تصویر پکینگ نسوز
تصویر ورق نسوز
تصویر پارچه نسوز
تصویر نخ نسوز
تصویر نوار نسوز
تصویر پکینگ سیلیکون
تصویر میکا
تصویر لاستیک
تصویر اسپری
تصویر فیبر نسوز
تصویر پلیمر
تصویر واشر و قطعات
تصویر عایق الکتریکی
تصویر جسب صنعتی
تصویر شیلنگ
تصویر مقالات
الیاف چافت کربن
الیاف چافت کربن چیست ؟
الیاف چافت کربن را می توان به دو گروه طبقه بندی کرد :
گروه اول الیاف کربن ساخته شده توسط الیاف پیش ساز کربن و گروه دوم الیاف کربن تهیه شده از گاز هیدروکربن مانند متان . الیاف سابق می توانند به طول مداوم باشند و در حال افزایش تعداد برنامه های کاربردی هستند.
الیاف چافت کربن ساخته شده توسط الیاف پیش ساز کربن سازی با توجه به نوع الیاف پیش ساز مورد استفاده مانند الیاف کربن ساخته شده از پلی آکریلو نیتریل یا PAN، الیاف کربن تهیه شده از قیر و الیاف کربن بر پایه ریون دسته بندی می شوند. از بین این الیاف چافت کربن ، الیاف کربن مبتنی بر PAN یا پلی آکریلونیتریل به شکل گسترده ای در صنایع برای تهیه الیاف کربن استفاده می شوند .
بیش از 90٪ الیاف کربن تجاری تولید شده در سطح جهان از الیاف پیش ساز PAN ساخته می شوند. دلیل محبوبیت الیاف کربن بر پایه PAN ، برتری الیاف تهیه شده با پلی آکریلونیتریل در آن است که در متعادل کردن کارایی و هزینه در تولید الیاف دارای استحکام بالا و مدول بالا تر می باشد ، که به راحتی می تواند به محصولات واسطه تبدیل شود که به راحتی می توانند در ساخت CFRP پردازش شوند .
در روش تهیه گروه اول ماده اولیه ای که برای ساخت فیبر کربن استفاده می شود پیش ساز یا precursor نامیده می شود. حدود 90٪ الیاف چافت کربن تولید شده از پلی آکریلونیتریل (PAN) ساخته می شوند . 10٪ باقی مانده از جنس ریون یا قیر تهیه می شوند .
هم ریون و هم پلی آکریلونیتریل در دسته پلیمرهای آلی هستند که از رشته های طولانی مولکول هایی که به وسیله زنجیره ای از اتم های کربن به هم وصل شده اند ، تشکیل شده اند . گرچه قابل ذکر است که ترکیب دقیق پیش ساز الیاف چافت کربن از یک شرکت به شرکت دیگر متفاوت است و به طور کلی یک راز تجاری محسوب می شود .
در طی مراحل تولید ، رنج گسترده ای از گازها و مایعات استفاده می شود . برخی از این مواد برای این به الیاف چافت کربن اضافه می شوند که یک تاثیر خاص را روی الیاف بگذارند . مواد دیگری که به فرایند تولید اضافه می شود به گونه ای طراحی شده اند که ماهیت بی اثر داشته باشند یا از بروز برخی واکنش ها الیاف چافت کربن با دیگر الیاف جلوگیری کنند .
فرآیند ساخت الیاف چافت کربن شامل دو بخش است یک بخش شیمیایی و یک بخش مکانیکی است . پیش ماده به صورت رشته ها یا الیاف بلند کشیده می شود و بدون اینکه اجازه تماس با اکسیژن به آن ها داده شود در دمای بسیار بالا گرم می شوند . بدون اکسیژن ، الیاف نمی تواند بسوزد .
در عوض ، درجه حرارت بالا باعث می شود تا اتم ها به شدت مرتعش شوند و در نتیجه اتم های غیر کربن از ساختار خارج شوند و یک ساختار خالص ایجاد شود . این فرآیند ، روش کربن سازی نامیده می شود که در آن فیبر متشکل از زنجیره های طولانی و محکم و در هم تنیده شده از اتم های کربن را در خود جای می دهد که بسیار خالص بوده و تنها تعداد کمی اتم غیر کربن در آن باقی مانده است .
مراحل ساخت الیاف چافت کربن :
مرحله اول در ساخت الیاف چافت کربن تثبیت سازی است . قبل از اینکه فیبرها به الیاف چافت کربن تبدیل شوند ، باید طی یک فرایند شیمیایی پیوند خطی اتمی آنها به یک پیوند طولی مستحکم تر از نظر حرارتی تبدیل شوند . این کار با گرم کردن الیاف در هوا در دمایی حدود 390-590 درجه فارنهایت (200-300 درجه سانتی گراد) به مدت 30-120 دقیقه انجام می شود .
این کار باعث می شود که الیاف پیش ساز ، مولکول های اکسیژن را از هوا جمع کرده و الگوی پیوند اتمی خود را تغییر داده و از نو تنظیم کنند . واکنش های شیمیایی تثبیت کننده پیچیده هستند و شامل چندین مرحله می شوند که برخی از آنها همزمان رخ می دهد . آنها همچنین از خود گرما تولید می کنند ، که این گرما باید کنترل شود تا از گرمای بیش از حد الیاف جلوگیری شود .
از نظر تجاری ، فرایند تثبیت الیاف چافت کربن از تجهیزات و تکنیک های متنوعی استفاده می کند . در برخی انواع فرآیندها ، الیاف از غلطکه ای داغ عبور می دهند. در برخی فرآیندها از هوای گرم استفاده می شود که با گازهای خاصی مخلوط شده و باعث تسریع پردازش شیمیایی می شود .
مرحله دوم بعد از تثبیت ، کربنیزه شدن است پس از تثبیت الیاف ، الیاف پیش ساز را برای مدت چند دقیقه در کوره ای پر از مخلوط گاز که عاری از گاز اکسیژن است قرار داده می شود ، و در دمای حدود1800 تا 5500 درجه فارنهایت (1000 تا 3000 درجه سانتی گراد) گرم می شوند .
کمبود اکسیژن باعث می شود از سوختن الیاف در دمای بسیار بالا جلوگیری شود . در این مرحله فشار گاز داخل کوره بالاتر از فشار هوای خارج نگه داشته می شود و نقاطی که فیبرها از آن وارد و خارج می شوند از کوره بسته می شوند تا از ورود اکسیژن جلوگیری شود.
با گرم شدن الیاف ، شروع به از دست دادن اتم های غیر کربن خود علاوه بر چند اتم کربن می شود که خروج آنها در قالب گازهای مختلف از جمله بخار آب ، آمونیاک ، مونوکسید کربن ، دی اکسید کربن ، هیدروژن ، ازت و غیره می باشد . با بیرون راندن اتم های غیر کربن ، اتم های کربن باقیمانده با بلورهای کربن محکم پیوند می خورند که کم و بیش موازی با محور طولانی فیبر هستند . در برخی فرآیندها از دو کوره که در دو درجه حرارت مختلف کار می کنند برای کنترل بهتر میزان گرمایش در طول کربنیزه شدن استفاده می شود .
بعد از کربن سازی فرایند اصلاح سطح انجام می شود ، که در این مرحله الیاف سطحی دارند که به خوبی با اپوکسی ها و سایر مواد مورد استفاده در مواد کامپوزیتی بهم متصل نمی شوند . برای اینکه به الیاف خاصیت چسبندگی بهتر برای پوشش دهی داشته باشند ، سطح آنها کمی اکسیده می شود . افزودن اتم های اکسیژن به سطح ، خصوصیات پیوند شیمیایی بهتری را ایجاد می کند .
همچنین می توان با فرو بردن فیبرها در گازهای مختلف مانند هوا ، دی اکسید کربن یا ازن یا در مایعات مختلف مانند هیپوکلریت سدیم یا اسید نیتریک می توان اکسیداسیون را بر روی سطح الیاف انجام داد . همچنین با ایجاد یک قطب مثبت در حمام پر از مواد رسانا الکتریکی ، می توان الیاف را به صورت الکترولیتی پوشش داده شوند . فرایند اصلاح سطح باید به دقت کنترل شود تا از ایجاد نقایص سطح ریز مانند سوراخ های ریز بر روی سطح آن جلوگیری شود .
مرحله بعدی مربوط به آهار زدن می باشد . بعد از عملیات اصلاح سطح ، سطح الیاف پوشش داده می شوند که در این مرحله الیاف با مواد مختلف پوشش داده می شوند تا در هنگام سیم پیچ یا بافندگی از آسیب رسیدن محافظت شوند . این فرآیند آهار زدن نامیده می شود . مواد پوششی به گونه ای انتخاب شده اند که با چسب مورد استفاده در تشکیل مواد کامپوزیت سازگار باشد. مواد پوشش دهنده معمولی شامل اپوکسی ، پلی استر ، نایلون ، اورتان و سایر موارد هستند .
کاربرد الیاف چافت کربن :
به علت مقاومت کششی بالای الیاف چافت کربن و در عین حال وزن سبک آن ، الیاف چافت کربن کاربرد فراوانی پیدا کرده اند .
که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره کرد :
در زمینه انرژی برای ساخت تیغه های آسیاب بادی ، ذخیره سازی گاز طبیعی و حمل و نقل ، ساخت سلول های سوختی.
الیاف چافت کربن در صنایع اتومبیل سازی :
در حال حاضر برای تجهیزات و ساخت وسایل نقلیه با کارایی بالا از الیاف کربن به صورت گسترده استفاده می شود ، فناوری فیبر کربن در حال استفاده گسترده تر است به طوری که در دسامبر 2011 جنرال موتورز اعلام كرد كه مشغول ساختن خودرو با استفاده از كامپوزیت های فیبر كربن برای تولید انبوه می باشد . از این الیاف در حمل و نقل جاده ای و دریایی استفاده می شود .
الیاف چافت کربن در ساختمان سازی :
از نوع خورد شده این الیاف در تهیه بتن های کامپوزیتی سبک و محافظت ساختمان ها در برابر زلزله تهیه کرد .
الیاف چافت کربن در هواپیما :
وزن سبک و در عین حال استحکام این الیاف باعث کاربرد این الیاف در صنایع هوا فضا در صنعت هواپیما سازی در تجهیز کردن هواپیماهای دفاعی و تجاری و همچنین هواپیماهای بدون سرنشین .
الیاف چافت کربن در اکتشاف نفت :
سکوهای حفاری عمیق ، لوله های حفاری.
الیاف چافت کربن در نانولوله های کربنی :
الیاف چافت کربن به عنوان مواد نیمه هادی در پژوهش های مختلف گسترش چشمگیری پیدا کرده است ، برای ساخت فضاپیما ، سنسورهای شیمیایی و موارد دیگر استفاده می شود.
بی اثر بودن این ترکیب از نظر شیمیایی باعث می شود از آن صنایع شیمیایی ؛ زمینه های هسته ای ؛ دریچه ها ، شیرها و اجزای پمپ در کارخانه های فرآیند استفاده می شود .
ویژگی الیاف چافت کربن :
الیاف چافت کربن بسیار مستحکم و از مقاومت بالایی نسبت به وزن خود برخوردار هستند . در واقع به ماده ای مستحکم گفته می شود که نسبت قدرت/ وزن آن بالا باشد . موادی مانند آلومینیوم ، تیتانیوم ، منیزیم ، کربن و فیبر شیشه ، آلیاژهای فولادی با استحکام بالا ، همگی از مقاومت خوبی در نسبت وزن برخوردار هستند .
این الیاف بسیار سفت و سخت هستند . سفتی یک ماده را توسط فاکتور مدول یانگ اندازه گیری می کنند و میزان مواد را تحت فشار قرار می دهد . پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن بیش از 4 برابر از پلاستیک تقویت شده شیشه ای ، تقریبا 20 برابر بیشتر از کاج ، 2.5 برابر بیشتر از آلومینیوم است .
فیبر کربن از مقاومت کششی خوبی برخوردار است . استحکام کششی یا استحکام نهایی ، حداکثرکششی است که قبل از باریک شدن در هنگام کشیدگی ، می تواند در برابر مواد مقاومت کند . اگر نواری از کیسه پلاستیکی بردارید ، و شروع به کشیدن آن کنید می بینید در یک مرحله باریک شدن شروع می شود . به این مرحله necking یا باریک شدن گفته می شود .
- مدول فوق العاده بالا ، از نوع UHM (مدول> Gpa450)
- مدولوس بالا ، نوع HM (مدول بین Gpa350 -450)
- مدول متوسط ، نوع IM (مدول بین Gpa200-350)
- فیبر کربن مقاوم در برابر خوردگی و از نظر شیمیایی پایدار است .
- انعطاف پذیری بالا از نوع SHT (مقاومت کششی>Gpa 4.5)
- مقاومت خوب در برابر آتش به گونه ای که در دسته مواد غیر قابل اشتعال قرار دارد و بسته به فرآیند ساخت و ماده پیش ساز ، فیبر کربن می تواند بسیار نرم باشد و در لباس های محافظ برای آتش نشانی ممکن است داخل لباس های محافظ قرار گیرد . از آنجا که فیبر کربن از نظر شیمیایی نیز بسیار بی اثر است ، می تواند در جایی که آتش همراه با مواد خورنده باشد ، از آن استفاده کرد .
- فیبر کربن رسانای الکتریکی است . این ویژگی می تواند هم مفید باشد و هم مزاحم . هدایت الکتریکی فیبر کربن می تواند خوردگی گالوانیک را در اتصالات تسهیل کند گرچه نصب دقیق می تواند این مشکل را کاهش دهد .
- مقاومت خوبی در برابر خستگی و فرسودگی دارد .
- رسانایی حرارتی فیبر کربن خوب است .
- الیاف کربن دارای ماهیت غیر سمی هستند ، از نظر بیولوژیکی بی اثر هستند ، و نسبت به اشعه ایکس نفوذ پذیری دارند . این ویژگی ها باعث شده از آن به طور گسترده در صنعت پزشکی استفاده شود .
- پایداری بعدی بالا ، ضریب انبساط حرارتی کم و سایش کم
- الیاف چافت کربن نسبتا گران هستند و همین موضوع باعث محدودیت استفاده از آن با وجود ویژگی های گسترده آن شده است .
منابع :
https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science/carbon-fiber
https://zoltek.com/carbon-fiber/how-is-carbon-fiber-made/
