نویسنده : فاطمه حاجی محمدی
الیاف کربن چیست؟
الیاف کربن به الیافی گفته می شود که دست کم دارای ۹۰ درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند.
رشته الیافی است از حرارت دادن مواد عالی که قسمت عمده ی آن کربن می باشد در محیط گاز های بی اثر به دست می آید.
فیبر کربن مشکی رنگ، غیر حلال در آب و بدون بو بوده که مقاومت بسیار بالایی در برابر مواد خورنده مثل اسیدها، بازها و مواد عالی دارد.
الیاف کربن از فیبرهایی با قطری در حدود ۵ تا ۱۰ میکرومتر قطر تشکیل شده‌اند.
تاریخچه الیاف کربن:
سابقه استفاده از الیاف کربن به دهه ۱۸۸۰ میلادی بر می گردد و 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.
ادیسون در سال ۱۸۸۸ این الیاف را به عنوان کربن ادیسون به ثبت رسانید و از آن به عنوان تار درون لامپ برق استفاده کرد. بهترین نوع الیاف کربنی از چوب بامبوی کربنی تولید شده و لامپ های ساخته شده از آن، طول عمری چند صد ساعته داشت (امروزه عمر تقریبی لامپ ها در حدود ۱۰۰۰ ساعت می باشد).
در همان زمان یعنی در سال ۱۸۸۳، آقای سوان برای نخستین بار فیلامنت مصنوعی و سبک کربن را با عبور دادن محلول نیترات سـلولز که از روزنه های ریزی بیـرون می آمد (صفحه رشته ساز امروزی – اسپینرت) در استیـک اسـید و در حمام انعـقاد محتوی الکل بدست آورد. این دو محقق به صورت همزمان، توانستند لامپی بسازند که عملاً از الکتریسیته نور تولید نماید، که مسلماً بدون حضور الیاف مناسب اینکار آن ها امکان پذیر نبود.
استفاده از الیاف کربن تا سال ۱۹۰۷، زمانی که تارهای تنگستن عرضه شد، ادامه یافت و وقتی کارایی این تار فلزی در تبدیل الکتریسیته به نور به اثبات رسید به تدریج جای الیاف کربنی را گرفت و تا به امروز نیز همچنان ادامه یافته است. بدون توجه به رشته های طلا و نقره، الیاف و تارهای کربن را می توان جزو نخستین الیاف ساخت دست بشر به حساب آورد که کاربردی واقعی پیدا نموده و امروزه، یعنی یکصد سال بعد نیز با اصلاحات صورت گرفته بر روی آن همچنان به عنوان یک لیف مصنوعی بسیار مهم مورد استفاده قرار می گیرد. پس از جایگزینی الیاف کربن با تارهای تنگستن در لامپ قریب به ۶۰ سال استفاده از الیاف کربن مهجور واقع شد تا در آغاز دهه ۱۹۷۰ که تولید موفق تجاری الیاف کربن در ژاپن آغاز گردید.
منابع تولیدی الیاف کربن:
۱) الیاف کربنی ساخته شده از گیاهان یا سلولوزی
۲) الیاف کربنی ساخته شده از قیر
۳) الیاف کربنی ساخته شده از پلی اکریل نیتریل(PAN)
در حال حاضر پیشروی الیاف کربنی ساخته شده از قیر و پلی اکریل نیتریل (PAN)بیشتر میباشد.
۱- خواص الیاف کربن:
۱-۱- مقاومت شیمیایی الیاف کربن :
مقاومت الیاف کربن در برابر عوامل مهاجم یکی از خواص الیاف کربن است ، که قابلیت استفاده از آن را در کاربرد های آینده و در زمینه های مختلف ، اثبات می کند . این خاصیت به فاکتور هایی مانند ویژگی‌های ساختاری الیاف کربن ، نوع ماده خام اولیه ، حالت وجودی المان‌ها در الیاف ، دمای عملیات حرارتی بستگی دارد .
مقاومت اسیدی این ماده می تواند از طریق افزایش دمای عملیات حرارتی افزایش یابد ،چون در این فرایند سهم باندهای پایدارتر بیشتر می شود. حال آنکه اگر شبکه کربنی تکمیل تر شود ، واکنش گر به شبکه الیاف نفوذ نخواهد کرد.
بنابراین این الیاف در دمای معمولی اتاق دچار تغییرات ناچیزی می شوند حتی اگر در معرض یک سیال خورنده به مدت طولانی قرار بگیرد ، می تواند خاصیت خود را حفظ کند. پایداری الیاف کربنی در دماهای زیاد کمتر می شود به ویژه زمانی که عوامل مهاجم اکسیژن دار باشند .
۲-۱- 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.
۳-۱- خواص الکتریکی :
کنترل مقاومت الکتریکی در الیاف کربن به سه روش است :
۱- با رژیم دمایی- حرارتی در فرایند تشکیل الیاف
۲- کشش آرایش دهنده الیاف در طول مراحل تشکیل و کربنیزاسیون
۳- اضافه کردن گروه‌های عاملی و المان‌های شیمیایی به الیاف کربن
مؤلفه مقاومت الکتریکی الیاف کربن وابسته به عامل دمای کربنیزاسیون است. اگر محدوده دمایی فرایند کربنیزاسیون بین ۸۰۰–۳۰۰ درجه سانتیگراد باشد، مقاوت الکتریکی آن به سرعت کاهش می یابد . این دما اگر بین ۹۰۰–۸۰۰ درجه سانتی گراد باشد، کاهش مقاومت الکتریکی کندتر می شود. اگر عملیات کربنیزاسیون در دماهای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتیگراد انجام شود، تغییرات مقاومت الکتریکی ناچیز خواهد بود.
تغییر اندازه در قطر الیاف ممکن است باعث تغییرات مقاومت الکتریکی الیاف کربن شود .اگر افزایش دمای عملیات حرارتی با فرایند افزایش کشش خارجی همراه باشد، باعث رشد کریستال ها در این الیاف می شود و این پدیده موجب افزایش هدایت الکتریکی می‌شود.
۲- انواع الیاف کربنی:
الیاف کربن را می‌توان بر اساس تعداد فیلامنت و مدول یانگ و استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی و نوع ماده اولیه به گروه‌های مختلفی تقسیم‌بندی کرد.
۱-۲- الیاف کربن بر اساس تعداد فیلامنت:
رشته الیاف کمتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که توو (TOW) کوچک یا سبک
رشته الیاف بیشتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که اصطلاحاً توو بزرگ یا سنگین نامیده می‌شوند
۲-۲- دسته‌بندی بر اساس خصوصیات فیزیکی:
الیاف کربن با مدول یانگ بسیار بالا بیشتر از ۴۵۰ گیگاپاسکال
الیاف کربن با مدول یانگ بالا بین ۳۵۰ تا ۴۵۰ گیگاپاسکال
الیاف کربن با مدول یانگ متوسط بین ۲۵۰ تا ۳۵۰ گیگاپاسکال
الیاف کربن با استحکام کششی بالا و مدول یانگ پایین ، استحکام کششی بیش از ۳ گیگاپاسکال و مدول یانگ کمتر از ۲۰۰
الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا ، بیشتر از ۵ گیگاپاسکال
۳-۲- دسته بندی بر اساس 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 پیش زمینه قیر ایزوتروپیک
الیاف کربن با پیش زمینه الیاف ویسکوز ریون (ابریشم مصنوعی)
الیاف کربن با پیش زمینه فاز گازی
۴-۲- دسته‌بندی بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی:
الیاف نوع ۱ ، دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد ،الیاف HM
الیاف نوع ۲، دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد ،الیاف HS
الیاف نوع ۳ ، دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد، الیاف با استحکام پایین
۵-۲- تقسیم‌بندی الیاف کربن برحسب نوع ماده اولیه :
در حال حاضر سه نوع منبع برای تولید این الیاف وجود دارد :
۱- الیاف کربن ساخته‌شده از گیاهان یا سلولزی
۲- الیاف کربن ساخته‌شده از قیر یا pitch
۳- الیاف کربن ساخته‌شده از پلی اکریل نیتریل ( PAN )
۳- کاربرد الیاف کربن:
۱-۳- 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»
۲-۳- 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…»
۳-۳- 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 …»
۴-۳- 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.
۵-۳- کاربرد در تولید انرژی:
ساخت پره توربین‌های کربنی و آسیاب‌های بادی جهت تولید برق از انرژی باد، ساخت و تولید باتری‌های سوختی و…
۶-۳- 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، بدنه کشتی ها، فنرهای لول و
مزایای الیاف کربنی:
- غیر قابل نفوذ در مقابل اشعه X
- هادی بسیار خوبی از برق
- ضریب انبساط گرمایی پایین
- ضریب الاستیک بالا
- نسبت مقاومت کششی و مدول الاستیسیته ی بسیار زیاد نسبت به وزن
- افزایش مقاومت خمشی و برشی سازه
- فزایش ظرفیت باربری سازه
- تغییر طول بسیار پایین آن حدود ۱/۰
- مقاومت بالای این ماده در مقابل محیط خورنده ی اسیدی و مواد شیمیایی
- این ماده در عین حال اینکه از فولاد قوی تر و مستحکم تر است، ۷۰% سبکتر از فولاد است.
- این الیاف به سبب داشتن وزن کم و دوام بسیار عالی در صنعت ساخت هواپیما بیشتر جایگزین آلومینیوم می شوند.
- توانایی تولید بافت و تولید پارچه از لیاف کربن ( به دلیل خاصیت انعطاف پذیری بالا)
- مقاومت این الیاف در تست کشش ۴ برابر بیشتر از فولاد و ۸ برابر بیشتر از آلومینیوم است.
- در زمینه مقاوم سازی به دلیل بالا بودن انعطاف پذیری الیاف کربنی ، می توان در سطوح منحنی به خصوص ستون دایره ای از آن استفاده کرد .
- نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن – مقاومت کششی بالا
- استحکام مناسب در برابرخستگی
- ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین
- غیر قابل انفجار بودن فیبر کربن
- دارای چگالی کم با قدرت بسیار بالا نسبت به وزن
- ضریب الاستیک بالاتر نسبت به الیاف شیشه
معایب الیاف کربنی:
- اگر این ماده بیشتر از قابلیت های قدرت خود تحت فشار قرار گیرد ، خواهد شکست .
- قیمت الیاف کربنی
- کرنش در شکست
- پایین بودن مقاومت ضربه ای این ماده در برابر ضربه ی ناگهانی
- به دلیل تغییر طول محدود (حدود ۱/۰) ،الیافی ترد محسوب می شود.
- کربن دارای خاصیت رسانای الکتریکی است ومنجر به اتصال کوتاه در قطعات غیر عایق می شود.
- هنگام کار با این الیاف باید مراقب شکنندگی آن باشیم
- مقاومت پایین در برابر ضربه
- مقاومت کم دربرابر ساییدگی و خراشیدگی
- نداشتن مقاومت خوب در برابر اکسیژن در دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد
روش های 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 کربن به شکل الیاف می شود. در پژوهش هایی که برروی 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 آن ها، 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 ۵۵% 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:
۱- مرحله پایدار سازی اکسیداسیونی: در این مرحله الیاف اکریلیک هم زمان با اعمال کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد قرار می گیرد. این عملیات پلی اکریلونیتریل را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می کند.
۲- مرحله کربونیزاسیون: بعد از اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد در محیط خنثی (معمولاً نیتروژن) برای مدت چند ساعت، تحت عملیات حرارتی کربونیزاسیون قرار می گیرند. درطی این فرآیند، عناصر غیرکربنی آزاد می شود و الیاف کربن با بالانس جرمی ۵۰ درصد به نسبت الیاف اکریلیک اولیه به دست می آید.
۳- مرحله گرافیتاسیون: با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب کشسانی، و اعمال این مرحله در محدوده دمایی ۳۰۰۰ – ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد، موجب بهبود درجه جهت گیری بلورهای کربنی درجهت محور الیاف و بنابراین باعث بهبود ویژگی ها می شود
شرایط نگهداری الیاف کربنی:
- الیاف کربنی باید در محیطی خشک دمای ۴ تا ۴۰ درجه سانتی گراد و دور از تابش نور خورشید نگهداری شود.
برای نوشتن دیدگاه باید وارد بشوید.