الیاف کربن | هوافضای جوان

الیاف کربن

الیاف کربن یکی از مهم ترین اعضای خانواده الیاف پیشرفته است که خواصی نظیر استحکام بسیار بالا (با توجه به نوع الیاف بین ۷ تا ۱۰ برابر فولاد)، چگالی پایین (حدود ۷۰ 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 مورد استفاده قرار می گیرد.

تاریخچه

سابقه استفاده از الیاف کربن به دهه ۱۸۸۰ میلادی برمی گردد که برای اولین بار توماس ادیسون این الیاف را در لامپ های روشنایی مورد استفاده قرار داد. در آن زمان این الیاف را از کربونیزه کردن چوب بامبو و الیاف ریون تولید می کردند. شرکت های تورای اینداستریز، توهو تناکس و میتسوبیشی ریون اولین شرکتهایی بودند که تولید تجاری الیاف کربن را آغاز نمودند. در آغاز با توجه به حجم کم تولید، این الیاف بسیار گران قیمت بوده و تنها در کاربردهای بسیار ویژه ای مورد استفاده قرار می گرفتند، اما از دهه ۱۹۸۰ به بعد با آغاز تولید تجاری این الیاف در آمریکا و تعدادی از کشورهای اروپایی قیمت این الیاف نیز کاهش چشمگیری یافت و بازار استفاده از آن در کاربردهای مختلف گسترش بسیاری پیدا کرد. با توجه به آمار منتشر شده امروزه میزان تقاضای سالیانه جهت الیاف کربن در حدود ۵۰ هزار تن می باشد و پیش بینی می شود در طی چند سال آینده این میزان به حد ۷۰ هزار تن در سال نیز برسد.

الیاف کربن

روش تولید الیاف کربن

الیاف کربن از طریق پیرولیز (Pyrolysis) 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 کربن به شکل الیاف می شود. در پژوهش هایی که بر روی الیاف کربن انجام شده، مشخص گردیده که ویژگیهای 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 ویژگیهای مناسب، استفاده از الیاف پیش زمینه با بیشترین مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدارسازی و کربونیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فرآیند است. الیاف اکریلیک به دلیل دارا بودن بیش از ۵۵ درصد کربن در ساختار خود یکی از بهترین پیش زمینه ها جهت تولید الیاف کربن می باشند.

یک نمونه دستگاه خط تولید الیاف کربن

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

۱- مرحله پایدارسازی اکسیداسیونی: در این مرحله الیاف اکریلیک هم زمان با اعمال کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی گراد قرار می گیرد. این عملیات پلی اکریلونیتریل را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می کند.

۲- مرحله کربونیزاسیون (Carbonization): بعد از اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد در محیط خنثی (معمولا نیتروژن) برای مدت چند ساعت، تحت عملیات حرارتی کربونیزاسیون قرار می گیرند. طی این فرآیند، عناصر غیر کربنی آزاد می شود و الیاف کربن با بالانس جرمی ۵۰ درصد به نسبت الیاف اکریلیک اولیه به دست می آید.

۳- مرحله گرافیتاسیون (Graphitization): با توجه به نوع الیاف کربن موردنظر، از لحاظ ضریب کشسانی، اعمال این مرحله در محدوده دمایی ۱۵۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتی گراد، موجب بهبود درجه جهت گیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و بنابراین باعث بهبود ویژگی های آن می شود.

انواع الیاف کربن

الیاف کربن را می توان بر اساس تعداد فیلامنت(لیف) ، مدول یانگ، استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی به گروه های مختلفی دسته بندی کرد. دسته بندی بر اساس تعداد فیلامنت:

  • دسته الیاف کمتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که اصطلاحا توو (TOW) سبک یا کوچک نامیده می شوند.
  • دسته الیاف بیشتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که اصطلاحا توو سنگین یا بزرگ نامیده می شوند

دسته بندی بر اساس خصوصیات فیزیکی:

  • الیاف کربن با مدول یانگ بسیار بالا؛ بیشتر از ۴۵۰ گیگا پاسکال
  • الیاف کربن با مدل یانگ بالا؛ بین ۳۵۰ تا ۴۵۰ گیگا پاسکال
  •  الیاف کربن با مدول یانگ متوسط؛ بین ۲۵۰ تا ۳۵۰ گیگا پاسکال
  • الیاف کربن با استحکام کششی بالا و مدول یانگ پایین؛ استحکام کششی بیش از ۳ گیگا پاسکال و مدول یانگ کم تر از ۲۰۰
  • الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا، بیشتر از ۵ گیگا پاسکال

دسته بندی بر اساس نوع پیش زمینه:

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

دسته بندی بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی:

  • الیاف نوع ۱، دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتی گراد؛ الیافHM
  • الیاف نوع ۲، دمای عملیات حرارتی حدود ۱۵۰۰ درجه سانتی گراد، الیاف HS
  • الیاف نوع ۳، دمای عملیات حرارتی کمتر یا حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد؛ الیاف با استحکام پایین

کاربرد الیاف کربن

معمولا اغلب مواد پیشرفته در صنعت هوا و فضا متولد می شوند. در دهه های اخیر، الیاف کربن در موارد غیرنظامی بسیاری همچون هواپیماهای مسافربری و باربری (بطور گسترده در ایرباس A۳۵۰ و بوئینگ ۷۸۷)، خودروسازی، ساخت قطعات صنعتی، صنایع پزشکی، صنایع تفریحی ورزشی و بسیاری موارد دیگر کاربردهای روزافزونی یافته است. الیاف کربن در کامپوزیت های با زمینه سبک مانند انواع رزین ها به کار میرود. کامپوزیت های الیاف کربن در مواردی که استحکام و سختی بالا به همراه وزن کم و ویژگی های استثنایی مقاومت به خوردگی مد نظر باشد، بهترین گزینه هستند. 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 ویژگیها، پهنه گسترده موارد کاربرد این ماده در زمینه های گوناگون فن اوری به سادگی قابل تصور است.

خواص مکانیکی بالا، چگالی پایین، مقاومت مکانیکی و مدول الاستیسیته بالا، مقاومت در برابر اصطکاک 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 بوده و به جرات می توان تمام پیشرفتهای بشر در صنایعی نظیر هوافضا، خودرو و محصولات ورزشی و صنایع دیگر را مرهون خواص بی نظیر این محصول دانست. الیاف کربن در موارد صنعتی گوناگونی به کار می رود که از مهم ترین موارد آن می توان به کاربردهای زیر اشاره کرد:

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

جالب است بدانید یکی از دلایل رنگ آمیزی ایرباس A350 XWB به صورت طرح مشبک مشکی رنگ به دلیل ااستفاده از الیاف کربن در سازه آن و از جمله پوسته بدنه بوده است.

عملیات رشته پیچی پوسته کربنی ایرباس A350 XWB

سازه پوسته که بخشی از آن کربن است

هواپیمای ایرباس A350 XWB در فرودگاه مهرآباد

بدنه هواپیما ساخته شده از الیاف کربن

 

صنعت حمل و نقل: مخازن گاز مایع خودروها، قطعات موتور، کمک فنر، شفت های انتقال نیرو، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت های ترمز، بدنه ماشین های مسابقه ای، بدنه کشتی ها و …

بدنه خودرو ساخته شده از کامپوزیت الیاف کربن

عملیات رشته پیچی برای ساخت یک مخزن پرفشار

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، استفاده در تعمیر ساختمان های در حال تخریب، استفاده در جداره داخلی تونل ها برای جلوگیری از ریزش تونل، استفاده در رمپ ها برای جلوگیری از ریزش خاک و …

الیاف کربن در معماری

صنایع پزشکی: ساخت استخوان مصنوعی، اجزای تجهیزات پرتوی ایکس، صندلی های چرخدار، انواع اجزای مصنوعی بدن برای معلولین، دریچه قلب و …

تولید انرژی: باتری های سوختی، پره های توربین و پرههای آسیاب های بادی برای تولید برق از انرژی باد و …

صنایع الکترونیک: ساخت مدارها و بردهای الکترونیکی، قاب رایانه های همراه، اجزای با بازوی ربات های صنعتی، چرخ دنده ها، غلتک ها، چرخ دنده های پرسرعت، قطعات خود روغن کاری شونده، آنتن ها، مواد عایق الکتریکی، مخازن تحت فشار، غلتک چاپگرها،قاب تلفن های همراه و …

در بخش بعدی از این مبحث به توضیح الیاف آرامید،پلی اتیلن،خواهیم پرداخت.

منابع:

https://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_fibers


 

 

پاسخ دهید

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

لطفا معادله امنیتی را وارد کنید. * Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.