سايت يا كتاب يا مقاله در مورد الياف كربن
- شروع کننده موضوع mortezamh
- تاریخ شروع
REZA.F
کاربر بیش فعال
الیاف کربن
الیاف کربن
الیاف کربن
الیاف کربن نسل جدیدی از الیاف پر استحکام است . این مواد از پرولیز کنترل شده گونه هایی از الیاف مناسب تهیه می شود ؛ به صورتی که بعد از پرولیز حداقل 90 درصد کربن باقی بماند . الیاف کربن نخستین بار درسال 1879 میلادی زمانی که توماس ادیسون از این ماده به عنوان رشته پرمقاومت در ایجاد روشنایی الکتریکی استفاده کرد ، پای به عرصه علم و فن آوری گذاشت . با این حال درآغاز دهه 1960 بود که تولید موفق تجاری الیاف کربن ، با اهداف نظامی و به ویژه برای کابرد در هواپیمای جنگی ، آغاز شد . دردهه های اخیر ، الیاف کربن در موارد غیر نظامی بسیاری ، همچون هواپیماهای مسافربری و باربری ، 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 می رود . کامپوزیت های الیاف کربن در مواردی که استحکام و سختی بالا به همراه وزن کم و ویژگی های استثنایی مقاومت به خوردگی مدنظر باشند ، یگانه گزینه پیش روست . همچنین هنگامی که مقاومت مکانیکی در دمای بالا ، خنثی بودن از لحاظ شیمیایی و ویژگی ضربه پذیری بالا نیز انتظار برود ، بازهم کامپوزیت های کربنی بهترین گزینه هستند . با توجه به این ویژگی ها ، پهنۀ گسترده موارد کاربرد این ماده در گستره های گوناگون فن آوری به سادگی قابل تصور است .
میزان تولید الیاف کربن از 1992 تا 1997 رشد 200 درصدی در این فاصله 6 ساله داشته که خود نشانگر اهمیت تکنولوژی این ماده است .
هم اکنون ، ایالات متحده آمریکا نزدیک به 60 درصد تولید جهانی الیاف کربن را به مصرف می رساند و این در حالی است که ژاپن تلاش می کند به میزان مصرفی برابر با 50 درصد تولیدات جهانی این محصول دست یابد . ژاپن به واسطه شرکت صنعتی توری ، خود بزرگترین تولید کننده الیاف کربن درجهان است . هم چنین عمده ترین تولید کننده الیاف کربن با استفاده از پیش زمینه قیر ، ژاپن است .
سال 2013 است . خودرویی جدید به نام "BLACKBEAUTY " 100 MPG بدلیل این که ضمن دارا بودن بالاترین کارایی ، به میزان 100 درصد نیز دوستدار محیط زیست شناخته شده ، طرفداران بسیار زیادی دارد . این خودرو پس از انقراض نسل خودروهای فولادی با سازه ای تمام کامپوزیت برپایه کربن متولد شده است . با استفاده از مواد کربنی در ساخت بدنه و سازه های اصلی این خودرو مانند شاسی ، موتور و سیستم های انتقال نیرو ، کاهش وزن به دست آمده موجب مصرف اندک سوخت شده است . این مواد پیشرفته به همراه اندکی فلزات سبک که عمدتا ً در اتصالات به کار می روند ، اقتصاد خودرو را از لحاظ میزان مصرف سالیانه سوخت با انقلابی عظیم مواجه کرده است . این مواد سبک در فریم شاسی ، موتور کاتالیتیک با بازده بالا ، در باتری های لیتیمی و موتورهای الکتریکی ، پانل های بدنه ، مخزن سوخت و مواد پیشرفته نگه دارنده متان که سوخت اصلی خودروست و خلاصه در تمام المان های اصلی که چنین وسیله نقلیه کم مصرف با توانایی های بسیار بالا را می سازد ، به کار رفته است . پانل های بدنه از کامپوزیت های کربنی به روش SMC با سطوح بسیار صاف و آماده رنگ کاری ساخته شده است . فیبریل های کربنی در اندازه های زیر میکرون با ویژگی هدایت الکتریکی ، سطح قطعات پانل های بدنه را به سادگی دارای ویژگی الکترو استاتیک می کنند . از سوی دیگر چون کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف کربن از نظر شیمیایی خنثی است به تخریب در برابر پرتو فرا بنفش حساس نیست ، در نتیجه پانل های بدنه به هیچ نوع عملیات پایانی نیاز ندارند . بخش های دیگری که زیاد به آن ها توجه نمی شود ، مانند درموتور ،هوزینگ ها و گیربکس ها تماما ً از کامپوزیت کربنی به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده و جایگزین قطعات سنگین ریخته شده فلزی شده اند . مخزن سوخت ، کامپوزیت کربنی ساخته شده به روش پیچش الیاف است که مملو از کربن فعال و فیبریل های کربنی است که موجب افزایش قابلیت نگهداری گاز مایع در فشارهای پایین می شود . موتور کاتالیتیک از کاتالیست های پوشش داده شده برروی کره ها و لوله های ریز شیاردار کربنی که به کربن توخالی معروف هستند و در واقع نوعی از الیاف کربن سوراخ شده هستند ، استفاده می کند . این واحد مرکزی تولید توان الکتریکی که درواقع قلب سیستم به حساب می آید ، به دلیل استفاده زیاد از فرآورده های الیاف کربن ، قادر است کارایی خود را در دماهای بسیار بالایی که الزاما ً در اثر کارکرد موتور پدید می آید ، به خوبی حفظ کند . این دلیل اصلی بالا بودن غیرمعمول بازده چنین خودرویی است . از سوی دیگر مشکلات مربوط به آن دسته از شکست های قطعات که ناشی از اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی درنسل خودروهای فلزی بود ، به واسطه استفاده از قطعات کامپوزیتی کربنی ، به طور کامل از بین رفته است . مهندسین مواد ، با دست کاری در میزان جهت یافتگی الیاف کربن ، نوع جدیدی از الیاف را ساخته اند که به طور استثنایی دارای هدایت حرارتی یک بعدی بسیار زیادی بوده و بدین وسیله توانسته اند دستگاههای سرمازا را با بازده بسیار بالا در موتور این خودرو به کار برند .
در سیستم باتری یونی لیتیم / لیتیم از آندهای کربنی و کاتدهای کامپوزیت کربنی استفاده شده است . سیستم جدید تهویه هوا با استفاده از رادیاتورهای پلاستیکی تقویت شده با الیاف کربن ، محفظه های کربنی و فوم های کربنی عایق ، بیشترین شرایط رفاه و آسایش سرنشین را به همراه حذف کامل گازهای ضد ازن ، فراهم آورده است . سیستم GPS تعبیه شده برای ارتباطات ماهواره ای ، تلفن همراه ، دستگاه دورنگار و رایانه های on-board همگی ضمن رعایت طراحی ارگونومیک از قاب های کامپوزیت کربنی که هدایت الکتریکی مناسبی دارند ، بهره می برند .
قرار دادن المان های جهت دار کامپوزیتی بر پایه کربن در جهت اعمال لنگر ، سیستم تعلیق کربنی را در این خودرو به گونه ای ساخته که موجب حذف بسیاری از قطعات سنگین فلزی شده و همین موضوع خود موجب عملکرد بهتر سیستم تعلیق شده است . روتورهای کربنی ترمز و لنت ترمزهای گرافیتی ، وزن مجموعه سیستم ترمز را در راستای عملکرد بهتر ترمز کاهش داده است . رینگ های تقویت شده با الیاف کربن ضمن کاهش وزن موجب سرد کار کردن مجموعه ترمز و درنتیجه بالاتر رفتن ضریب امنیت ترمز می شود . تایرهای با فرمولاسیون پیشرفته شامل فیبریل های کربن و بلوک های کربنی جهت دار به همراه الیاف کربن بافته شده به صورت شعاعی ، ضمن سبکی موجب حذف مقاومت غلطشی تایر و سرد ماندن آنها در طول حرکت می شود . المان های تعلیق ، رینگ ها و تایرهای ساخته شده از الیاف کربن باعث برقراری مطمئن اتصال با زمین و در نتیجه کمینه شدن احتمال آتش سوزی دراثر بارهای الکترواستاتیک و افزایش امنیت و راحتی سرنشین در هنگام سوار و پیاده شدن از خودرو می شود .
با استفاده روز افزون از الیاف کربن در ساخت خودروهای پیشرفته ، مصرف سالیانه بنزین به سرعت رو به کاهش گذاشته و نیاز به واردات سوخت های فسیلی را که باعث عدم تعادل تجاری می شود به حداقل می رساند . درعوض به منظور گسترش واحدهای تولید مواد کربنی جدید با کاربردهای روبه رشد در ساخت خودروهای کربنی ، میلیون ها فرصت شغلی در کشور پدیدار می شود .
الیاف کربن را می توان براساس مدول الاستیک ، استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی به گروههای زیر دسته بندی کرد :
دسته بندی براساس ویژگی ها :
§ الیاف کربن با ضریب کشسانی بسیار بالا ؛ بیشتر از 450 گیگا پاسکال
§ الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا؛ بین 350 تا 450 گیگا پاسکال
§ الیاف کربن با ضریب کشسانی متوسط ؛ بین 200 تا 350 گیگا پاسکال
§ الیاف کربن با استحکام کششی بالا و ضریب کشسانی پایین ؛ استحکام کششی بیش از 3 گیگا پاسکال و ضریب کشسانی کم تر از 100
§ الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا ؛ بالاتر از 5/4 گیگا پاسکال
دسته بندی براساس نوع پیش زمینه :
§ الیاف کربن با پیش زمینه الیاف پلی اکریلونیتریل
§ الیاف کربن با پیش زمینه قیر صنعتی
§ الیاف کربن با پیش زمینه قیر مزوفاز
§ الیاف کربن با پیش زمینه قیر ایزوتروپیک
§ الیاف کربن با پیش زمینه الیاف ریون ( ابریشم مصنوعی )
§ الیاف کربن با پیش زمینه فاز گازی و
دسته بندی براساس دمای نهایی عملیات حرارتی :
§ الیاف نوع 1 ، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 2000 درجه سانتی گراد ؛ تولید کننده الیاف HM
§ الیاف نوع 2 ، دمای عملیات حرارتی حدود 1500 درجه سانتیگراد ؛ تولید کننده الیاف HS
§ الیاف نوع 3 ، دمای عملیات حرارتی کم تر یا حدود 1000 درجه سانتی گراد ؛ تولید کننده الیاف با ضریب استحکام پایین
میزان تولید الیاف کربن از 1992 تا 1997 رشد 200 درصدی در این فاصله 6 ساله داشته که خود نشانگر اهمیت تکنولوژی این ماده است .
هم اکنون ، ایالات متحده آمریکا نزدیک به 60 درصد تولید جهانی الیاف کربن را به مصرف می رساند و این در حالی است که ژاپن تلاش می کند به میزان مصرفی برابر با 50 درصد تولیدات جهانی این محصول دست یابد . ژاپن به واسطه شرکت صنعتی توری ، خود بزرگترین تولید کننده الیاف کربن درجهان است . هم چنین عمده ترین تولید کننده الیاف کربن با استفاده از پیش زمینه قیر ، ژاپن است .
سال 2013 است . خودرویی جدید به نام "BLACKBEAUTY " 100 MPG بدلیل این که ضمن دارا بودن بالاترین کارایی ، به میزان 100 درصد نیز دوستدار محیط زیست شناخته شده ، طرفداران بسیار زیادی دارد . این خودرو پس از انقراض نسل خودروهای فولادی با سازه ای تمام کامپوزیت برپایه کربن متولد شده است . با استفاده از مواد کربنی در ساخت بدنه و سازه های اصلی این خودرو مانند شاسی ، موتور و سیستم های انتقال نیرو ، کاهش وزن به دست آمده موجب مصرف اندک سوخت شده است . این مواد پیشرفته به همراه اندکی فلزات سبک که عمدتا ً در اتصالات به کار می روند ، اقتصاد خودرو را از لحاظ میزان مصرف سالیانه سوخت با انقلابی عظیم مواجه کرده است . این مواد سبک در فریم شاسی ، موتور کاتالیتیک با بازده بالا ، در باتری های لیتیمی و موتورهای الکتریکی ، پانل های بدنه ، مخزن سوخت و مواد پیشرفته نگه دارنده متان که سوخت اصلی خودروست و خلاصه در تمام المان های اصلی که چنین وسیله نقلیه کم مصرف با توانایی های بسیار بالا را می سازد ، به کار رفته است . پانل های بدنه از کامپوزیت های کربنی به روش SMC با سطوح بسیار صاف و آماده رنگ کاری ساخته شده است . فیبریل های کربنی در اندازه های زیر میکرون با ویژگی هدایت الکتریکی ، سطح قطعات پانل های بدنه را به سادگی دارای ویژگی الکترو استاتیک می کنند . از سوی دیگر چون کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف کربن از نظر شیمیایی خنثی است به تخریب در برابر پرتو فرا بنفش حساس نیست ، در نتیجه پانل های بدنه به هیچ نوع عملیات پایانی نیاز ندارند . بخش های دیگری که زیاد به آن ها توجه نمی شود ، مانند درموتور ،هوزینگ ها و گیربکس ها تماما ً از کامپوزیت کربنی به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده و جایگزین قطعات سنگین ریخته شده فلزی شده اند . مخزن سوخت ، کامپوزیت کربنی ساخته شده به روش پیچش الیاف است که مملو از کربن فعال و فیبریل های کربنی است که موجب افزایش قابلیت نگهداری گاز مایع در فشارهای پایین می شود . موتور کاتالیتیک از کاتالیست های پوشش داده شده برروی کره ها و لوله های ریز شیاردار کربنی که به کربن توخالی معروف هستند و در واقع نوعی از الیاف کربن سوراخ شده هستند ، استفاده می کند . این واحد مرکزی تولید توان الکتریکی که درواقع قلب سیستم به حساب می آید ، به دلیل استفاده زیاد از فرآورده های الیاف کربن ، قادر است کارایی خود را در دماهای بسیار بالایی که الزاما ً در اثر کارکرد موتور پدید می آید ، به خوبی حفظ کند . این دلیل اصلی بالا بودن غیرمعمول بازده چنین خودرویی است . از سوی دیگر مشکلات مربوط به آن دسته از شکست های قطعات که ناشی از اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی درنسل خودروهای فلزی بود ، به واسطه استفاده از قطعات کامپوزیتی کربنی ، به طور کامل از بین رفته است . مهندسین مواد ، با دست کاری در میزان جهت یافتگی الیاف کربن ، نوع جدیدی از الیاف را ساخته اند که به طور استثنایی دارای هدایت حرارتی یک بعدی بسیار زیادی بوده و بدین وسیله توانسته اند دستگاههای سرمازا را با بازده بسیار بالا در موتور این خودرو به کار برند .
در سیستم باتری یونی لیتیم / لیتیم از آندهای کربنی و کاتدهای کامپوزیت کربنی استفاده شده است . سیستم جدید تهویه هوا با استفاده از رادیاتورهای پلاستیکی تقویت شده با الیاف کربن ، محفظه های کربنی و فوم های کربنی عایق ، بیشترین شرایط رفاه و آسایش سرنشین را به همراه حذف کامل گازهای ضد ازن ، فراهم آورده است . سیستم GPS تعبیه شده برای ارتباطات ماهواره ای ، تلفن همراه ، دستگاه دورنگار و رایانه های on-board همگی ضمن رعایت طراحی ارگونومیک از قاب های کامپوزیت کربنی که هدایت الکتریکی مناسبی دارند ، بهره می برند .
قرار دادن المان های جهت دار کامپوزیتی بر پایه کربن در جهت اعمال لنگر ، سیستم تعلیق کربنی را در این خودرو به گونه ای ساخته که موجب حذف بسیاری از قطعات سنگین فلزی شده و همین موضوع خود موجب عملکرد بهتر سیستم تعلیق شده است . روتورهای کربنی ترمز و لنت ترمزهای گرافیتی ، وزن مجموعه سیستم ترمز را در راستای عملکرد بهتر ترمز کاهش داده است . رینگ های تقویت شده با الیاف کربن ضمن کاهش وزن موجب سرد کار کردن مجموعه ترمز و درنتیجه بالاتر رفتن ضریب امنیت ترمز می شود . تایرهای با فرمولاسیون پیشرفته شامل فیبریل های کربن و بلوک های کربنی جهت دار به همراه الیاف کربن بافته شده به صورت شعاعی ، ضمن سبکی موجب حذف مقاومت غلطشی تایر و سرد ماندن آنها در طول حرکت می شود . المان های تعلیق ، رینگ ها و تایرهای ساخته شده از الیاف کربن باعث برقراری مطمئن اتصال با زمین و در نتیجه کمینه شدن احتمال آتش سوزی دراثر بارهای الکترواستاتیک و افزایش امنیت و راحتی سرنشین در هنگام سوار و پیاده شدن از خودرو می شود .
با استفاده روز افزون از الیاف کربن در ساخت خودروهای پیشرفته ، مصرف سالیانه بنزین به سرعت رو به کاهش گذاشته و نیاز به واردات سوخت های فسیلی را که باعث عدم تعادل تجاری می شود به حداقل می رساند . درعوض به منظور گسترش واحدهای تولید مواد کربنی جدید با کاربردهای روبه رشد در ساخت خودروهای کربنی ، میلیون ها فرصت شغلی در کشور پدیدار می شود .
الیاف کربن را می توان براساس مدول الاستیک ، استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی به گروههای زیر دسته بندی کرد :
دسته بندی براساس ویژگی ها :
§ الیاف کربن با ضریب کشسانی بسیار بالا ؛ بیشتر از 450 گیگا پاسکال
§ الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا؛ بین 350 تا 450 گیگا پاسکال
§ الیاف کربن با ضریب کشسانی متوسط ؛ بین 200 تا 350 گیگا پاسکال
§ الیاف کربن با استحکام کششی بالا و ضریب کشسانی پایین ؛ استحکام کششی بیش از 3 گیگا پاسکال و ضریب کشسانی کم تر از 100
§ الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا ؛ بالاتر از 5/4 گیگا پاسکال
دسته بندی براساس نوع پیش زمینه :
§ الیاف کربن با پیش زمینه الیاف پلی اکریلونیتریل
§ الیاف کربن با پیش زمینه قیر صنعتی
§ الیاف کربن با پیش زمینه قیر مزوفاز
§ الیاف کربن با پیش زمینه قیر ایزوتروپیک
§ الیاف کربن با پیش زمینه الیاف ریون ( ابریشم مصنوعی )
§ الیاف کربن با پیش زمینه فاز گازی و
دسته بندی براساس دمای نهایی عملیات حرارتی :
§ الیاف نوع 1 ، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 2000 درجه سانتی گراد ؛ تولید کننده الیاف HM
§ الیاف نوع 2 ، دمای عملیات حرارتی حدود 1500 درجه سانتیگراد ؛ تولید کننده الیاف HS
§ الیاف نوع 3 ، دمای عملیات حرارتی کم تر یا حدود 1000 درجه سانتی گراد ؛ تولید کننده الیاف با ضریب استحکام پایین
REZA.F
کاربر بیش فعال
ساخت الیاف کربن
ساخت الیاف کربن
درفرهنگ واژگان نساجی آمده است : الیاف کربن به الیافی گفته می شود که دست کم دارای 90 درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند . اصطلاح الیاف گرافیتی درمورد الیافی به کار می رود که کربن آنها بیش از 99 درصد باشد . انواع گوناگونی از الیاف به عنوان پیش زمینه تولید الیاف کربن وجود دارد که دارای ویژگی های انحصاری و مورفولوژی ویژه هستند . پرمصرف ترین الیاف پیش زمینه عبارتند از : الیاف پلی اکریلونیتریل ( PAN ) ، الیاف سلولزی ( مانند ریون ویسکوز و پنبه ) ، قیر حاصل از قطران ذغال سنگ ( Coal tar pitch ) و نوع ویژه ای از الیاف فنلیک .
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 آنها ، بهبود می یابد . بهترین راه برای دست یابی 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 کربنیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فرآیند است .
تولید الیاف کربن از پیش زمینه پلی اکریلونیتریل
برای تولید الیاف کربن با کیفیت بالا از پیش زمینه PAN و سه مرحله اساسی وجود دارد :
1- مرحله پایدار سازی اکسیدی : در این مرحله الیاف PAN هم زمان با اعمال کشش مورد عملیات حرارتی اکسیدی در محدوده دمایی 200 تا 300 درجه سانتی گراد قرار می گیرد . این عملیات ، PAN گرما نرم را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می کند .
2- مرحله کربنیزاسیون : بعد از اکسیداسیون ، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای 1000 درجه سانتی گراد در محیط خنثی ( معمولا ً نیتروژن ) برای مدت چند ساعت ، مورد عملیات حرارتی کربنیزاسیون قرار می گیرند . درطی این فرآیند ، عناصر غیرکربنی آزاد می شود و الیاف کربن با بالانس جرمی 50 درصد به نسبت الیاف PAN نخستین ، به دست می آید .
3- مرحله گرافیتاسیون : بسته به نوع الیاف کربن مورد نظر ، از لحاظ ضریب کشسانی ، و اعمال این مرحله در محدوده دمایی مابین 1500 تا 3000 درجه سانتیگراد ، موجب بهبود درجه جهت گیری کریستالیت های کربنی درجهت محور الیاف و بنابراین مایه ی بهبود ویژگی ها می شود .
تولید الیاف کربن از دیگر پیش زمینه ها نیز کمابیش دارای مراحل اصلی است که در مورد تولید از پیش زمینه PAN آورده شد .
ساختار الیاف کربن
مشخصه های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاههای میکروسکپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است . برخلاف گرافیت ، ساختار کربن بدون هرگونه نظم سه بعدی است . در الیاف کربن برپایه PAN ، ساختار الیاف در طی عملیات پایدار سازی اکسیدی و متعاقب آن کربنیزاسیون ، از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای تغییر می کند . به این ترتیب صفحات اصلی در پایان مرحله کربنیزاسیون در جهت محور طولی الیاف قرار می گیرند . بررسی های اشعه X با زاویه تفرق باز ( Wide angle X-ray ) نشان می دهد که با افزایش دمای عملیات کربنیزاسیون ، ارتفاع انباشتگی و مقدار جهت گیری صفحات اصلی ، افزایش می یابد . قطر منوفیلامنت های PAN تأثیرعمده ای بر نفوذ عملیات کربنیزاسیون در الیاف کربن تولیدی دارد ، به همین دلیل تغییر در ساختار کریستالوگرافی پوسته و هسته هر منوفیلامنت در الیافی که کاملا ً پایدار شده اند ، به وضوح قابل مشاهده است . پوسته از جهت گیری مرجح طولی بالا به همراه انباشتگی زیاد کریستالیت ها برخوردار است درحالی که هسته ، جهت گیری کم تر صفحات اصلی و حجم کم تر کریستالیت ها را نشان می دهد .
عموما ً دیده شده که هرچه استحکام کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد ، ویژگی های کششی الیاف کربن به دست آمده نیز بیشتر می شود . چنان چه مرحله پایدار سازی به صورتی مناسب انجام گیرد ، در آن صورت استحکام کششی و ضریب کشسانی با کربنیزاسیون تحت کشش ، به مقدار بسیار زیادی در محصول کربنی نهایی بالا می رود . بررسی های انجام شده با دستگاههای پراش پرتوی ایکس و پراش الکترونی نشان داده است که در الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا ، کریستالیت ها پیرامون محور طولی الیاف قرار گرفته اند . این درحالی است که صفحات لایه ای با بیشترین جهت یافتگی به موازات محور الیاف استقرار یافته اند . به طور کلی استحکام الیاف کربن به نوع پیش زمینه ، شرایط فرآیند ، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف ، ارتباط دارد . در الیاف کربن با پیش زمینه PAN و افزایش دما تا 1300 درجه سانتی گراد مایه ی افزایش استحکام می شود ولی پس از 1300 درجه ، استحکام به آرامی کم می شود . این موضوع در مورد ضریب کشسانی نیز صادق است .
الیاف کربن بسیار ترد هستند . لایه ها در الیاف با اتصالات ضعیف و اندروالسی به هم دیگر متصل شده اند . تجمع فلس مانند لایه ها موجب می شود تا رشد ترک در جهت عمود برمحور الیاف به آسانی صورت بگیرد . در خمش ، الیاف در کرنش های بسیار پایین می شکنند . با تمام این معایب ، الیاف کربن از نقطه نظر مجموع ویژگی های شیمیایی ، فیزیکی و مکانیکی منحصر به فردی که دارد ، در بسیاری از عرصه های مهندسی و علوم در دو دهه اخیر تقریبا ً بدون رقیب مانده است .
ساخت الیاف کربن
درفرهنگ واژگان نساجی آمده است : الیاف کربن به الیافی گفته می شود که دست کم دارای 90 درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند . اصطلاح الیاف گرافیتی درمورد الیافی به کار می رود که کربن آنها بیش از 99 درصد باشد . انواع گوناگونی از الیاف به عنوان پیش زمینه تولید الیاف کربن وجود دارد که دارای ویژگی های انحصاری و مورفولوژی ویژه هستند . پرمصرف ترین الیاف پیش زمینه عبارتند از : الیاف پلی اکریلونیتریل ( PAN ) ، الیاف سلولزی ( مانند ریون ویسکوز و پنبه ) ، قیر حاصل از قطران ذغال سنگ ( Coal tar pitch ) و نوع ویژه ای از الیاف فنلیک .
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 آنها ، بهبود می یابد . بهترین راه برای دست یابی 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 کربنیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فرآیند است .
تولید الیاف کربن از پیش زمینه پلی اکریلونیتریل
برای تولید الیاف کربن با کیفیت بالا از پیش زمینه PAN و سه مرحله اساسی وجود دارد :
1- مرحله پایدار سازی اکسیدی : در این مرحله الیاف PAN هم زمان با اعمال کشش مورد عملیات حرارتی اکسیدی در محدوده دمایی 200 تا 300 درجه سانتی گراد قرار می گیرد . این عملیات ، PAN گرما نرم را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می کند .
2- مرحله کربنیزاسیون : بعد از اکسیداسیون ، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای 1000 درجه سانتی گراد در محیط خنثی ( معمولا ً نیتروژن ) برای مدت چند ساعت ، مورد عملیات حرارتی کربنیزاسیون قرار می گیرند . درطی این فرآیند ، عناصر غیرکربنی آزاد می شود و الیاف کربن با بالانس جرمی 50 درصد به نسبت الیاف PAN نخستین ، به دست می آید .
3- مرحله گرافیتاسیون : بسته به نوع الیاف کربن مورد نظر ، از لحاظ ضریب کشسانی ، و اعمال این مرحله در محدوده دمایی مابین 1500 تا 3000 درجه سانتیگراد ، موجب بهبود درجه جهت گیری کریستالیت های کربنی درجهت محور الیاف و بنابراین مایه ی بهبود ویژگی ها می شود .
تولید الیاف کربن از دیگر پیش زمینه ها نیز کمابیش دارای مراحل اصلی است که در مورد تولید از پیش زمینه PAN آورده شد .
ساختار الیاف کربن
مشخصه های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاههای میکروسکپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است . برخلاف گرافیت ، ساختار کربن بدون هرگونه نظم سه بعدی است . در الیاف کربن برپایه PAN ، ساختار الیاف در طی عملیات پایدار سازی اکسیدی و متعاقب آن کربنیزاسیون ، از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای تغییر می کند . به این ترتیب صفحات اصلی در پایان مرحله کربنیزاسیون در جهت محور طولی الیاف قرار می گیرند . بررسی های اشعه X با زاویه تفرق باز ( Wide angle X-ray ) نشان می دهد که با افزایش دمای عملیات کربنیزاسیون ، ارتفاع انباشتگی و مقدار جهت گیری صفحات اصلی ، افزایش می یابد . قطر منوفیلامنت های PAN تأثیرعمده ای بر نفوذ عملیات کربنیزاسیون در الیاف کربن تولیدی دارد ، به همین دلیل تغییر در ساختار کریستالوگرافی پوسته و هسته هر منوفیلامنت در الیافی که کاملا ً پایدار شده اند ، به وضوح قابل مشاهده است . پوسته از جهت گیری مرجح طولی بالا به همراه انباشتگی زیاد کریستالیت ها برخوردار است درحالی که هسته ، جهت گیری کم تر صفحات اصلی و حجم کم تر کریستالیت ها را نشان می دهد .
عموما ً دیده شده که هرچه استحکام کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد ، ویژگی های کششی الیاف کربن به دست آمده نیز بیشتر می شود . چنان چه مرحله پایدار سازی به صورتی مناسب انجام گیرد ، در آن صورت استحکام کششی و ضریب کشسانی با کربنیزاسیون تحت کشش ، به مقدار بسیار زیادی در محصول کربنی نهایی بالا می رود . بررسی های انجام شده با دستگاههای پراش پرتوی ایکس و پراش الکترونی نشان داده است که در الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا ، کریستالیت ها پیرامون محور طولی الیاف قرار گرفته اند . این درحالی است که صفحات لایه ای با بیشترین جهت یافتگی به موازات محور الیاف استقرار یافته اند . به طور کلی استحکام الیاف کربن به نوع پیش زمینه ، شرایط فرآیند ، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف ، ارتباط دارد . در الیاف کربن با پیش زمینه PAN و افزایش دما تا 1300 درجه سانتی گراد مایه ی افزایش استحکام می شود ولی پس از 1300 درجه ، استحکام به آرامی کم می شود . این موضوع در مورد ضریب کشسانی نیز صادق است .
الیاف کربن بسیار ترد هستند . لایه ها در الیاف با اتصالات ضعیف و اندروالسی به هم دیگر متصل شده اند . تجمع فلس مانند لایه ها موجب می شود تا رشد ترک در جهت عمود برمحور الیاف به آسانی صورت بگیرد . در خمش ، الیاف در کرنش های بسیار پایین می شکنند . با تمام این معایب ، الیاف کربن از نقطه نظر مجموع ویژگی های شیمیایی ، فیزیکی و مکانیکی منحصر به فردی که دارد ، در بسیاری از عرصه های مهندسی و علوم در دو دهه اخیر تقریبا ً بدون رقیب مانده است .
REZA.F
کاربر بیش فعال
الیاف کربن در موارد صنعتی گوناگونی به کارمی رود که در این جا نمونه هایی از آن ارایه شده است :
صنعت حمل و نقل
کاربردهای صنعت حمل و نقل بدین گونه اند : 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 و فنرهای لول .
صنایع ساختمانی و معماری
مواد ساختاری پل ها ، ساز و کار پل های جمع شونده ، تقویت کننده بتن های پرمقاومت ، 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 و استفاده در رمپ ها برای جلوگیری از ریزش خاک را می توان از کاربردهای ساختمانی این الیاف دانست .
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 و قطعات حساس موتور هواپیماها نیز می توانند دارای الیاف کربن باشند .
صنایع پزشکی
الیاف کربن در ساخت استخوان مصنوعی ، اجزای تجهیزات پرتوی ایکس ، صندلی های چرخدار ، انواع اجزای مصنوعی بدن برای معلولین و دریچه قلب به کار می روند .
بخش انرژی
از جمله کاربردهای الیاف کربن در بخش انرژی ، می توان بدین موارد اشاره کرد : باتریهای سوختی ، پره های توربین و پره های آسیاب های بادی برای تولید برق از انرژی باد .
صنایع الکترونیک ، تجهیزات الکتریکی و ماشین سازی
این کاربردها عبارتند از : قاب رایانه های همراه ، اجزای رایانه ها ، بازوی ربات های صنعتی ، چرخ دنده ها ، غلتک ها ، چرخدنده های پرسرعت ، قطعات خود روغنکاری شونده ، آنتن ها ، مواد عایق الکتریکی ، مخازن تحت فشار ، غلتک چاپ گرها و قاب تلفن های همراه .
صنعت حمل و نقل
کاربردهای صنعت حمل و نقل بدین گونه اند : 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 و فنرهای لول .
صنایع ساختمانی و معماری
مواد ساختاری پل ها ، ساز و کار پل های جمع شونده ، تقویت کننده بتن های پرمقاومت ، 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 و استفاده در رمپ ها برای جلوگیری از ریزش خاک را می توان از کاربردهای ساختمانی این الیاف دانست .
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 و قطعات حساس موتور هواپیماها نیز می توانند دارای الیاف کربن باشند .
صنایع پزشکی
الیاف کربن در ساخت استخوان مصنوعی ، اجزای تجهیزات پرتوی ایکس ، صندلی های چرخدار ، انواع اجزای مصنوعی بدن برای معلولین و دریچه قلب به کار می روند .
بخش انرژی
از جمله کاربردهای الیاف کربن در بخش انرژی ، می توان بدین موارد اشاره کرد : باتریهای سوختی ، پره های توربین و پره های آسیاب های بادی برای تولید برق از انرژی باد .
صنایع الکترونیک ، تجهیزات الکتریکی و ماشین سازی
این کاربردها عبارتند از : قاب رایانه های همراه ، اجزای رایانه ها ، بازوی ربات های صنعتی ، چرخ دنده ها ، غلتک ها ، چرخدنده های پرسرعت ، قطعات خود روغنکاری شونده ، آنتن ها ، مواد عایق الکتریکی ، مخازن تحت فشار ، غلتک چاپ گرها و قاب تلفن های همراه .
mahan57
مدیر بازنشسته
سلام.
میخواستم بدونم که از کجا میشه الیاف کربن خرید ؟؟؟؟
plz Help me
این الیاف به دلیل استفاده های ویژه در تحریم کامل از سوی تولید کنندگان خارجی هستش. تولید داخل هم بسیار محدود و هنوز در حد آزمایشگاهی هستش. دنبال نخود سیاه بگردید راحتتر پیدا می کنید!
سید مهدی برقعی
عضو جدید
بعضی از صافکاری ها که خدمات اسپورت کردن ماشین و درست کردن بامپر و بالچه و فلاپ و از این جور چیزا انجام میدن، از پارچه های ساخته شده از الیاف کربنی استفاده می کنن و با یک چسب مخصوص، طرحی رو که میخوان بسازن رو قالب گیری می کنن. از این صافکاری ها تو تهران زیاد دیدم. اگه بگردین میتونید این پارچه ها رو و همینطور چسب مخصوصش رو تهیه کنید.
Similar threads
Similar threads
-
كتاب يا جزوه وسايل اندازه گيري مشخصات مولكولي پليمرها- شروع شده توسط mrsplym007
- پاسخ ها: 0
-
-
فوم pvc يا فوم پلي وينيل كلرايد Expanded polyvinyl chloride- شروع شده توسط پیرجو
- پاسخ ها: 0
-
-