اخبار فرش ماشینی

الياف كربن ‍Carbon Fibre

درفرهنگ واژگان نساجي آمده است : الياف کربن به اليافي گفته مي شود که دست کم داراي ۹۰ درصد کربن هستند و از پيروليز کنترل شده اليافي ويژه به دست مي آيند . اصطلاح الياف گرافيتي درمورد اليافي به کار مي رود که کربن آنها بيش از ۹۹ درصد باشد . انواع گوناگوني از الياف به عنوان پيش زمينه توليد الياف کربن وجود دارد که داراي ويژگي هاي انحصاري و مورفولوژي ويژه هستند . پرمصرف ترين الياف پيش زمينه عبارتند از : الياف پلي اکريلونيتريل ( ‏PAN‏ ) ، الياف سلولزي ( مانند ريون ويسکوز و پنبه ) ، قير حاصل از قطران ذغال سنگ ( ‏Coal tar pitch‏ ) و نوع ويژه اي از الياف فنليک .

الياف کربن از طريق پيروليز پيش زمينه هاي آلي که به شکل الياف هستند ، ساخته مي شود . در واقع انجام عمليات حرارتي موجب حذف عناصري مانند اکسيژن ، نيتروژن و هيدروژن و باقي ماندن کربن به شکل الياف مي شود . در پژوهش هايي که برروي الياف کربن انجام شده ، مشخص گرديده که ويژگي هاي مکانيکي الياف کربن با افزايش درجه تبلور و ميزان جهت گيري الياف پيش زمينه و کاهش نواقص موجود در آنها ، بهبود مي يابد . بهترين راه براي دست يابي به الياف کربن با ويژگي هاي مناسب ، استفاده از الياف پيش زمينه با بيشترين مقدار جهت گيري و حفظ آن در طي فرآيندهاي پايدار سازي و کربنيزاسيون از طريق اعمال کشش در طول فرآيند است .
توليد الياف کربن از پيش زمينه پلي اکريلونيتريل

براي توليد الياف کربن با کيفيت بالا از پيش زمينه ‏PAN‏ و سه مرحله اساسي وجود دارد :

۱- مرحله پايدار سازي اکسيدي : در اين مرحله الياف ‏PAN‏ هم زمان با اعمال کشش مورد عمليات حرارتي اکسيدي در محدوده دمايي ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتي گراد قرار مي گيرد . اين عمليات ، ‏PAN‏ گرما نرم را به ترکيبي با ساختار نردباني يا حلقه اي تبديل مي کند .

۲- مرحله کربنيزاسيون : بعد از اکسيداسيون ، الياف بدون اعمال کشش در پيرامون دماي ۱۰۰۰ درجه سانتي گراد در محيط خنثي ( معمولا ً نيتروژن ) براي مدت چند ساعت ، مورد عمليات حرارتي کربنيزاسيون قرار مي گيرند . درطي اين فرآيند ، عناصر غيرکربني آزاد مي شود و الياف کربن با بالانس جرمي ۵۰ درصد به نسبت الياف ‏PAN‏ نخستين ، به دست مي آيد .

۳- مرحله گرافيتاسيون : بسته به نوع الياف کربن مورد نظر ، از لحاظ ضريب کشساني ، و اعمال اين مرحله در محدوده دمايي مابين ۱۵۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتيگراد ، موجب بهبود درجه جهت گيري‏ کريستاليت هاي کربني درجهت محور الياف و بنابراين مايه ي بهبود ويژگي ها مي شود .  توليد الياف کربن از ديگر پيش زمينه ها نيز کمابيش داراي مراحل اصلي است که در مورد توليد از پيش زمينه ‏PAN‏ آورده شد .

ساختار الياف کربن
مشخصه هاي ساختاري الياف کربن بيشتر با دستگاههاي ميکروسکپ الکتروني و پراش پرتوي ايکس قابل بررسي است . برخلاف گرافيت ، ساختار کربن بدون هرگونه نظم سه بعدي است . در الياف کربن برپايه ‏PAN‏ ، ساختار الياف در طي عمليات پايدار سازي اکسيدي و متعاقب آن کربنيزاسيون ، از ساختار زنجيره اي خطي به ساختار صفحه اي تغيير مي کند . به اين ترتيب صفحات اصلي در پايان مرحله کربنيزاسيون در جهت محور طولي الياف قرار مي گيرند . بررسي هاي اشعه ‏X‏ با زاويه تفرق باز ( ‏Wide angle X-ray‏ ) نشان مي دهد که با افزايش دماي عمليات کربنيزاسيون ، ارتفاع انباشتگي و مقدار جهت گيري صفحات اصلي ، افزايش مي يابد . قطر منوفيلامنت هاي ‏PAN‏ تأثيرعمده اي بر نفوذ عمليات کربنيزاسيون در الياف کربن توليدي دارد ، به همين دليل تغيير در ساختار کريستالوگرافي پوسته و هسته هر منوفيلامنت در اليافي که کاملا ً پايدار شده اند ، به وضوح قابل مشاهده است . پوسته از جهت گيري مرجح طولي بالا به همراه انباشتگي زياد کريستاليت ها برخوردار است درحالي که هسته ، جهت گيري کم تر صفحات اصلي و حجم کم تر کريستاليت ها را نشان مي دهد .

عموما ً ديده شده که هرچه استحکام کششي الياف پيش زمينه بيشتر باشد ، ويژگي هاي کششي الياف کربن به دست آمده نيز بيشتر مي شود . چنان چه مرحله پايدار سازي به صورتي مناسب انجام گيرد ، در آن صورت استحکام کششي و ضريب کشساني با کربنيزاسيون تحت کشش ، به مقدار بسيار زيادي در محصول کربني نهايي بالا مي رود . بررسي هاي انجام شده با دستگاههاي پراش پرتوي ايکس و پراش الکتروني نشان داده است که در الياف کربن با ضريب کشساني بالا ، کريستاليت ها پيرامون محور طولي الياف قرار گرفته اند . اين درحالي است که صفحات لايه اي با بيشترين جهت يافتگي به موازات محور الياف استقرار يافته اند . به طور کلي استحکام الياف کربن به نوع پيش زمينه ، شرايط فرآيند ، دماي عمليات حرارتي و وجود نواقص ساختاري در الياف ، ارتباط دارد . در الياف کربن با پيش زمينه ‏PAN‏ و افزايش دما تا ۱۳۰۰ درجه سانتي گراد مايه ي افزايش استحکام مي شود ولي پس از ۱۳۰۰ درجه ، استحکام به آرامي کم مي شود . اين موضوع در مورد ضريب کشساني نيز صادق است .

الياف کربن بسيار ترد هستند . لايه ها در الياف با اتصالات ضعيف و اندروالسي به هم ديگر متصل شده اند . تجمع فلس مانند لايه ها موجب مي شود تا رشد ترک در جهت عمود برمحور الياف به آساني صورت بگيرد . در خمش ، الياف در کرنش هاي بسيار پايين مي شکنند . با تمام اين معايب ، الياف کربن از نقطه نظر مجموع ويژگي هاي شيميايي ، فيزيکي و مکانيکي منحصر به فردي که دارد ، در بسياري از عرصه هاي مهندسي و علوم در دو دهه اخير تقريبا ً بدون رقيب مانده است .

کاربردهاي الياف کربن

الياف کربن در موارد صنعتي گوناگوني به کارمي رود که در اين جا نمونه هايي از آن ارايه‏ شده است :

صنعت حمل و نقل

کاربردهاي صنعت حمل و نقل بدين گونه اند : مخازن گاز مايع خودروها ، قطعات موتور ، کمک فنر ، شفت هاي انتقال نيرو ، ملحقات چرخ و جعبه فرمان ، لنت هاي ترمز ، بدنه ماشين هاي مسابقه ، بدنه کشتي ها و فنرهاي لول .

صنايع ساختماني و معماري

مواد ساختاري پل ها ، ساز و کار پل هاي جمع شونده ، تقويت کننده بتن هاي پرمقاومت ، سازه هاي باربر ، ديوارهاي جداکننده ، سازه هاي پيش تنيده براي کمک به سازه هاي بتني حمل بار ، استفاده در تعمير ساختمانهاي در حال تخريب ، استفاده در جداره داخلي تونل ها براي جلوگيري از ريزش تونل و استفاده در رمپ ها براي جلوگيري از ريزش خاک را مي توان از کاربردهاي ساختماني اين الياف دانست .

صنايع هواپيما سازي و هوافضا

سازه هاي داخلي کابين مسافرين اعم از پانل هاي جداره صندلي ها و ميزها ، پوشش ها ، اجزاي سازه اي ماهواره ها ، لبه بال هواپيماهاي جنگنده ، نوک هواپيماهاي مافوق صوت ، نازل موشک هاي دوربرد و قطعات حساس موتور هواپيماها نيز مي توانند داراي الياف کربن باشند .

صنايع پزشکي

الياف کربن در ساخت استخوان مصنوعي ، اجزاي تجهيزات پرتوي ايکس ، صندلي هاي چرخدار ، انواع اجزاي مصنوعي بدن براي معلولين و دريچه قلب به کار مي روند .

بخش انرژي

از جمله کاربردهاي الياف کربن در بخش انرژي ، مي توان بدين موارد اشاره کرد : باتريهاي سوختي ، پره هاي توربين و پره هاي آسياب هاي بادي براي توليد برق از انرژي باد .

صنايع الکترونيک ، تجهيزات الکتريکي و ماشين سازي

اين کاربردها عبارتند از : قاب رايانه هاي همراه ، اجزاي رايانه ها ، بازوي ربات هاي صنعتي ، چرخ دنده ها ، غلتک ها ، چرخدنده هاي پرسرعت ، قطعات خود روغنکاري شونده ، آنتن ها ، مواد عايق الکتريکي ، مخازن تحت فشار ، غلتک چاپ گرها و قاب تلفن هاي همراه .

کانال تلگرام مجله نساجی کهن

برچسب ها

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

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

دکمه بازگشت به بالا
بستن
بستن