فیبر کربن

فیبر کربن یکی از پرکاربردترین مصالح مورد استفاده در صنعت کامپوزیت است. ساختار فیبر کربن را اتم های کربن تشکیل می دهند که با هم یک زنجیره بلند را می سازند. عنصر کربن با وزن مخصوص 2/27 گرم بر سانتیمتر مکعب، اشکال بلوری مختلفی دارد.الیاف کربن در واقع از “پیرولیز” کنترل شده الیافی ویژه، که ناشی از فرآیند تخریب مواد آلی بوسیله گرما و در غیاب اکسیژن است، بدست می آیند و حداقل دارای 90 درصدکربن هستند؛ در واقع انجام عملیات حرارتی موجب حذف عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن و باقی ماندن کربن به شکل الیاف می شود. هر رشته فیبر کربن در حقیقت متشکل از چند صد یا حتی چند هزار رشته به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری است که هرچه تعداد این رشته ها بیشتر باشد محصول دارای استحکام بیشتر و هزینه تولید بالاتر خواهد بود که البته با توجه به عمر مفید این الیاف و مقاومت بالایی که از آنها قابل تأمین است، استفاده از فیبر کربن از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است.
فیبر کربن بسیار سخت و سبک بوده و نسبت به وزن خود از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است ( وزن کربن تقریبا یک سوم فولاد و مقاومت آن ۵ الی ۱۰ برابر فولاد است) که می توان گفت یکی از مهم ترین ویژگی های فیبر کربن به شمار می رود. این الیاف در محیط های اسیدی و بازی مقاومت زیادی در مقابل خوردگی داشته و در برابر اشعه x نفوذ ناپذیرند، همچنین رسانایی الکتریکی بالا و ضریب انبساط حرارتی پایینی دارند. ویژگی هایی از این دست منجر شده است که در دهه های اخیر استفاده از الیاف کربن در موارد مختلف همچون مقاوم سازی ساختمان‌ها، صنعت هواپیماسازی و خودروسازی، ساخت قطعات صنعتی، صنایع پزشکی و بسیاری موارد دیگر کاربردهای روزافزونی یابد.

دسته:

فیبر کربن به شکل­ های مختلف (الیاف کربن تک جهته، پارچه کربنی، چاپد و…)در صنعت کامپوزیت مورد استفاده قرار می گیرد. کامپوزیت تقویت شده به وسیله فیبر کربن (Carbon Fiber Reinforced Polymer) یا به اختصار CFRP محصولی ترکیبی است که از دو جزء تشکیل شده است: فیبر کربن و ماده زمینه (ماتریس) که از اپوکسی و یا سایر پلیمرها  انتخاب می­ شود و به وسیله­ ی آن فیبر کربن سبب تقویت سطح موردنظر می­ شود. در واقع نقش اصلی فیبر کربن در کامپوزیت‌های CFRP تأمین استحکام کششی و سختی است. نقش اصلی ماتریس نیز انتقال بار از فیبر تقویتی به بستر مجاور است، ماتریس همچنین از فیبر کربن در برابر شرایط محیطی و خسارات مکانیکی احتمالی محافظت کرده و هنگامی که الیاف تحت فشار قرار گیرند از کمانش موضعی آنها جلوگیری می­ کند.

دسته بندی انواع فیبر کربن

الیاف کربن بر حسب نوع ماده­ ی اولیه، مشخصات مکانیکی، مدول الاستیسته، دمای نهایی عملیات حرارتی و تعداد رشته تشکیل دهنده فیبر کربن، در دسته بندی­ های مختلف قرار می ­گیرند. فیبر کربن بر اساس ماده ­ی اولیه به صورت فیبر کربن با مبنای الیاف اکریلیک (پلی اکریلونیتریل)، فیبر کربن با مبنای قیر صنعتی، فیبر کربن بر پایه قیر مزو فاز، فیبر کربن حاصل از قیر ایزوتروپیک، فیبر کربن با مبنای الیاف ویسکوز ریون (ابریشم مصنوعی) و فیبر کربن با مبنای فاز گازی دسته بندی می‌گردند که می ­توان تقسیم ­بندی کلی­ تری نیز برای آن در نظر گرفت به این صورت که الیاف کربن ساخته شده از گیاهان را الیاف سلولزی، الیاف ساخته شده از قیر را الیاف Pitch  و الیاف ساخته شده از پلی اکریلونیتریل را الیاف PAN می­ نامند.

دسته بندی فیبرکربن بر اساس ماده­ اولیه

ماده اولیه نام گروه
الیاف ساخته شده از گیاهان الیاف سلولزی
الیاف ساخته شده از قیر الیاف Pitch
الیاف ساخته شده از پلی اکریلونیتریل الیاف PAN

 

فیبر کربن بر اساس مشخصات مکانیکی به صورت فیبر کربن با مدول الاستیسیته بسیار بالا (بیشتر از 450GPa)، فیبر کربن با مدول الاستیسیته­ بالا (350GPa-450GPa )، فیبر کربن با مدول الاستیسته­ متوسط(250GPa-350GPa)، فیبر کربن با مقاومت کششی بالا و مدول الاستیسیته پایین( مقاومت کششی بیشتر از 3GPa و مدول کمتر از 100GPa )  دسته ­بندی می‌گردند.

دسته بندی فیبرکربن بر اساس مشخصات مکانیکی

مشخصات نام گروه
مدول الاستیسیته > 450 GPa فیبر کربن با مدول الاستیسیته­ بسیار بالا (UHM)
مدول الاستیسیته  350-450 GPa فیبر کربن با مدول الاستیسیته­ بالا(HM)
مدول الاستیسیته 250-350 GPa فیبر کربن با مدول الاستیسیته­ متوسط(IM)
مدول الاستیسیته < 100 GPa

مقاومت کششی> 3000 MPa

فیبر کربن با مقاومت کششی بالا و مدول الاستیسیته پایین (HT)
مقاومت کششی > 5000 MPa فیبر کربن با مقاومت کششی بسیار بالا (SHT)

 

فیبرهای کربن یا CFRP ها را بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی در سه دسته­ در نظر می­ گیرند:

نوع اول الیاف کربن با دمای عملیات حرارتی بیشتر از 2000 درجه ­سانتیگراد که مدول الاستیسیته بالایی دارند و الیاف HM نامیده می­ شوند.

نوع دوم الیاف کربن با دمای عملیات حرارتی حدوداً 1500 درجه­ سانتی گراد که مقاومت بالایی دارند و الیاف HS نامیده می­ شوند.

نوع سوم الیاف کربن با دمای عملیات حرارتی کمتر از 1000 درجه­ سانتیگراد که مدول الاستیسیته و مقاومت پایینی دارند .

دسته بندی فیبر کربن بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی

دمای نهایی عملیات حرارتی نام گروه
دما >2000 درجه سانتیگراد نوع اول (HM)
دما حدوداً 1500 درجه­ سانتیگراد نوع دوم (HS)
دما < 1000 درجه­ سانتیگراد نوع سوم

 

همچنین الیاف کربن همان طور که در جدول زیر  آمده است، بر اساس تعداد رشته سازنده فیبر نهایی به دو دسته تقسیم ­بندی می­ شوند.

دسته بندی فیبرکربن بر اساس تعداد رشته تشکیل دهنده

تعداد رشته نام گروه
24000>  تعدادرشته فیبر سبک
24000< تعداد رشته فیبر سنگین

 

تولید فیبر کربن

تولید فیبر کربن بر مبنای الیاف  PAN (پلی اکریلو نیتریل) در سه مرحله­ زیر انجام می­ شود:

مرحله­ اکسیداسیون یا پایدارسازی اکسیدی: در این مرحله الیاف اکریلیک (PAN) تحت عملیات کشش وعملیات حرارتی اکسیدی در محدوده­ دمایی 200 تا 300 درجه­ سانتیگراد به صورت همزمان قرار می ­گیرند. به این مرحله تثبیت سازی یا پایدارسازی هم گفته می­ شود.

مرحله­ ی کربونیزاسیون : در این مرحله الیاف به مدت چند ساعت در مجاورت یک گاز بی ­اثر (عموماً نیتروژن) تحت عملیات حرارتی 1000 تا 1700 درجه­ سانتیگراد قرار می ­گیرند و عناصر غیر کربنی آزاد می ­شوند. این مرحله بدون اعمال کشش بر روی الیاف است. در این مرحله ساختار الیاف کربن از ساختار زنجیره­ای خطی به ساختار صفحه ­ای تغییر می­ کند.

مرحله­ ی گرافیتاسیون: در این مرحله الیاف تحت درجه حرارتی بین 2500 تا 3000 درجه­ سانتیگراد قرار می­ گیرند. لازم به ذکر است که عمل گرافیتاسیون برای دستیابی به الیاف کربن با مدول الاستیسته­ بالاتر (500GPa-600GPa) انجام می­ شود. این عملیات موجب بهبود جهت گیری کریستال های بتنی و درنتیجه بهبود کیفیت مشخصات مکانیکی دیگر می­ شود.

انواع فیبر کربن

فیبر کربن به صورت های زیر در مقاومت ­ها و وزن ­های گوناگون در صنعت کامپوزیت مورد استفاده قرار می­ گیرد:

  • فیبر کربن
  • الیاف تک جهته کربن به صورت نوار کربن در عرض های مختلف
  • پارچه کربن به صورت بافت پارچه دوجهته ساده یا حصیری (Plain)، بافت ساتین(Satin) و بافت توییل(Twill)
  • فیبر چاپد شده یا بریده شده کربن

 

مزایای فیبر کربن

  • مدول الاستیسیته­ بالا
  • مقاومت کششی بالا
  • مقاومت بالا در محیط های اسیدی و قلیایی
  • استحکام بالا در برابر خستگی که دوام فیبر کربن را در پی دارد.
  • وزن مخصوص پایین (سبک بودن) که منجر به حمل و نقل آسان و سرعت اجرای بالای این الیاف شده است.
  • ضریب انبساط حرارتی پایین که باعث ثابت ماندن طول فیبر کربن می­ شود.
  • هدایت الکتریکی بالا
  • نفوذ ناپذیری مغناطیسی

معایب فیبر کربن

  • شکنندگی
  • مقاومت کم در برابر ساییدگی و خراشیدگی
  • قیمت بالاتر به نسبت فولاد و الیاف شیشه

کاربرد فیبر کربن

فیبر کربن دارای مشخصه های لازم برای کاربردهای ویژه می ­باشد از این رو در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می ­گیرد. در آغاز به علت قیمت­ های بسیار بالای الیاف کربن، این الیاف به عنوان جزء تشکیل دهنده کامپوزیت های پیشرفته در صنایع هوایی و نظامی بکار گرفته می­ شد اما با گذشت زمان به دلیل خصوصیات منحصر به فرد مکانیکی و فیزیکی، در مدتی کوتاه کاربرد آن در دیگر صنایع نیز رشد و تکاملی سریع یافت. امروزه فیبر کربن در قالب انواع محصولات مختلف و به عنوان تقویت کننده در انوع کامپوزیت­ ها به خصوص کامپوزیت­ های زمینه پلیمری در صنایع گوناگونی بکار گرفته می­ شوند. کامپوزیت­ های کربنی 5 برابر قوی­ تر از فولاد و 5 برابر سبک­ تر از آن است. این کامپوزیت ها در مقایسه با آلومینیوم نیز 7 برابر مستحکم تر و 1/5 آلومینیم وزن دارند. بررسی­ ها نشان می دهند با توجه به تنوع ماده اولیه مناسب برای تولید فیبر کربن و امکان استفاده از روش ­های تولید مختلف، عرضه این الیاف افزایش خواهد یافت و در آینده می­ توان بر اساس کاربرد، الیاف کربن های ویژ­ه­ با خصوصیات منتخب تولید نمود. لذا به نظر می­ رسد به دلیل کارایی و خواص برتر، الیاف کربن به تدریج جایگزین بسیاری از مصالح و مواد صنعتی مرسوم فعلی شده و در آینده ­ای نزدیک این الیاف به عنوان یک ضرورت در زندگی روزمره مطرح می­ شوند. در ادامه برخی از کاربردهای الیاف کربن بیان شده است:

کاربرد فیبر کربن در صنعت ساختمان: مقاوم سازی و بهسازی لرزه ­ای سازه­ های موجود با کامپوزیت های CFRP ،ساخت دیوارهای با مقاومت بالا و سبک کربنی، پل ­ها، تونل ­ها، پارکینگ­ ها،دیوارهای جداکننده، سیستم پیش ­تنیده و پس ­کشیده­ بتنی، الیاف تقویت کننده بتن های پرمقاومت و ساخت صفحات و ورق ها و لمینت کربن.

کاربرد فیبر کربن در صنعت حمل و نقل و خودرو:بدنه­ ی خودروها و قطعات مختلف خودرو (مخازن گاز مایع خودرو، لنت­ های ترمز و..)، بدنه ­ی ماشین­ های مسابقه ، بدنه­ ی کشتی­ ها و…

کاربرد فیبر کربن در صنایع هوافضا : سازه­ های داخلی کابین مسافرین در هواپیماهای مسافربری (مانند پانل های جداره صندلی ها و میزها ، پوشش ­های کربنی) و قطعات حساس موتور هواپیما، اجزای سازه ای ماهواره ­ها، نازل موشک­ های دوربرد، لبه­ ی بال هواپیماهای جنگنده و..

کاربرد فیبر کربن در صنایع پزشکی: اجزای تجهیزات پرتوی X، ساخت صندلی­ های چرخدار،انواع اجزای مصنوعی بدن و ..

کاربرد فیبر کربن در بخش انرژی: صنایع الکترونیک،تجهیزات الکتریکی و ماشین سازی، باتری های سوختی، پره ­های توربین­ ها و آسیاب های بادی برای تولید برق از انرژی باد، ساخت غلتک­ ها و چرخ دنده ­های پرسرعت، آنتن­ ها، مواد عایق الکتریکی، قاب­ های موبایل­ و تبلت و…

نقد و بررسی‌ها

هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.

اولین کسی باشید که دیدگاهی می نویسد “فیبر کربن”