا پاسکال و مدول یانگ کم تر از 200
  • الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا؛ بیشتر از 5 گیگا پاسکال

دسته بندی براساس نوع پیش زمینه:

  • الیاف کربن با پیش زمینه الیاف اکریلیک (پلی اکریلونیتریل)
  • الیاف کربن با پیش زمینه قیر صنعتی
  • الیاف کربن با پیش زمینه قیر مزو فاز
  • الیاف کربن با پیس زمینه قیر ایزوتروپیک
  • الیاف کربن با پیش زمینه الیاف ویسکوز ریون(ابریشم مصنوعی)
  • الیاف کربن با پیش زمینه فاز گازی

 

دسته بندی براساس دمای نهایی عملیات حرارتی:

  • الیاف نوع 1، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 2000درجه سانتی گراد؛ الیاف HM
  • الیاف نوع 2، دمای عملیات حرارتی حدود 1500 درجه سانتی گراد؛ الیاف HS
  • الیاف نوع 3، دمای عملیات حرارتی کمتر یا حدود 1000 درجه سانتی گراد؛ الیاف با استحکام پایین

 

 

کاربرد الیاف کربن

در دهه های اخیر، الیاف کربن به صورت لیفی، نخ و یا پارچه در موارد غیر نظامی بسیاری، همچون هواپیماهای مسافربری و باربری (ایرباس A350 و بوئینگ 787) ، خودروسازی، ساخت قطعات صنعتی، صنایع پزشکی، صنایع تفریحی و ورزشی و بسیاری موارد دیگر کاربردهای روز افزونی یافته است. الیاف کربن کامپوزیت های با زمینه سبک مانند انواع رزین ها به کار میرود.

کامپوزیت های الیاف کربن در مواردی که اسحکام و سختی بالا به همراه وزن کم و ویژگی های استثنایی مقاومت به خوردگی مدنظر باشند، بهترین گزینه است. همچنین هنگامی که مقاومت مکانیکی در دمای بالا ، خنثی بودن از لحاظ شیمیایی و ویژگی ضربه پذیری بالا نیز انتظار برود، باز هم کامپوزیت های کربنی بهترین گزینه هستند. با توجه به این ویژگی ها، پهنای گسترده موارد کاربرد این ماده در گستره های گوناگون فن آوری به سادگی قابل تصور است.

خواص مکانیکی بالا، مقاومت مکانیکی و مدول بالا، مقاومت در برابر اصطحکاک و دمای بالا، دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعه ایکس از بارزترین خصوصیات الیاف کربن به شمار می رود. به همین دلیل الیاف کربن در تکنولوژی های نوین پیشتاز می باشد. به جرات میتوان تمام پیشرفتهای بشر در صنایعی نظیر هوافضا، خودرو و محصولات ورزشی و صنایع دیگر را مرهون خواص بی نظیر این محصول دانست.

 

صنعت حمل و نقل

مخزن گاز مایع خودرو ها، قطعات موتور، کمک فنر، شفت های انتقال نیرو، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز، بدنه ماشین های مسابقه، بدنه کشتی ها، فنرهای لول و…

 

صنایع ساختمانی و معماری

مواد ساختاری پل ها، پل های جمع شونده، تقویت کننده بتن های با مقاومت بالا، سازه های باربر، دیوارهای جداکننده، سازه های پیش تنیده برای کمک به سازه های بتنی حمل بار استفاده در تعمیر ساختمانهای در حال تخریب، استفاده در جداره داخلی تونل ها برای جلوگیری از ریزش تونل، استفاده در رمپ ها برای جلوگیری از ریزش خاک و…

 

صنایع هواپیما سازی و هوافضا

سازه های داخلی کابین مسافرین اعم از پانل های جداره صندلی ها و میزها، پوشش ها، اجزای سازه ای ماهواره ها، لبه بال هواپیماهای جنگنده، نوک هواپیماهای مافوق صوت، نازل موشک های دوربرد، قطعات حساس موتور هواپیماها و…

 

صنایع پزشکی

ساخت استخوان مصنوعی، اجزای تجهیزات پروی ایکس، صندلی های چرخدار، انواع اجزای مصنوعی بدن برای معلولین، دریچه قلب و..

 

بخش انرژی

باتریهای سوختی، پره های توربین و پره های آسیاب های بادی برای تولید برق از انرژی باد و…

 

صنایع الکترونیک، تجهیزات الکتریکی و ماشین سازی

قاب رایانه های همراه، اجزای رایانه ها، بازوی ربات های صنعتی، چرخ دنده ها، غلتک ها، چرخ دنده های پرسرعت، قطعات خود روغنکاری شونده، آنتن ها، مواد عایق الکتریکی، مخازن تحت فشار، غلتک چاپرگرها، قاب تلفن های همراه و…

شاید یکی از مهمترین دلایل سرعت نفوذ کم استفاده از الیاف کربن در صنایع مختلف در طی دهه های گذشته قیمت این الیاف می باشد. به همین دلیل امروزه بیشترین توجه مراکز تحقیقاتی بر یافتن روشی جهت کاهش قیمت این الیاف متمرکز شده است. روشهای کاهش قیمت این الیاف را می توان در سه حوزه مورد بررسی قرار داد:

  • بهینه سازی شرایط تولید
  • بهینه سازی خصوصیات الیاف
  • بهینه سازی تجهیزات تولید

مسلما” پیشرفت در هر کدام از حوزه های فوق تاثیر بسیار مهمی در قیمت عرضه این الیاف خواهد داشت.

 

روش تولید الیاف کربن

الیاف کربن از طریق پیرولیز پیش زمینه های آلی که به شکل الیاف هستند، ساخته می شود. در واقع انجام عملیات حرارتی موجب حذف عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن و باقی ماندن به شکل الیاف می شود. در پژوهش هایی که بر روی الیاف کربن انجام شده،مشخص گردیده که ویژگی های مکانیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت گیری الیاف پیش زمینه و کاهش نواقص موجود در آنها، بهبود می یابد.

بهترین راه برای دستیابی به الیاف کربن با ویژگی های مناسب، استفاده از الیاف پیش زمینه با بیشترین مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدار سازی و کربونیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فرآیند است. الیاف اکریلیک به دلیل دارا بودن بیش از 55% کربن در ساختار خود یکی از بهترین پیش زمینه ها جهت تولید الیاف کربن می باشند.

تولید الیاف کربن از پیش زمینه الیاف پلی اکریلونیتریل دارای سه مرحله اساسی است:

1- مرحله پایدار سازی اکسیداسیونی: در این مرحله الیاف اکریلیک هم زمان با اعمال حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی 200 تا 300 درجه سانتیگراد قرار می گیرد. این عملیات پلی اکریلونیتریل را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می کند.

2-مرحله کربونیزاسیون: بعد از اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای 1000 درجه سانتیگراد در محیط خنثی (معمولا” نیتروژن) برای مدت چند ساعت، تحت عملیات حرارتی کبونیزاسیون قرار می گیرند. طی این فرآیند، عناصر غیرکربنی آزاد می شود و الیاف کربن با بالانس جرمی 50 درصد به نسبت الیاف اکریلیک اولیه به دست می آید.

3-مرحله گرافیتاسیون: با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب کشسانی و اعمال این مرحله در محدوده دمایی 1500 – 3000 درجه سانتیگراد ،موجب بهبود در  چه جهت گیری بلورهای کربنی در جهت الیاف و بنابراین باعث بهبود ویژگی ها می شود. تولید الیاف کربن از دیگر پیش زمینه ها نیز کمابیش دارای مراحل اصلی است.مشابه مراحل فوق است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *