الیاف کربن، ویژگی و کاربردها
اهمیت مواد شیمیایی در صنایع بر هیچکس پوشیده نیست. فرآوردههای شیمیایی و پتروشیمی از مواد ضروری در هر صنعت هستند. دولتها در همهی کشورها، سرمایهگذاریهای عظیمی بروی صنعت شیمی و پتروشیمی میکنند تا بتوانند اقتصاد خود را در برابر دیگر کشورها قویتر کنند. تاکنون مطلبهای زیادی درباره مواد شیمیایی مختلف نوشته شده است و بسیاری از مواد موردبررسی قرار گرفتهاند اما دنیای مواد شیمیایی، دنیای بزرگ و نامحدودی است. در ادامه به بررسی الیاف کربن میپردازیم تا بیشتر با ویژگیها و کاربردهای آن آشنا شوید.
الیاف کربن
فیبر کربن، فیبر گرافیت یا الیاف کربن الیافی هستند با قطری حدود ۵ تا ۱۰ میکرومتر که از اتمهای کربن تشکیل شدهاند. اتمهای کربن در آن در بلورهایی موازی با محور طولی الیاف قرار گرفته و به هم پیوند خوردهاند. این الیاف در سال ۱۸۷۹ توسط توماس ادیسون کشف شد. او در دمای بالا، نخهای پنبهای را حرارت و پخت داد و آنها را بهعنوان رشتهای فیبر کربنیزه کرد. امروزه این الیاف با حرارت دادن الیاف ریون یا پلی اکریلونیترول و یا بقایای نفت در دمای مناسب تولید میشود.
این الیاف از سختترین و محکمترین الیاف تقویتکننده کامپوزیتهای پلیمری هستند که بعد از الیاف شیشه بیشترین کاربرد را در زمینههای مختلف دارند. این الیاف چگالی کم و ضریب انبساط حرارتی طولی منفی دارد. الیاف کربن گرانقیمت بوده و منجر به خوردگی گالوانیک در تماس با فلزات میشود. بر اساس جهتگیری فیبر، کامپوزیت الیاف کربن در یک جهت خاص یا در همهی جهتهامی تواند قوی باشد. یک قطعهی کوچک حاوی الیاف کربن در برابر ضربه مقاومت زیادی خواهد داشت و احتمالاً تغییر شکل اندکی دارد!
برخی ویژگیهای الیاف کربن
- استحکام فیزیکی، تافنس ویژه و وزن سبک
- میرایی ارتعاشات مناسب
- پایداری ابعاد بالا، ضریب انبساط گرمایی پایین و سایش پایین
- رسانایی الکتریکی خوب
- نفوذپذیری اشعه ایکس
- مقاومت به خستگی
- ویژگیهای الکترومغناطیسی
- خنثی بودن از نظر شیمیایی و مقاوم در برابر خوردگی
از ویژگی های الیاف کربن هستند.
انواع الیاف کربن
بر اساس مدول، مقاومت و دمای نهایی عملیات حرارتی، الیاف کربن را میتوان در سه دسته طبقه بندی کرد: بر اساس خواص الیاف کربن، بر اساس مواد الیاف ساز، بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی.
بر اساس خواص الیاف:
- مدول فوقالعاده بالا ، نوع (UHM مدول> Gpa450)
- مدول بالا ، نوع HM (مدول بین Gpa 350 -450)
- مدول متوسط ، نوع IM (مدول بین Gpa 200-350)
- مدول کم و کششی بالا ، نوع HT مدول < 100 Gpa ، مقاومت کششی> 0 Gpa)
- فوقالعاده کششی ، نوع SHT (مقاومت کششی> Gpa 4.5)
بر اساس مواد الیاف ساز:
- مبتنی بر PAN
- مبتنی بر پیچ
- گام بر پایه مزوسفر
- مبتنی بر گام ایزوتروپیک
- پایه ریون
- رشد فاز گاز
بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی:
- عملیات حرارتی بالا (HTT)، دمای نهایی عملیات حرارتی باید بالاتر از 2000C باشد و میتواند با فیبر نوع مدول بالا مرتبط باشد.
- عملیات حرارتی متوسط (IHT)، که در آن دمای عملیات حرارتی نهایی باید حدود یا بالاتر از 1500C باشد و میتواند با الیاف نوع مقاومت بالا مرتبط باشد.
- عملیات حرارتی کم، دمای نهایی عملیات حرارتی بیش از 1000 درجه سانتیگراد نیست. اینها مواد کم مدول و کم مقاومت هستند.
کاربردها الیاف کربن
آنها معمولاً همراه با اپوکسی، در مواردی که به مقاومت و سختی بالایی نیاز است، استفاده میشوند، یعنی اتومبیلهای مسابقهای، برنامههای کاربردی خودرو فضایی، تجهیزات ورزشی و…
هوافضا
از اولین صنایعی که از این الیاف استفاده کردند، صنعت هوافضا بود. مدول بالای فیبر کربن باعث میشود تا از نظر ساختاری جایگزین آلیاژهایی مانند آلومینیوم و تیتانیوم شود. یکی از دلایل متقاعدشدن افراد فعال در این صنعت برای استفاده از الیاف کربن وزن سبک آنها بود. کاهش اندک وزن هواپیماها میتواند تأثیر چشمگیری در مصرف سوخت آنها داشته باشد. الیاف کربن در هواپیمای مسافربری Dreamliner 787 به کاربرده شد که یکی از پرفروشترین هواپیماهای مسافربری تاریخ بشر است. بیشتر ساختار این هواپیما از کامپوزیتهای تقویتشده با فیبر کربن ساخته شده است.
کالاهای ورزشی
راکتهای تنیس، چوبهای گلف، چوب هاکی و تیر و کمانهای تیر و کمان همگی محصولاتی هستند که معمولاً با کامپوزیتهای تقویتشده با فیبر کربن تولید میشوند. تجهیزات ورزشی با وزن کمتر طرفداران بیشتری دارد بهعنوانمثال با راکت تنیسی با وزن سبک میتوان سرعت عمل بهتری نشان داد. همچنین، دوچرخهسواران حرفهای از دوچرخههای ساختهشده با فیبر کربن استفاده میکنند تا سرعت بیشتری در طول مدتزمان مسابقه بتوانند بگیرند.
پرههای توربین بادی
اکثر پرههای توربین بادی از جنس فایبرگلاس هستند اما پرههایی با اندازه بزرگ غالباً از این الیاف ساخته میشوند. الیاف کربن سختی پرههای را بدون افزایش وزن، زیاد میکند. داشتن وزن کمتر در پرههای از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا هرچه پره سبکتر باشد در تولید برق بازده بهتری خواهد داشت.
خودرو
این ماده در خودروهایی که بهصورت انبوه تولید میشوند هنوز مورد استفاده قرار نمیگیرند زیرا قیمت تمامشده خودرو افزایش مییابد. اما خودروهای فرمول یک الیاف کربن از مواد کاربردی است. بهکارگیری این الیاف در این خودروها به دلیل کاهش وزن نیست بلکه به دلیل ایجاد ظاهری زیبا است. بسیاری از قطعات ساختهشده با این الیاف رنگ نمیشوند و روکشی شفاف دارند. بافت مشخص الیاف به نمادی از فنآوری پیشرفته و عملکرد عالی تبدیل شده است.
در پایان
اگرچه سالهای زیادی است که الیاف کربن کشف شده است اما در چند سال اخیر استفاده از آن مورد توجه قرار گرفته است و هنوز نیز این ماده پتانسیلهای زیادی در زمینه های مختلف دارد. در سایت و اپلیکیشن تموک میتوانید این ماده را خرید و یا عرضه نمایید.
