الیاف کربن | تعریف | روش تولید | کاربردها

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 (Coaltar pitch) و نوع ویژه ای از الیاف فنلیک.

الیاف کربن ازطریق پیرولیز پیش زمینه های آلی که به شکل الیاف هستند،ساخته میشود. درواقع انجام عملیات حرارتی موجب حذف عناصری ماننداکسیژن، نیتروژن وهیدروژن و باقیماندن کربن به شکل الیاف میشود.

در پژوهش‌هایی که بر روی 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:

۱- مرحله پایدار سازی اکسیدی: در این مرحله الیاف PAN هم زمان با اعمال کشش مورد عملیات حرارتی اکسیدی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی گراد قرار می گیرد. این عملیات، PAN گرما نرم را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می کند.

۲- مرحله کربنیزاسیون: بعد از اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ 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 ۵۰ درصد به نسبت الیاف PAN نخستین، به دست می آید.

۳- مرحله گرافیتاسیون: بسته به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب کشسانی، و اعمال این مرحله در محدوده دمایی مابین ۱۵۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد، موجب بهبود درجه جهت‌گیری کریستالیت های کربنی درجهت محور الیاف و بنابراین مایه‌ی بهبود ویژگی‌ها می‌شود.

تولید الیاف کربن ازدیگر پیش زمینه ها نیزکمابیش دارای مراحل اصلی است که درمورد تولید از پیش زمینه PAN آورده شد.

ساختار الیاف کربن

مشخصه‌های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاه‌های میکروسکوپ 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 شده‌اند، 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 می‌دهد.

عموماًدیده شده که هرچه استحکام کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد، ویژگی های کششی الیاف کربن به دست آمده نیز بیشتر می‌شود.

چنان‌چه 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 ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد مایه ی افزایش استحکام می شود ولی پس از ۱۳۰۰ درجه، استحکام به آرامی کم می شود. این موضوع در مورد ضریب کشسانی نیز صادق است.

الیاف کربن بسیار ترد هستند. لایه ها درالیاف بااتصالات ضعیف واندروالسی به همدیگرمتصل شده اند. تجمع فلس مانندلایه ها موجب میشود تا رشد ترک درجهت عمود برمحورالیاف 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.

کاربردهای الیاف کربن:

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 ونقل بدینگونه اند: مخازن گازمایع خودروها، قطعات موتور، کمک فنر، شفتهای انتقال نیرو، ملحقات چرخ وجعبه فرمان، لنت های ترمز، بدنه ماشین های مسابقه، بدنه کشتی ها و فنرهای لول.
 

صنایع ساختمانی و معماری

موادساختاری پل‌ها، سازوکارپل‌های جمع شونده، تقویت کننده بتن‌های 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 هواپیماسازی 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 می‌توانند دارای الیاف کربن باشند.


صنایع پزشکی

الیاف کربن درساخت استخوان مصنوعی، اجزای تجهیزات پرتوی ایکس، صندلی های چرخدار، انواع اجزای مصنوعی بدن برای معلولین و دریچه قلب به کار می‌روند.

بخش انرژی:

ازجمله کاربردهای الیاف کربن دربخش انرژی، میتوان بدین موارد اشاره کرد: باتری های سوختی، پره های توربین و پره‌های آسیاب های بادی برای تولید برق از انرژی باد.

صنایع الکترونیک، تجهیزات الکتریکی و ماشین سازی:

این کاربردها عبارتند از: قاب رایانه‌های همراه، اجزای رایانه‌ها، بازوی ربات‌های صنعتی، چرخ دنده‌ها، غلتک‌ها، چرخدنده‌های پرسرعت، قطعات خود روغنکاری شونده، آنتن ها، مواد عایق الکتریکی، مخازن تحت فشار و تانکرهای با کاربرد های خاص، غلتک چاپ گرها و قاب تلفن های همراه.

منبع: پلی اتیلن نوین