فیبر کربن چیست و چه مزایا و کاربرد هایی دارد؟
فیبر کربن رشته الیافی است که از حرارت دادن مواد آلی که قسمت عمده آن از کربن تشکیل شده است در محیط گاز های بی اثر حاصل می شود. الیاف کربن در ساختار خود حداقل باید ۹۰ درصد کربن داشته باشد و از فرایند پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه ، حاصل می شود.
فیبر کربن نامحلول در آب ، بدون بو ، سیاه رنگ که مقاومت بسیار بالایی در برابر مواد خورنده مانند اسید ها ، باز ها دارد . الیاف کربن به صورت تک جهته و دوجهته وجود دارد . در حالت تک جهته ، فیبر کربن موازی با راستای صفر درجه است و در حالت دو جهته این فیبر به صورت دو راستای صفر و عمود بر آن قرار دارند. فیبر کربن در زمینه های مختلفی کاربرد دارد . از کاربرد های آن می توان به صنایع دفاعی، خودرو سازی ، مقاوم سازی ساختمان ها و بسیاری از صنایع مهم اشاره کرد . در ساخت فیبر کربن معمولاً با اضافه کردن موادی مثل رزین اپوکسی به سازه ها ( المان ها و اعضای باربر ) ظرفیت خمشی ، برشی ، محوری آن ها را تقویت می کنند .
این فیبر ها مقاومت بالایی در برابر حرارت دارند و از دسته الیاف غیر انفجاری محسوب می شوند . از دیگر ویژگی های فوق العاده آن وزن سبک و مقاومت بالای آن است . این ویژگی باعث استفاده گسترده از فیبر کربن در صنعت کامپوزیت FRP و بهسازی لرزه ای سازه ها شده است . از دیگر مزایای فیبر کربن مقاومت کششی بالای آن است . در این مقاله از نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به درباره خواص و کاربرد و انواع فیبر کربن می پردازیم ، با ما همراه باشید.
تاریخچه فیبر کربن
در دهه ۱۹۵۰ میلادی ، الیاف کربن خالص ، ویژگی های منحصر به فرد و فوق العاده ای مثل وزن سبک درکنار مقاومت و سختی بالا داشت و برای ساخت سازه های محکم و فوق سبک بسیار ایده آل بود . این ماده در ابتدا در بازار فروش بسیار گران قیمت بود و استفاده از آن در صنعت بسیار محدود بود.
در سال ۱۹۶۰ ریچارد میلینگتون از کمپانی Thompson Fiberglas با استفاده از ابریشم مصنوعی روشی را ابداع کرد ، که درآن فیبر با کربن بالا ۹۹ درصد تولید می شد ،که باعث پایین آمدن قیمت کربن در بازار خرید و فروش شد. کاهش قیمت این محصول باعث گسترش استفاده از این ماده در صنعت ساختمان و پل جهت مقاوم سازی و تقویت سازه ها شد . امروزه نیز از این ماده برای افزایش مقاومت در کامپوزیت های پلیمری با مقاومت بسیار بالا در صنایع مختلف استفاده می شود.
فیبر کربن چیست
الیاف کربن (به انگلیسی: Carbon fibers) از در صنعت مقاوم سازی و کامپوزیت بسیار پرکاربرد است.این الیاف ضریب الاستیک نسبتاً بالایی نسبت به شیشه و کولار دارد . ضریب انبساط گرمایی این ماده در دماهای مختلف کم است و این موضوع باعث پایداری طولی این الیاف در دماهای مختلف می شود.
فیبر کربن دارای قطری در حدود ۵ تا ۱۰ میکرومتر (یکا) است و چگالی‌ای آن در حدود ۱.۹ g/m³ می باشد . این ماده در مقاومت های کششی و ضرایب الاستیسیته مختلف و هم چنین در بافت مختلفی مانند الیاف کربن تک جهته و الیاف کربن دو جهته برای صنایع مختلف جهت تولید مصالح کامپوزیت و مقاوم‌سازی انواع سازه‌های بتنی استفاده می شود. مقاومت کششی فوق العاده فیبر کربن نسبت به وزنی که دارد از امتیاز های ویژه این ماده محسوب می شود ، که باعث شده است که وزن فیبر کربن یک سوم وزن فولاد و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت داشته باشد . این الیاف در برابرد مواد شیمیایی پایدار هستند و نسبت به اشعه x غیر قابل نفوذ می باشند. این ماده رسانایی الکتریکی بسیار خوبی دارد و در ساخت کامپوزیت های سبک و مستحکم CFRP استفاده می شود.الیاف کربن با در نظر گرفتن نیاز صنعت های مختلف در طیف گسترده ای از انواع فیبر از ۳K تا ۵۰K و با وزن‌های مختلف ارائه می شود.
منابع تولید الیاف کربنی
۱) الیاف کربنی ساخته شده از گیاهان یا سلولوزی
۲) الیاف کربنی ساخته شده از قیر
۳) الیاف کربنی ساخته شده از پلی اکریل نیتریل(PAN)
در حال حاضر پیشروی الیاف کربنی ساخته شده از قیر و پلی اکریل نیتریل (PAN)بیشتر میباشد
خواص الیاف کربن
این خواص براساس شرایط عملیات کربنیزاسیون و فرایند حرارتی ، ماده خام پلیمر اولیه و هم چنین افزودنی های خاص تعریف می شود.
پارامتر مدول Modulus ، مقدار نیروی لازم در واحد سطح را برای انجام یک تغییر شکل را تعیین می کند . واحد اندازه گیری آن پاسکال (Pa) است . به طور معمول تغییر شکل در مدول بالاتر دشوار تر است . مدول کششی الیاف معیار اصلی طبقه بندی الیاف کربن است. مدول کششی مخفف ” مدول الاستیسیته ” است . مدول های الاستیسیته شامل مدول یانگ، مدول برشی و مدول حجمی می شود. مدول الاستیسیته ، اندازه گیری میزان سفتی یک فیبر با قطر خاص یا مقاومت در برابر کشش است ، هرچه عدد بیشتر باشد ، فیبر سفت تر است.
الیاف کربن بر پایه PAN ,Gpa 400- 200 مدول یانگ برای زمانی است که الیاف از جهت طولی کشیده شود. زمانی که الیاف از جهت عرضی کشیده شود مدول یانگ Gpa 25- 5 است .
مقاومت شیمیایی الیاف کربن
مقاومت الیاف کربن در برابر عوامل مهاجم یکی از خواص الیاف کربن است ، که قابلیت استفاده از آن را در کاربرد های آینده و در زمینه های مختلف ، اثبات می کند . این خاصیت به فاکتور هایی مانند ویژگی‌های ساختاری الیاف کربن ، نوع ماده خام اولیه ، حالت وجودی المان‌ها در الیاف ، دمای عملیات حرارتی بستگی دارد .
مقاومت اسیدی این ماده می تواند از طریق افزایش دمای عملیات حرارتی افزایش یابد ،چون در این فرایند سهم باندهای پایدارتر بیشتر می شود. حال آنکه اگر شبکه کربنی تکمیل تر شود ، واکنش گر به شبکه الیاف نفوذ نخواهد کرد.
بنابراین این الیاف در دمای معمولی اتاق دچار تغییرات ناچیزی می شوند حتی اگر در معرض یک سیال خورنده به مدت طولانی قرار بگیرد ، می تواند خاصیت خود را حفظ کند. پایداری الیاف کربنی در دماهای زیاد کمتر می شود به ویژه زمانی که عوامل مهاجم اکسیژن دار باشند .
خواص الکتریکی فیبر کربن
کنترل مقاومت الکتریکی در الیاف کربن به سه روش است :
- با رژیم دمایی- حرارتی در فرایند تشکیل الیاف
- کشش آرایش دهنده الیاف در طول مراحل تشکیل و کربنیزاسیون
- اضافه کردن گروه‌های عاملی و المان‌های شیمیایی به الیاف کربن
مؤلفه مقاومت الکتریکی الیاف کربن وابسته به عامل دمای کربنیزاسیون است. اگر محدوده دمایی فرایند کربنیزاسیون بین ۸۰۰–۳۰۰ درجه سانتیگراد باشد، مقاوت الکتریکی آن به سرعت کاهش می یابد . این دما اگر بین ۹۰۰–۸۰۰ درجه سانتی گراد باشد، کاهش مقاومت الکتریکی کندتر می شود. اگر عملیات کربنیزاسیون در دماهای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتیگراد انجام شود، تغییرات مقاومت الکتریکی ناچیز خواهد بود.
تغییر اندازه در قطر الیاف ممکن است باعث تغییرات مقاومت الکتریکی الیاف کربن شود .اگر افزایش دمای عملیات حرارتی با فرایند افزایش کشش خارجی همراه باشد، باعث رشد کریستالها در این الیاف می شود و این پدیده موجب افزایش هدایت الکتریکی می‌شود.
دسته بندی انواع فیبر کربن
قسیم بندی نوع محصولات فیبر کربن و ویژگی‌های خاص آنها خود در برگیرنده طیف وسیعی از فرایندهای صنعتی است. الیاف کربن، دارای ویژگی‌های بسیار عالی بوده و در انواع مختلف استفاده می‌شود. تامین کنندگان این ماده می‌توانند با استفاده از مواد اولیه متنوع و فرآیندهای تولید متفاوت، تنوع گسترده‌ای از الیاف را با فاکتورهای متعدد به بازار عرضه کنند.
دسته بندی این ماده براساس مولفه های زیر صورت می گیرد:
- نوع ماده ی اولیه
- مشخصات مکانیکی
- مدول الاستیسته
- دمای نهایی عملیات حرارتی
- تعداد رشته تشکیل دهنده فیبر کربن
دسته بندی ماده ی اولیه فیبر کربن براساس موارد زیر است :
- بر مبنای الیاف اکریلیک (پلی اکریلونیتریل)
- برمبنای قیر صنعتی
- بر پایه قیر مزو فاز
- فیبر کربن حاصل از قیر ایزوتروپیک
- بر مبنای الیاف ویسکوز ریون (ابریشم مصنوعی)
- بر مبنای فاز گازی
دسته بندی فیبرکربن بر پایه 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 |
دسته بندی فیبرکربن برپایه مشخصات مکانیکی
| مشخصات | نام گروه |
| مدول الاستیسیته > 450 GPa | فیبر کربن با مدول الاستیسیته بسیار بالا (UHM) |
| مدول الاستیسیته ۳۵۰-۴۵۰ GPa | فیبر کربن با مدول الاستیسیته بالا(HM) |
| مدول الاستیسیته ۲۵۰-۳۵۰ GPa | فیبر کربن با مدول الاستیسیته متوسط(IM) |
| مدول الاستیسیته < 100 GPaمقاومت 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) |
دسته بندی فیبر کربن بر پایه دمای نهایی عملیات حرارتی
| دمای نهایی عملیات حرارتی | نام الیاف |
| دما >2000 درجه سانتیگراد | نوع اول (HM) |
| دما حدوداً ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد | نوع دوم (HS) |
| دما < 1000 درجه سانتیگراد | نوع سوم |
دسته بندی فیبرکربن بر اساس تعداد رشته تشکیل دهنده :
| تعداد رشته | نام گروه |
| ۲۴۰۰۰> تعدادرشته | فیبر سبک |
| ۲۴۰۰۰< تعداد رشته | فیبر سنگین |
مزایای الیاف کربنی
- غیر قابل نفوذ در مقابل اشعه X
- هادی بسیار خوبی از برق
- ضریب انبساط گرمایی پایین
- ضریب الاستیک بالا
- نسبت مقاومت کششی و مدول الاستیسیته ی بسیار زیاد نسبت به وزن
- افزایش مقاومت خمشی و برشی سازه
- فزایش ظرفیت باربری سازه
- تغییر طول بسیار پایین آن حدود ۱/۰
- مقاومت بالای این ماده در مقابل محیط خورنده ی اسیدی و مواد شیمیایی
- این ماده در عین حال اینکه از فولاد قوی تر و مستحکم تر است، ۷۰% سبکتر از فولاد است.
- این الیاف به سبب داشتن وزن کم و دوام بسیار عالی در صنعت ساخت هواپیما بیشتر جایگزین آلومینیوم می شوند.
- توانایی تولید بافت و تولید پارچه از لیاف کربن ( به دلیل خاصیت انعطاف پذیری بالا)
- مقاومت این الیاف در تست کشش ۴ برابر بیشتر از فولاد و ۸ برابر بیشتر از آلومینیوم است.
- در زمینه مقاوم سازی به دلیل بالا بودن انعطاف پذیری الیاف کربنی ، می توان در سطوح منحنی به خصوص ستون دایره ای از آن استفاده کرد .
- نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن – مقاومت کششی بالا
- استحکام مناسب در برابر خستگی
- ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین
- غیر قابل انفجار بودن فیبر کربن
- دارای چگالی کم با قدرت بسیار بالا نسبت به وزن
- ضریب الاستیک بالاتر نسبت به الیاف شیشه
معایب الیاف کربنی
- اگر این ماده بیشتر از قابلیت های قدرت خود تحت فشار قرار گیرد ، خواهد شکست .
- قیمت الیاف کربنی
- کرنش در شکست
- پایین بودن مقاومت ضربه ای این ماده در برابر ضربه ی ناگهانی
- به دلیل تغییر طول محدود (حدود ۱/۰) ،الیافی ترد محسوب می شود.
- کربن دارای خاصیت رسانای الکتریکی است ومنجر به اتصال کوتاه در قطعات غیر عایق می شود.
- هنگام کار با این الیاف باید مراقب شکنندگی آن باشیم
- مقاومت پایین در برابر ضربه
- مقاومت کم دربرابر ساییدگی و خراشیدگی
- نداشتن مقاومت خوب در برابر اکسیژن در دمای ۴۰۰ درجه سانتی گراد
کاربرد فیبر کربن در صنایع مختلف
کاربرد فیبر کربن در صنعت ساختمان
فیبر کربن از مقاوم ترین مصالح ساختمانی است . این ماده دارای استحکامی بیشتر از فولاد است،در حالیکه بسیار سبک است.مقاومت و مدول کششی آن فوق العاده بالا است. با کامپوزیت CFRP مقاوم سازی ساختمان و تقویت سازه ها را انجام می دهند. از دیگر کاربردهای آن در صنعت ساختمانی می توان به استفاده در دیواره داخلی تونل ها ، تولید سازه های بتنی ، ساخت دیوارها ،تولید صفحات، ورقها و لمینیت کربن ، الیاف تقویت کننده بتن اشاره کرد .
کاربرد فیبر کربن در صنعت خودرو
فیبر های کربن دارای خواص الکتروشیمیایی مطلوب و سختی فوق العاده که با فولاد هم ترازی می کند ، گزینه ایده آل برای ساخت بدنه خودرو ها است. این ماده علاوه بر کاهش چشم گیر وزن خودرو می تواند از بدنه خودرو برای ذخیره و بهینه کردن انرژی استفاده کند.
استفاده از فیبر کربن هرروز در حال گسترش است و از آن در بدنه خودرو ، قطعات خودرو، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز ، ساخت سپرهای کربنی خودروها و…. استفاده می کنند.امروزه در ساخت خودروهایی مانند «مک‌لارن»، «بی‌ام‌و»، «لامبورگینی» و «کانیخزگ» از پلاستیک تقویت شده فیبر کربنی (CRFP) استفاده می شود.
کاربرد فیبر کربن در صنایع هوا فضا و هواپیما سازی
خواص فیزیکی عالی ، پایداری شیمیایی ، استحکام و عملکرد بالا و کاهش نویز از ویژگی هایی هستند که برای استفاده در زمینه های فناوری پیشرفته مانند ساخت اجزای سازه ای ماهواره ها ، سازه های داخلی هواپیماها ،قطعات موتورخودرو، نوک هواپیماهای مافوق صوت بسیار ارزشمند است.
کاربرد فیبرکربن در صنایع پزشکی
- استفاده از این ماده در ساخت اجزای تجهیزات پزشکی کربنی ، ساخت اندام و استخوان مصنوعی بدن
- استفاده از آن در رایانه های لپ تاب و چاپگر ها به دلیل رسانا بودن الیاف کربنی
- استفاده از آن در توربین های بادی به دلیل استحکام و دوام بالاتر نسبت به الیاف شیشه
کاربرد الیاف کربن در بخش انرژی
- ساخت پره توربین های کربنی و آسیاب های بادی جهت تولید برق از انرژی باد، ساخت و تولید باتری‌های سوختی و…
- کاربرد الیاف کربن در صنایع تجهیزات الکتریکی، الکترونیک و ماشین سازی
- ساخت چرخ دنده های کربنی، غلتک های کربنی، چرخ دنده های پرسرعت کربنی، قطعات خود روغنکاری شونده، آنتن های کربنی، مخازن تحت فشار کربنی، قاب تلفن های همراه و …
شرایط نگهداری الیاف کربنی
الیاف کربنی باید در محیطی خشک دمای ۴ تا ۴۰ درجه سانتی گراد و دور از تابش نور خورشید نگهداری شود.
خرید فیبر کربن
فیبر کربن یک ماده بسیار سبک و قوی است که نسبت وزن به استحکام پایینی دارد. این ترکیب پنج برابر قوی تر از فولاد و دو برابر سفت تر از فولاد است. مقاومت شیمیایی بالایی نسبت به فولاد دارد. این خواص فیبر کربن باعث افزایش استفاده از آن در صنعت خودروسازی برای تولید خودروهای سبک وزن و بسیار بادوام شده است. فیبر گرافیت دوام خودرو را افزایش می دهد و چرخه عمر طولانی قطعات بدنه را تضمین می کند. تقاضای جمعی برای ساخت قطعات بدنه خودرو، مانند کاپوت، سقف، درب، درب عرشه، تیرهای سپر، به نفع مصرف محصول است. افزایش مصرف کامپوزیت های فیبر گرافیت در اتومبیل های موتور اسپرت و وسایل نقلیه لوکس باعث رشد بازار می شود.
فیبر کربن یک ماده پیشرفته است که یک راه حل ایده آل در نظر گرفته می شود که الزامات تولید کنندگان خودرو را برآورده می کند. شرکت‌ها در حال سرمایه‌گذاری در تحقیق و توسعه و اتخاذ استراتژی‌هایی برای ابداع روش‌های جدیدی هستند که با استفاده از این الیاف، وزن کلی خودرو را کاهش می‌دهند. این ماده دارای چگالی کمتر از ۱.۶ گرم بر سی سی است که آن را به ماده ایده آلی برای ساخت قطعات بدنه بسیار سبک برای اتومبیل تبدیل می کند. یک وسیله نقلیه سبک وزن راندمان بهتر سوخت و کاهش وزن ۱۰ درصدی را فراهم می کند و ۶ تا ۸ درصد در مصرف سوخت صرفه جویی می کند. این منجر به استفاده گسترده از پلیمر تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) در وسایل نقلیه مختلف از موتور سیکلت گرفته تا ابرخودروهای سطح بالا شده است. برای خرید فیبر کربن می توانید در اینترنت جستجو کرده و به دنبال شرکت های تولید و توزیع این ترکیب باشید. فیبر کربن انواع مختلفی دارد و بر همین اساس با قیمت های مختلفی نیز به فروش می رسد. شما می توانید بر اساس اهداف خود هر یک از آنها را خریداری کنید.
