الیاف کربن - معرفی یکی از کارآمدترین تولیدات کربنی
الیاف کربن یکی از پرکاربردترین الیاف در صنعت تولیدات کامپوزیت است. این الیاف ضریب الاستیک نسبتا بالایی در مقایسه با الیاف شیشه و کولار دارند و ضریب انبساط گرمایی الیاف در دماهای مختلف متفاوت است. این موضوع نیز خودش دلیلی است که باعث پایداری و ثبات در اندازه و طول الیاف کربن است.
فیبر کربن عنصری با چگالی ۲٫۲۷ سانتی‌متر گرم است و اشکال بلوری مختلفی هم دارد. رشته الیاف کربن که از فیبرهای کربن تشکیل می‌شوند، به‌مراتب نازک‌تر از موی انسان و با قطر 6 تا 10 میلی‌متر یافت می‌شوند. البته به علت حجم استفاده بالا از آن، قیمت الیاف کربن نسبتا بالاست و این هم موضوعی است که می‌تواند چرخه خرید و فروش این ماده را مختل کند.
فیبر و الیاف کربن در مدول‌های الاستیسیته، با مقاومت‌های کششی و با بافت‌های مختلف شامل تک جهت و الیاف دو جهت تولید می‌شوند که مصارف مختلفی هم دارند. بخشی از این تولیدات برای مصالح کامپوزیتی صنایع مختلف و مقاوم سازی انواع سازه‌های بتنی عرضه می‌شوند. این تولیدات واحد‌های تولید و اندازه‌های مختلفی دارند، اما با این حال معمولاً دسته‌بندی الیاف کربن بر مبنای وزن آن‌ها انجام می‌گیرد. برای مثال الیاف کربنی که با عنوان UD200 نام‌گذاری می‌شود، وزنی برابر ۲۰۰ گرم در هر متر مربع دارد.
تاریخچه محصول
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.
بیشتر بخوانید : الیاف طبیعی و مصنوعی
مزایای الیاف کربن
- نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن – مقاومت کششی بالا
- نسبت بالای مدول کششی الاستیسیته به وزن
- استحکام مناسب در برابر خستگی
- ضریب انبساط حرارتی بسیار پائین
- قابلیت بافت و تولید پارچه
- مقاومت بالا در برابر خوردگی
معایب الیاف کربن
- کرنش گسیختگی بسیار کم و شکننده بودن
- کربن هادی الکتریکی است. کرنش کم در لحظه شکست
- قیمت بالا
- مقاومت ضربه‌ای کم
خواص الیاف کربنی
الیاف کربنی معمولاً خواص بسیار زیادی دارند که هرکدامشان مناسب برای استفاده در صنعتی خاص هستند. از همین رو دسته‌بندی‌های این کاربردها بر مبنای همین خواص صورت می‌گیرند. این خواص عبارت‌اند از:
خواص مکانیکی
الیاف کربن بر پایه PAN ,Gpa 400- 200 مدول یانگ، تحت کشش طولی الیاف را نشان می‌دهند. هنگامی‌که از جهت عرضی کشیده شود مدول یانگ Gpa 25- 5 و استحکام فشاری نیز Gpa است. البته به نظر می‌رسد که مدول یانگ الیاف کربن به آرایش یافتگی بلورهای گرافیت در این الیاف باشد آن‌هم در حالی که استحکام با توجه به اتصال بین لیفی تعیین می‌شود.
مقاومت شیمیایی
مقاومت الیاف کربن بیشتر در برابر عوامل مهاجم است و این خاصیت به ویژگی‌های ساختاری آن مربوط است. اصولاً این سطح مقاومت به نوع ماده خام اولیه، دمای عملیات حرارتی و به حالت وجودی المان‌ها در الیاف بستگی دارد. از همین رو مقاومت اسیدی الیاف کربن با افزایش دمای عملیات حرارتی افزایش یافته و چون سهم باندهای پایدارتر افزایش می‌یابد؛ ساختار کربن مانع از نفوذ واکنش‌گر به شبکه الیاف می‌شود. بنابراین در دمای اتاق تغییرات ناچیزی در الیاف کربن مشاهده می‌شود؛ حتی بعد از این که برای مدتی طولانی در معرض یک سیال خورنده قرار بگیرند.
خواص الکتریکی
خواص الکترونیکی الیاف کربن خودشان به‌تنهایی به سه جز خاص تقسیم می‌شوند:
رژیم دمایی
- حرارتی که در طول مراحل تشکیل الیاف به آن وارد می‌شود.
- کشش آرایش دهنده
- شکل الیاف در طول مراحل تشکیل و کربنیزاسیون
المان‌های شیمیایی
اضافه شدن المان‌های شیمیایی به ساختار مواد خام اولیه یا الیاف کربن.
مقاومت الکتریکی الیاف کربن به دمای کربنیزاسیون بستگی دارد، این یعنی:
- اگر دمای کربنیزاسیون در محدوده ۸۰۰–۳۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد، کاهش سریع مقاومت الکتریکی مشاهده می‌شود.
- اگر دمای کربنیزاسیون ۹۰۰–۸۰۰ درجه سانتی گراد باشد، این کاهش کندتر می‌شود
- فرایند کربنیزاسیون در دماهای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد با تغییرات ناچیز مقاومت الکتریکی همراه است.
بیشتر بخوانید: الیاف و ترموپلاستک ها
کاربرد های الیاف کربن
کاربرد در صنعت ساختمان
الیاف کربنی به بخشی بسیار مهم از صنایع ساخت‌وساز ساختمانی تبدیل شده‌اند و فواید بسیاری هم دارند. برخی از این استفاده‌ها شامل موارد زیر می‌شوند:
«مقاوم‌سازی ساختمان و تقویت سازه‌ها با الیاف کربن، ساخت صفحات، ورق‌ها و لمینیت کربن، الیاف تقویت‌کننده بتن‌های مقاومت بالا، ساخت دیوارهایی با مقاومت بالا و سبک کربنی، ساخت سازه‌های پس کششی و پیش‌تنیده کربنی در سازه‌های بتنی، استفاده در جداره داخلی تونل‌ها»
کاربرد در صنعت خودرو سازی
در صنایع خودرو و به‌خصوص خودروهای مسابقه‌ای که حالت لوکس دارند هم قطعات کربنی مثل سپر و اسپویلر طرفداران زیادی پیدا کرده‌اند و حتی برخی خودروهای چند صد هزار دلاری با بدنه‌ای که بیشتر بخش‌هایش از فیبر کربن است، عرضه می‌شوند. در چنین صنعتی همیشه می‌توان یک نقطه مهم از پیشرفت در استفاده از الیاف کربنی پیدا کرد. برخی از این نقاط عبارت‌اند از:
«مخازن سوخت کربنی خودروها، ساخت سپرهای کربنی خودروها، شفت‌های انتقال نیرو، قطعات موتور، کمک‌فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز، بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی‌ها، فنرهای لول و…»
کاربرد در صنایع هوافضا و هواپیماسازی
صنایع هوافضا دقیقاً همان قسمتی از پیشرفت استفاده از فیبر کربن است که بدون آن هیچ فرایندی تکمیل نخواهد شد. علت اهمیت استفاده از این الیاف در صنعت هوافضا، حساسیت بالای فرایندهای تولید و ساخت محصولات این صنعت است. از همین رو، موارد زیر بدون حضور فیبر کربن هیچ‌گاه به‌بهترین کیفیت خود نخواهند رسید:
«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 …»
کاربرد در صنایع پزشکی
ساخت اجزای تجهیزات پزشکی کربنی، صندلی چرخ‌دار کربنی، استخوان مصنوعی و انواع اجزای مصنوعی بدن و …تنها بخشی از کاربردهای این الیاف در صنایع پزشکی هستند.
کاربرد در تولید انرژی
ساخت پره توربین‌های کربنی و آسیاب‌های بادی جهت تولید برق از انرژی باد، ساخت و تولید باتری‌های سوختی و…
