شنبه , ۲۰ آذر ۱۳۹۵
دانلود رایگان نرم افزار آنالیز تصویر + فیلم آموزشی
فیبر کربن

کامپوزیت و کامپوزیتهای کربنی(فایبر کربن ها)

کامپوزیت و کامپوزیتهای کربنی(فایبر کربن ها)

ارسالی از :جواد قلیچی سینی

 

مقدمه :
کامپوزیت بصورت زیر تعریف می‌شود:ماده‌ای اطلاق می‌شود که از دو فاز ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده باشد و از فاز دوم حداقل به اندازه ۵ درصد استفاده شده باشد. به ترکیب ماتریس با الیاف (یا ماده تقویت کننده) زیر ۵ درصد کامپوزیت گفته میشود.
۱٫ کامپوزیت به موادی گفته می‌شود که از یک فاز زمینه و یک تقویت کننده تشکیل شده باشند.
۲٫ تعریف انجمن متالورژی آمریکا : به ترکیب ماکروسکوپی دو یا چند ماده مجزا که سطح مشترک مشخصی بین آنها وجود داشته باشد، کامپوزیت گفته می‌شود.
کامپوزیت از دو قسمت اصلی ماتریس و تقویت کننده تشکیل شده‌است. ماتریس با احاطه کردن تقویت کننده آن را در محل نسبی خودش نگه می‌دارد. تقویت کننده موجب بهبود خواص مکانیکی ساختار می‌گردد. به طور کلی تقویت کننده می‌تواند به صورت فیبرهای کوتاه و یا بلند و پیوسته باشد
دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از دیدگاه زیستی :
۱) کامپوزیت‌های طبیعی. مانند استخوان، ماهیچه، چوب و …
۲) کامپوزیت‌های مصنوعی (مهندسی)
دسته‌بندی کامپوزیت‌های مهندسی از لحاظ فاز زمینه :
۱) کامپوزیت‌های با زمینه سرامیکی (CMC)
۲) کامپوزیت‌های با زمینه پلیمری (PMC)
۳) کامپوزیت‌های با زمینه فلزی (MMC)
دسته‌بندی کامپوزیت‌ها از لحاظ نوع تقویت کننده :
۱) کامپوزیت‌های تقویت شده با فیبر (FRC)
۲) کامپوزیت‌های تقویت شده توسط ذرات (PRC)
کامپوزیت‌های سبز (کامپوزیت‌های زیست‌تجزیه‌پذیر) :

در اینگونه کامپوزیت‌ها، فاز زمینه و تقویت کننده، از موادی که در طبیعت تجزیه می‌شوند، ساخته می‌شوند. در کامپوزیت‌های سبز، معمولاً فاز زمینه از پلیمرهای سنتزی قابل جذب بیولوژیکی و تقویت کننده ‌ها از فیبرهای گیاهی ساخته می‌شوند.
مراحل طراحی کامپوزیت ها :

۱) گرد آوری اطلاعات در خصوص کاربرد قطعه (نیروهای استاتیک، دینامیک و شرایط محیطی)

۲) مشخصات اولیه قطعه (مواد، ابعاد و چیدمان لایه ها)
۳) زمان و هزینه
۴) بررسی روش های محاسباتی (تحلیل و عددی)
۵) شناسایی روش های ساخت
۶) نحوه مونتاژ(روش های اتصال قطعات)
بهینه سازی(وزن کم، استحکام بالا و هزینه پایین

مزایای کامپوزیت ها :

مهم‌ترین مزیت مواد کامپوزیتی آن است که با توجه به نیازها، می‌توان خواص آنها را کنترل کرد. به طور کلی مواد کامپوزیتی دارای مزایای زیر هستند :
– مقاومت مکانیکی بالا نسبت به وزن
– مقاومت بالا در برابر خوردگی
– خصوصیات خستگی عالی نسبت به فلزات
– خواص عایق حرارتی خوب
– به دلیل صلبیت بیشتر، تحت یک بارگذاری معین، خیز کمتری (بعضا ده‌ها برابر کمتر) نسبت به فلزات دارند.
– استحکام بالا
– نسبت حجم به وزن کم
– سبک بودن پاهی تا چندین برابر مستحکم تر از فولاد با وزنی با چندین برابر کمتر
کاربردها :
فایبر گلاس یکی از پرکاربردترین کامپوزیت ‌هاست. فایبرگلاس یک کامپوزیت با زمینه پلیمری است که توسط فیبرهای شیشه تقویت شده ‌است. در ساخت بدنه جنگنده‌های رادار گریز از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. همچنین در ساخت قطعات هواپیما و پره نیروگاه بادی و پره هلیکوپتر از کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. بطور کلی مواد کامپوزیتی (مواد مرکب) به دلیل داشتن جرم بسیار کم و مقاومت بالا نسبت به فلزات، در صنعت هوا و فضا کاربرد وسیعی دارند. هم چنین کامپوزیتهای کربن-اپوکسی از نوع کامپوزیت های استحکام بالا هستند که در صنایع نظامی کاربرد دارند.

۱) کامپوزیت‌های با زمینه سرامیکی (CMC) :

بدلیل مقاومت آلی در برابر اکسایش در دمای بالا ، با وجود احتمال شکست ترد ، بهترین گزینه برای استفاده در دمای بالا و تنش های شدید است . به ویژه در قطعات موتور خودرو و توربین های گازی هواپیما چرمگی شکست این کامپوزیت ها معمول است در حالی که در اغلب فلزات ۱۵ است . چقرمگی شکست نسل جدید و توسعه یافته کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) که بصورت ذزه ای، رشته ای یا ویسکری از مواد سرامیکی است. این بدان دلیل است که ترکی که در زمینه ایجاد می شود توسط ذرات ، رشته ها یا ویسکرها نتنها اشاعه نمی یابد بلکه از اشاعه آن ممانعت به عمل مِی آید.
به این امرکمک می کند.کامپوزیت های زمینه سرامیکی را با روش های پرسکاری گرم ، پرسکاری ایزوستاتیک گرم وزینتر کردن فاز مذاب تولید می کند آلومینا های تقویت شده با ویسکرهای SiC به عنوان ابزار برش در ماشین کاری آلیاژهای فلزی سخت استفاده می شود.
سرامیک های پیشرفته دارای ویژگی های مطلوبی مانند سختی، استحکام بالا، تحمل دماهای بالا، خنثایی شیمیایی، مقاومت در برابر فرسایش و چگالی کم هستند. ولی در برابر بارهای کششی و ضربه ضعیف هستند و بر خلاف فلزات، از خود انعطاف پذیری نشان نمی دهند و مستعد شکست تحت بارهای مکانیکی و شوک حرارتی هستند. اگر مقایسه ای بین سرامیک ها و دیگر مواد داشته باشیم، باید گفت که سرامیک ها تنها گروه از مواد هستند که در دماهای بالا قابل استفاده اند و دارای سختی، استحکام و مدول الاستیک بالاتری از فلزات و پلیمرها می باشند. همچنین چگالی، ضریب انبساط حرارتی و هدایت الکتریکی و حرارتی کمی دارند. به ویژه چگالی و انبساط حرارتی کم سرامیک ها اهمیت زیادی در اغلب کاربردها دارد. که اگر چه نسبت مدول الاستیسیته تقویت‌کننده و زمینه در کامپوزیت های زمینه فلزی و پلمیری عموماً بین ۱۰ و ۱۰۰ است ولی برای کامپوزیت زمینه سرامیکی، این نسبت معمولاً برابر یک یا کمتر از آن است. نسبت مدول بالا در کامپوزیت های زمینه فلزی و پلیمری، سبب انتقال موثر بار از زمینه به تقویت کننده می شود. در حالی که در یک کامپوزیت سرامیکی، زمینه و تقویت کننده در توانایی تحمل بار اختلاف زیادی ندارد؛ به این معنا که هدف از ساخت کامپوزیت سرامیکی، افزایش استحکام نیست. مگر آن هایی که زمینه آنها مدول الاستیسیته کمی دارند (مانند زمینه های شیشه ای).

ازحوزه های مهم در تهیه کامپوزیت های زمینه سرامیکی انواع گوناگون شیشه، شیشه‌سرامیک ها و سرامیک هایی همچون کربن، کاربید سیلیسیوم، نیتریدسیلیسیوم، آلومینات ها و اکسیدها. تقویت کنندهای مورد استفاده عبارتند از کاربیدها، بوریدها، نیتریدها و کربن. کامپوزیت های زمینه سرامیکی تنها کامپوزیت هایی هستند که بالای ۹۰۰ درجه سانتیگراد استحکام خود را حفظ می کنند.

عمده ترین کامپوزیت های زمینه سرامیکی عبارتند از :

۱) کامپوزیت های کربن/کربن
۲) کامپوزیت های آلومینا SiC
۳) کامپوزیت هایی با زمینه Si3N4 یا SiC تقویت شده با الیاف پیوسته SiC و کربن.

معمولاً کاربرد کامپوزیت های سرامیکی به دو دسته هوافضایی و غیرهوافضایی تقسیم می شوند. در کاربردهای هوافضایی مساله اصلی، عملکرد کامپوزیت است. در حالی که در کاربردهای غیر هوافضایی عامل قیمت بسیار مهم است.

کامپوزیت های سرامیکی با الیاف پیوسته، عموماً دارای خواص مکانیکی ویژه بالایی هستند و می توانند در کاربردهای هوافضایی دمای بالا به کار گرفته شوند. کامپوزیت های کربن/کربن با پوشش SiC به عنوان محافظ حرارتی در شاتل های فضایی استفاده شده است و کامپوزیت های کاربید سیلیسیم/کربن مواد مناسبی برای هواپیماها هستند

کامپوزیتهای کربن-کربن

Untitled

فرآیند ساخت الیاف کربن:
قبل از معرفی و توضیح روش های ساخت اجزاء کامپوزیت کربن-کربن لازم است با بعضی از اصطلاحات فرآیند ساخت آشنا بشویم که این اصطلاحات به شرح زیرند:
کربونیزه شدن(Carbonization): در این فرآیند در اثر اعمال حرارت به مواد، در آن ها تغییرات شیمیایی به وجود می آید، مواد آلی که م.اد اولیه فرآیند هستند تغییر می کنند و مقدار کربن مواد افزایش می یابد و در پایان تقریباً کربن خالص باقی می ماند. دمای این فرآیند تا حدود ?۱۲۰۰ بالا می رود.
گرافیته شدن(Graphitization): در این فرآیند تغییر شکل از کربن غیر گرافیتی شبه پایدار به ساختار گرافیتی به وسیله فعال سازی دمایی انجام می گیرد. در این فرآیند بسته به نحوه انتقال حرارت، زمان و فشار، اکثر مواد کربنی یک مرحله مایع شدن را می گذرانند. دمای این فرآیند تا?۲۲۰۰ بالا میرود. تولید کامپوزیت کربن-کربن از تولید الیاف کربن آغاز می شود. الیاف می توانند از چندین روش ساخته شوند و تمامی این روش ها ذاتاً شبیه بهم هستند.
فرآیند عمومی تولید الیاف به صورت زیر است:
در ابتدا ماده اولیه که به شکل الیاف درآمده است حت فرآیند پیرولیز(Pyrolysis) که یک فرآیند کاملاً کنترل شده تغییر شیمیایی در اثر حرارت است قرار می گیرد. زمان و شرایط اتمسفر کنترل شده است و در بعضی از قسمت های فرآیند، الیاف تحت تنش کششی قرار می گیرند.
الیاف تولید شده می توانند خواص بسیار متنوع بسته به جهت، فاصله و اندازه زنجیرهای گرافیتی تولید شده شان داشته باشند که تابع شرایط تولید در پیرولیز می باشد.الیاف تولید شده می توانند خواص بسیار متنوع بسته به جهت، فاصله و اندازه های زنجیرهای گرافیتی تولید شده شان داشته باشند که تابع شرایط تولید در پیرولیز می باشد.الیاف تولید شده در این مرحله را می پیچند تا به شکل رشته های نازکی (Filament ) درآید. سپس رشته ها به آرامی گرما داده می شوند تا در اتمسفر محیط پایدار شوند، این کار باعث جلوگیری از ذوب شدن آن ها در فرآیندهای دما بالای بعدی می شود به این مرحله فرآیند پایدار شوندگی (Stabilization) می گویند.میله های پایدار شده را در اتمسفر خنثی قرار می دهند و تا دمای ?۱۵۰۰ گرم می کنند تا فرآین کربونیزه شدن بر روی میله انجام بگیرد. در اثر فرآیند گرافیته شده که فرآیند بعدی است لایه های طویل گرافیتی با زاویه های کنترل شده نسبت به جهت الیاف بوجود می آیند.
از آنجایی که لایه های گرافیت با پیوند واندروالس به هم مربوط می شوند و این پیوند نسبتاً ضعیف است ، برای از بین بردن این کاستی، تنش کششی به الیاف اعمال می شود تا جهت گیری لایه های گرافیتی ساخته شده کنترل شود. این تنش ها در مراحل مختلف از فرآیند ساخت به الیاف اعمال می شوند که زمان دقیق آن به جنس ماده اولیه تولیید کننده الیاف بستگی دارد.ماده اولیه سازنده الیاف می تواند از یکی از سه گروه زیر باشد:
۱- PAN:که این گروه از خانواده رزین ها هستند
۲- الیاف مصنوعی:این گروه الیاف پایه سلولزی هستند.
۳- قیر:PVC ها، زغال سنگ و قیر و نفت خام جزء این خانواده اند.
الیاف ساخته شده از PAN :
PAN در مرحله پایدار کننده چسبناک است در این مرحله و در اتمسفر معمولی تا دمای ?۲۵۰ به آن گرما داده می شود.در این دما تنش کششی اعمال شده از روی آن برداشته شده(این تنش از مرحله پیرولیز اعمال شده) و سپس تحت گاز خنثی نیتروژن به آرامی تا ?۱۰۰۰ – ?۱۵۰۰ حرارت می بیند.
آرام گرم کردن الیاف باعث ثابت ماندن جهت گیری های صفحات کربنی که در اثر کشش ایجاد شده اند می شود. به کار بردن تنش کششی در ?۳۰۰۰ فرآیند گرافیته شدن روی آن انجام می شود. به کار بردن تنش کششی در ?۲۰۰۰ خواص الیاف را بهبود می بخشد.
الیاف ساخته شده از الیاف مصنوعی:
الیاف مصنوعی، الیاف پایه سلولزی هستند و از چوب مغز ساقه بعضی گیاهان به وجود می آیند. بعد از فرآیند پیرولیز در حالتی که الیاف به صورت مذاب هستند ، آن ها را به شکل رشته در می آورند و بدون اعمال تنش تا?۴۰۰ گرما می دهند. بدون اعمال تنش تا ?۱۵۰۰ فرآیند زغالی شدن انجام می شود و در نهایت تا ?۲۵۰۰ گرافیته می شود.
الیاف ساخته شده از قیر:
فرآیند ساخت الیاف بر پایه قیر همانند فرآیند اولیه توضیح داده شده است. در این فرآیند تنش کششی در مرحله گرافیته شدن به قطعه اعمال می شود.
فرآیند ساخت کامپوزیت کربن-کربن (ماتریس):
الیاف در برابر نیروی فشاری یا کمانش از خود مقاومتی نشان نمی دهند و این قسمت ماتریس کامپوزیت است که در این موارد مقاومت می کند.ماتریس، الیاف را کنار هم و در موقعیت های معین نگه می دارد و تنش ها را به الیاف منتقل می کند و همچنین آنها را در برابر اثرات محیطی و نواقص ناشی از دستکاری شدن محفوظ می دارد.
پودر کربن زینتر پذیر نیست،بنابراین زمینه کربنی عموماً از روشهایی مانند تجزیه حرارتی یک ماده کربنی همچون قیر ، PAN یا (CVD) Chemical Vapor Depositionبه دست می آید. عموماً در هنگام شکل گیری زمینه کربنی از این روش ها، تخلخل های زیادی ایجاد می شوند.بنابراین ساخت یک کامپوزیت کربن-کربن متراکم و بدون تخلخل که از استحکام کافی برخوردار باشد،کار ساده ای نیست.
فرآیند ساخت ماتریس کامپوزیت کربن-کربن به روش ته نشین بخار شیمیاییCVD :
در این روش ابتدا پیش شکل ها ساخته می شوند . این مرحله شامل انتخاب الیاف و چسب اتصال (Binder)، روش های چیدن و شکل دادن الیاف نسبت به هم و در آخر سخت کردن(Hardening)است. سپس پیش شکل ها تحت فشار یک گاز آلی از قبیل متان، استیلن یا بنزن در کوره حرارت داده میشوند.گاز در دما و فشار بالا تجزیه شده و یک لایه نازک کربن روی پیش شکل ها قرار می گیرد. گاز باید به تمام نقاط و ابعاد پیش شکل نفوذ کندتا یک ماتریس یکنواخت حاصل بشود. بنابراین فرآیند ساخت کامپوزیت کربن- کربن به روش CVD بسیار آرام و کند است. چندین سیکل و چندین ماه طول می کشد تا فرایند کامل شود.
فرآیند ساخت ماتریس کامپوزیت کربن- کربن با استفاده از قیر یا رزین:
فرآیند ساخت کامپوزیت های کربن- کربن یا به عبارت دیگر فرآیند ساخت ماتریس کامپوزیت های کربن- کربن با استفاده از قیر یا رزین گرماسخت از قبیل اپوکسی یا فنولیک از چهار مرحله اصلی تشکیل شده است:
۱- ساخت پیش شکل ها: این مرحله شامل انتخاب الیاف و چسب اتصال، روش های چیدن و شکل دادن الیاف نسبت به هم و در آخر سخت کردن است.
۲- زغالی شدن: این مرحله شامل پیرویز و سپس زغالی شدن ماده اولیه ماتریس است.
۳- گرافیته شدن
۴- چگالش: این مرحله یک چرخش برای اشباع سازی کامپوزیت با کربن است.
پدیده جمع شدگی (Shrinkage) در مرحله زغالی شدن کامپوزیت به وجود می آید و باعث به وجود آمدن ترک و کم شدن چگالی میشود. این ترک ها در مرحله چگالش از بین می روند.
ماتریس کامپوزیت های کربن- کربن بعد از مرحله گرافیته شدن پر از خلل و فرج بسته به فرآیند ساخت و شکل پیش شکل ها تغییر می کند.
کامپوزیت هایی که با رزین های گرماسخت به عنوان ماتریس ساخته میشوند دارای کمترین چگالی (gr/cm375/1-55/1) هستند. خلل و فرج در ماتریس های پایه رزین به صورت یکنواخت پخش شده اند.
ماتریس های پایه قیر چگالی حدود حدود (gr/cm3 2-8/1) دارند که چگال ترین نوع کامپوزیت های کربن- کربن را تشکیل می دهند.
کامپوزیت هایی که به روش CVD ساخته میشوند، چگالی بین دو نوع فوق دارند.
چگالش:
آخرین مرحله از ساخت کامپوزیت های کربن- کربن چگالش است.
این فرآیند میتواند به روش نفوذ بخار شیمیایی (CVI) انجام شود که در آن گازهای کربن دار مثل متان ابتدا تحت فشار به درون حفره های خالی درون کامپوزیت یا ترک های ایجاد شده نفوذ می کنند سپس تا °c 1400- °c1000 حرارت می بینند. گازها بیشتر تمایل به پر کردن ترک های سطح بیرونی کامپوزیت دارند که در نتیجه آن حفره های درونی بسته میشوند و امکان چگالش آنها از بین میرود.
روش دیگری که برای چگالش کامپوزیت های کربن- کربن وجود دارد، به وسیله فاز مایع قیر یا فنولیک رزین انجام میشود که بعد از تزریق این ماده با فشار به درون کامپوزیت فرآیند زغالی شدن و عملیات حرارتی در دمای °c2700- °c 1000 روی آن انجام میشود.
فرآیند چگالش دو یا چند سیکل باید تکرار شود تا ماده چگال حاصل شود.
درمورد فرآیند ساخت ماتریس کامپوزیت های پایه قیر فرآیند پیرولیز میتواند هم در فشار محیط و هم در فشار بالا (HIP) انجام شود. تعداد سیکل های اشباع سازی ماتریس در فرآیند چگالش درصورت انجام فرآیند پیرولیز در فشار بالا (HIP) بسیار کمتر خواهد بود.
حفره ها و میکرو ترک ها در کامپوزیت های کربن- کربن پایه قیر که با روش HIP چگالش شده اند از حفره های کامپوزیت هایی که به وسیله روش CVD تولید میشوند یا آنهایی که پایه رزین هستند، کمتر میباشند.
برای داشتن اتصال خوب بین ماتریس و الیاف و کاستن ترک ها در سطح تماس ماتریس و الیاف یک روکش از جنس یک نوع کربن روی سطح الیاف یا میله های تشکیل شده از الیاف قرار می دهند.

فیبر کربن چیست؟

فیبر کربن ماده‌ای است که از الیاف بسیار نازکی که دارای اتم‌های کربن هستند ساخته می‌شود. این اتم‌ها در یک آرایش کریستالی میکروسکوپی، در جهت طولی لیف با هم پیوند دارند. این آرایش کریستالی هست که فیبر کربن را به شدت محکم می‌سازد. فیبر کربن برای ساخت مواد کامپوزیتی همراه با رزین پلاستیکی استفاده می‌شود. فیبر کربن دارای استحکام فولاد است، در حالیکه بسیار سبک است و همچنین انعطاف پذیر است. این الیاف همچنین در صورت حرارت دادن منبسط نمی‌شوند و در کل به دلیل مقاومت بالای حرارتی نمی‌سوزند. این فیبر در مقابل خم شدن و کشیدگی آسیب نمی‌بیند و بسیار مقاوم است اما اگر در برابر یک ضربه‌ی ناگهانی زیاد قرار گیرد مانند ضربه با چکش، می‌شکند. فیبر کربن دارای بهترین نسبت وزن به استقامت است.

اولین فیبر‌های کربنی
توماس ادیسون
توماس ادیسون
شما حتما شگفت‌زده می‌شوید اگر بدانید که فیبر کربن به هیچ وجه یک کشف جدید نیست. توماس ادیسون از فیلامنت‌های (همان رشته‌های نازک یا لیف را گویند) کربن در آزمایشات لامپ خود در سال ۱۸۷۹ استفاده می‌کرده است. او این الیاف را توسط حرارت دادن خیزراندر یک محیط تحت کنترل تولید می‌کرده. لیف کربن که ادیسون ساخته بود از مواد پایه سلولزی بوده است، که امروزه از مواد پایه نفتی ساخته می‌شود. الیاف کربنی که ادیسون توسط آتش زدن خیزران می‌ساخته ضد آتش بوده که آن را برای فیلامنت‌هایی که باید ملتهب می‌شدند ایده‌آل می‌ساخته است.

بعدا در سال ۱۹۵۸ راجر بیکن (Roger Bacon) تلاش کرد تا الیاف کربن را از رشته‌های ریون (ابریشم مصنوعی) بسازد اما این الیاف خیلی محکم نبودند. تنها در سال ۱۹۶۳ بود که موسسه هواپیمایی سلطنتی در همپشایر انگلستان فیبر کربن محکم تولید کرد. رولز رویس از این فیبرها در موتورهای هواپیمایی خود استفاده کرد.
ساختار پلی اکریلو نیتریل
ساختار پلی اکریلو نیتریل
امروزه الیاف کربن از پلیمر پلی اکریلو نیتریل (PAN) ساخته می‌شود. زمانیکه این پلیمر تولید می‌شود به روشی کشیده می‌شود که موازی محور لیف قرار گیرد. این پلیمر سپس در دمای ۲۰۰ الی ۳۰۰oC برای از بین بردن هیدروژن و اضافه کردن اکسیژن به مولکول اکسید می‌شود. سپس پلیمر توسط کربنیزاسیون خالص سازی می‌شود، که با گرم کردن آن تا دمای ۲۵۰۰oC در یک محیط اشباع از نیتروژن این عمل انجام می‌شود. محصول به کیفیت لیف وابسته است و پلیمری با بیش از ۹۰% کربن در آن است. مرحله نهایی در ساخت لیف کربن سایزینگ (sizing) نام دارد. در این مرحله الیفا به صورت پارچه بافته می‌شوند و درون یک رزین اپوکسی قرار داده می‌شوند. چیزی که در آخر بدست می‌آید یک صفحه فیبر کربن سیاه رنگ است که شما می‌تواند برای ساخت موارد بسیاری از آن استفاده کنید.
انواع ترکیبات فیبر کربن و استفاده‌های آن‌ها

ترکیبات فیبر کربن، ترکیباتی بسیار گران قیمت هستند. انواع مختلف این ترکیبات برای اهداف متفاوت مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای کاربردهای دمای بالا، فیبر کربنی اصلاح شده با گرافیت ایده‌آل می‌باشد. فیبر کربن می‌تواند برای فیلتر گازهای با دمای بالا بعنوان الکترود مقاوم در برابر خوردگی همراه با یک ماده‌ی ضد الکتریسیته ساکن مورد استفاده قرار گیرد. ترکیبات فیبر کربن همراه با فلزات استفاده نمی‌شوند زیرا این ترکیب، کاربیدهای فلزی تشکیل می‌دهد و فلزات در این حالت خورده می‌شوند. امروزه فیبر کربن حتی در کاربردهای شاخه پزشکی نیز استفاده می‌شود. فیبر‌های کربن به عنوان مکمل به پوست عادی در پیوند پوست اضافه می‌شود.
در بین مواد فیبری تقویت شده فایبرگلاس نقش اسب باری صنعت را بازی می کند. و در مقایسه با مواد اولیه و مصالح سنتی مانند چوب، فلزات، سیمان و.. مورد استفاده در صنعت توانسته گوی سبقت را از آنها برباید. محصولاتی که با فایبرگلاس ساخته می شوند استحکام خوبی دارند، عایق الکتریکی خوبی هستند، سبک وزن بوده و مواد اولیه آن بسیار ارزان است.
اما در کاربرد هایی که به استحکام بیشتر و وزن کمتری نیاز است، زیبایی کار هم مهم است ترکیبات فیبری قوی تر پا به میدان می گذارند.
آرامید فیبر، مانند دوپونت کلوار در کاربرد هایی با مقاومت کششی بالا مورد استفاده قرار می گیرد و یک مثال از جایی که از این ترکیبات استفاده می شود در خودروها و لباس های ضد گلوله است.

و همچنین فیبر کربن برای مصارفی که به وزن کم، سختی بالا، رسانایی بالا یا مصارفی که نیاز به بافت دارند مورد استفاده قرار می گیرند. در ادامه نمونه هایی از مصارف فیبر کربن را رائه می کنیم:
فیبر کربن در صنایع هوا فضا
صنایع هوا فضا یکی از اولین صنایعی است که از فیبر کربن استفاده کرده است. استاندارد های بالای فیبر کربن آنرا جایگزین مناسبی برای آلیاژهای آلومینیوم و تیتانیوم ساخته است. اولین دلیلی که صنایع هوا فضا به فیبر کربن علاقه نشان می دهند سبک بودن آن است.
هر کیلوگرم که از وزن صرفه جویی می شود تاثیر قابل توجهی در کاهش مصرف سوخت دارد، به همین دلیل است که هواپیمای ۷۸۷ دریم لاینر که به کمک فیبر کربن مقدار قابل توجهی از وزنش کم شده است به پر فروش ترین هواپیمای مسافربری در تاریخ لقب گرفت در این هواپیما مقدار زیادی از بدنه و شاسی از فیبر کربن ساخته شده است.
لوازم ورزشی
یکی دیگر از بازار های پر رونق برای فیبر کربن لوازم ورزشی است. ورزشکاران برای دستیابی به رکورد های بالاتر و پیروزی در برابر رقبا حاضرند برای تجهیزات سبک وزنی که با فیبر کربن ساخته می شوند پول بیشتر بپردازند. لوازم ورزشی مانند: راکت تنیس، چوب گلف، چوب بیس بال، چوب هاکی، تیر و کمان و… محصولاتی هستند که برای ساخت آنها از فیبر کربن استفاده می شود.
در رقابت های ورزشی تجهیزات و لوازم سبک و با استقامت بالا برای ورزشکاران برتری ارزشمندی هستند. به عنوان مثال با یک راکت تنیس سبک تر ورزشکار می تواند توپ را با سرعت بالاتری به سمت حریف روانه کند و سریع تر واکنش نشان دهد. و همچنین در مسابقات دوچرخه سواری ورزشکاران از دوچرخه های فیبرکربن و کفش های ورزشی فیبر کربن استفاده می کنند تا در برابر رقبا برتری خود را حفظ کنند.
پره های توربین های بادی
بیشتر توربین های بادی از پره هایی استفاده می کنند که از فیبر کربن ساخته شده اند این پره ها بیش از ۴۵ متر طول دارند، چنین پره هایی باید علاوه بر اینکه سبک باشند استحکام بالایی هم داشته باشند معمولاً ۱۰۰ درصد پره های توربین های بادی از فیبر کربن ساخته می شود و در محل اتصال به مرکز یا ریشه توربین چند اینچ ضخامت دارند.
برای یک توربین بادی هر چه پره ها سبک تر باشند راندمان تولید انرژی الکتریسته از باد بیشتر است و در عین حال باید استحکام بالایی هم داشته باشند تا در بتوانند در برابر نیروی بالای ناشی از گشتاور اعمالی به پره ها مقاومت کنند و فیبر کربن به خوبی از عهده این وظیفه بر آمده است.
صنعت خودرو سازی
خودرو های تولید انبوه هنوز خود را برای استفاده از فیبر کربن سازگار نکرده اند. به این دلیل است که هنوز هزینه های اصلاح خط تولید و مواد اولیه توجیه اقتصادی ندارد. اگر چه برای خودرو هایی که از آخرین فناوری ها استفاده می کنند، خودروهای سفارشی و دست ساز و خودرو های مورد استفاده در مسابقات اتومبیلرانی مانند فرمول ۱ و نسکار فیبر کربن بسیار پر مصرف است. ولی همیشه هم از فیبر کربن برای کاهش وزن استفاده نمی شود بلکه بخاطر ظاهر خوب آن نیز در این رقابت ها مورد توجه است.
همچنین در بازار قطعات خودرو می توانید برای بسیاری از قطعات نمونه فیبر کربن آنرا پیدا کنید که از نظر زیبایی و قدرت جلب توجه هم حرف های زیادی برای گفتن دارند و به همین دلیل بازار قطعات بدنه خودرو فیبر کربن بسیار داغ است. این قطعات به جای اینکه رنگ شوند روی آنها یک لایه کشیده می شود. و بسیار معمول است که می بینید قطعات فایبرگلاس خودرو را با یک لایه نازک از فیبر کربن می پوشانند تا به آن جلوه بیشتری بدهند همچنین در بین ماشین باز ها کلاس استفاده از قطعات فیبر کربن جایگاه ویژه ای دارد.
آنچه گفته شد فقط مصارف معمول فیبر کربن در صنعت است اما استفاده از فیبر کربن هر روز بیشتر می شود و رواج بیشتری پیدا می کند.
آینده ای سیاه با فیبر کربن!

فیبر کربن یکی از مواد نوظهوری محسوب می شود که توجه پژوهشگران و البته سرمایه گذاران را به سوی خود جلب کرده است. الیاف کربن می توانند از مواد اولیه مختلف مانند “قیر” قطران زغال سنگ (محصول جانبی حاصل از تقطیر نفت) و ریون ساخته شوند اما اکثر الیاف کربن تجاری از پلیمری به نام “پلی اکریلونیتریل”(Polyacrylonitrile) یا به اختصار “پان” (PAN) شکل می گیرند.

فیبر کربن

به گزارش “گروه علم و فناوری” عصرایران، پان زندگی خود را در قالب پودر اکریلونیتریل آغاز می کند که بعدا با یک کاتالیزور در محلولی ترکیب می شود. طی یک بازه زمانی کوتاه، به هم پیوستن بلوک ها آغاز شده و زنجیره های طولانی از پلیمر سفید را شکل می دهند. این زنجیره ها سپس توسط سیستمی از غلطک ها جمع آوری شده که فیبر را در خط تولید هدایت می کند.
فیبر مجموعه ای از شست و شو، کشش، استراحت و خشک کردن را پشت سر گذاشته در شرایطی که به صورت یک رشته بلند در می آید. نتیجه نهایی ماسوره ای از فیبر پان سفید فوق العاده خوب با طولی بین ۱,۵۰۰ متر تا ۳,۰۰۰ هزار متر است. این فیبر پان سپس با تغذیه ماسوره از طریق سه کوره مختلف به فیبر کربن تبدیل می شود. دمای بالا نقش کلیدی در شیمی الیاف دارد.

فیبر کربن

پان ترکیبی از کربن، نیتروژن، اکسیژن و هیدروژن است که به فیبری انعطاف پذیر و قابل کشش مبدل می شود اما برای دستیابی به مقاومت بالای فیبر کربن نهایی باید تمامی اتم های غیر کربن از آن حذف شوند. با عبور پان از کوره های مختلف که دارای دما و فشار کنترل شده هستند، انرژی گرمایی موجب می شود اتم های کربن در فیبر با یکدیگر پیوند خورده و تمامی اتم های دیگر به صورت گاز تبخیر شوند. این زنجیره های طولانی اتم های کربن پیوند خورده هستند که مقاومت باورنکردنی الیاف کربن را موجب می شوند.
مراحل نهایی در این روند (اکسیداسیون و اندازه گیری) ارتقا روش عملکرد الیاف در یک کامپوزیت و کمک به آنها در چسبیدن به یکدیگر را هدف گذاری کرده تا بتوانند به آسانی در هم تنیده شده و فیبر کربن شکل بگیرد. کامپوزیت های فیبر کربن، الیاف کربن بافته شده با پوشش رزین، به طور فزاینده در طیف گسترده ای از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند. در صنایع مختلف مانند هوافضا، خودروسازی، نفت و گاز، کامپوزیت های فیبر کربن جایگزین مواد سنتی مانند فولاد و آلومینیوم شده اند.

فیبر کربن

دلیل اصلی حضور کامپوزیت های فیبر کربن در خط مقدم فناوری مواد جدید به قدرت بی بدیل آنها نسبت به وزنشان باز می گردد. فیبر کربن از قدرتی مشابه با فولاد برخوردار بوده در شرایطی که از نظر وزن قابل مقایسه با آن نیست و بسیار سبک‌تر است. با تغییر نوع ماتریس پلیمر و لایه های کربن، کامپوزیت های فیبر کربن می توانند از نظر دوام از فولاد و آلومینیوم پیشی بگیرند. در حال حاضر، این ماده بادوام، قدرتمند و سبک سهم قابل توجهی در تولید تجهیزات ورزشی مانند دوچرخه و محصولات گلف به خود اختصاص داده است.
از آنجایی که فیبر کربن پیش از آن که با لایه رزین سخت پوشیده شود شکلی انعطاف پذیر دارد، تبدیل آن به اشکال پیچیده بسیار آسان است. بر همین اساس، استفاده از فیبر کربن برای تولید محصولات مختلف از قاب پشتی یک موبایل هوشمند تا رینگ خودرو امکان پذیر است.

فیبر کربن
از سوی دیگر، استفاده از فیبر کربن در زمینه بهره‌وری سوخت و متعاقب آن کاهش انتشار گازهای گلخانه ای نیز بسیار موثر است. حدود ۵۰ درصد از هواپیمای بوئینگ ۷۸۷ دریم لاینر از کامپوزیت های فیبر کربن ساخته می شود که به کاهش قابل توجه وزن، دستیابی به ارتقا ۲۰ درصدی بهره‌وری سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای کمک می کند.
فیبر کربن کاربردهای دیگری دارد که ممکن است کمتر آشکار باشند. به عنوان مثال، نوارهای فیبر کربن برای افزایش ظرفیت تحمل بار پل “گیت وست” در ملبورن استرالیا به کار گرفته شده اند.
پیش بینی می شود تقاضای جهانی برای فیبر کربن با نرخ سالانه بین ۱۳ تا ۱۷ درصد افزایش یافته و ارزش بازار کامپوزیت های تقویت شده فیبر کربن از ۱۴ میلیارد دلار در سال ۲۰۱۲ به ۳۶ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۰ برسد. ارزش و پتانسیل کامپوزیت های فیبر کربن در فناوری های آینده توجه و علاقه جهانی به پژوهش و سرمایه گذاری در این ماده را به همراه داشته است. پژوهش های جدید بر فیبرهای ارزان، فیبرهای عملکرد بالا، کاربردهای سطحی و تولید کامپوزیت پیشرفته برای ساخت نسل آینده مواد متمرکز شده اند. از این رو تجسم آینده ای به رنگ سیاه چندان غیر منطقی به نظر نمی رسد.
مراجع :
۱) http://fa.wikipedia.org/wiki
۲) www.iran-mavad.ir
۳) “نانومواد؛ خواص، تولید و کاربرد” جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان، ۱۳۸۴
نویسنده: مریم ملک دار

درخواست انجام پروژه آنالیز تصویر

همچنین ببینید

مقدمه ای بر فایبر گلاس (Fiberglass)

مقدمه ای بر فایبر گلاس (Fiberglass) ارسالی از : هانیه سعادتی فایبر گلاس (Fiberglass) : کامپوزیتی …

یک دیدگاه

  1. با سلام و عرض ادب … از مجموعه مطالب شما درمو د الیاف کربنی استفاده زیادی کردم . همانگونه که اشاره کردید الیاف کربنی دارای خواص فوقالعاده ای هستند که استفاده از آنها میتواند آبنده صنعت وتکنولوژی را دگرگون سازد ….به امید روزی که کشور عزیزمان بجای نفت , صادر کننده مصنوعات تولیدی آن باشد . متشکرم

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Time limit is exhausted. Please reload the CAPTCHA.