الیاف کربن

الیاف کربن (Carbon Wrap) یکی از پرکاربردترین الیاف در صنعت است؛ و در تولید انواع کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. این الیاف ضریب الاستیک نسبتاً بالایی درمقایسه با الیاف شیشه و کولار دارند. ضریب انبساط گرمایی این نوع الیاف‌ها در دماهای متفاوت کم می‌باشد که این مسئله باعث پایداری طولی و اندازهٔ الیاف کربن در دماهای مختلف می‌گردد.

الیاف کربن از فیبرهایی با قطری در حدود ۵ تا ۱۰ میکرومتر (یکا) قطر تشکیل شده‌اند. نخ الیاف کربن با چگالی خطی (وزن در طول واحد؛ یعنی ۱ گرم در ۱۰۰۰ متر = ۱) یا بر پایهٔ تعداد رشته‌ها در هر نخ، است. بنا بر این چگالی این الیاف می‌تواند حدود ۱٫۸ تا ۲ g/m³ باشد.

فیبر کربن عنصری با چگالی‌ای به‌طور متوسط در حدود 1.9 g/m³ گرفته شود و اشکال بلوری مختلفی دارد. رشته الیاف کربن که از فیبرهای کربن تشکیل می‌گردد، به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری می‌باشند. علیرغم حجم بالای استفاده از آن‌ها، قیمت الیاف کربن هنوز نسبتاً بالا است. این مسئله باعث محدودیت فروش الیاف کربن می‌گردد.

فیبر و الیاف کربن در مدول‌های الاستیسیته و مقاومت‌های کششی مختلف و با بافت‌های مختلف شامل الیاف کربن تک جهت و الیاف دو جهته کربن برای تولید مصالح کامپوزیتی صنایع مختلف و مقاوم‌سازی انواع سازه‌های بتنی عرضه می‌گردند. با توجه به نیاز صنعت‌های مختلف کشور ایران، الیاف کربن در طیف گسترده‌ای از انواع فیبر از ۳K تا ۵۰K و با وزن‌های مختلف و عرض‌تمیزکاری‌های مختلف ارائه می‌شوند.

معمولاً دسته‌بندی الیاف کربن بر مبنای وزن آن‌ها انجام می‌گیرد. برای مثال الیاف کربنی که با عنوان UD200 نام گذاری می‌شود، وزنی برابر ۲۰۰ گرم در هر متر مربع دارد

 ( Carbon-fiber-reinforced polymer) به گونه‌ای از فیبر کربن گفته می‌شود که با پلاستیک یا فیبر کربن الیاف ترموپلاستیک با نام‌های اختصاری بین‌المللی (CFRP, CFRTP, CRP) تولید می‌گردد، در فرایند تولید به تناوب حتی گاهی از کربن تنها یا فیبرهای پلیمری تقویت‌شده با (نام اختصاری ^FRP) هم استفاده می‌شود، به‌طور کلی این عنوان در مورد یک پلاستیک مخصوص تقویت شده با الیاف بسیار قوی و در عین حال سبک فیبرهای کربن کاربرد دارد، در کشورهای مشترک‌المنافع بریتانیا عنوان (فیبر ^{به تنهایی و بدون کربن}) رایج است.

گونه‌ای دیگر از این محصول با (نام اختصاری ^CFRPs) هزینهٔ بسیار بالایی برای تولید می‌طلبد اما با توجه به استحکام و وزن معقولی که نسبت به استحکامش دارد و همین‌طور در مبحث قدرت خاص  مورد بهره‌برداری می‌تواند قرار بگیرد که به عنوان مثال برنامه‌های هوافضا، مهندسی خودرو، وسایل ورزشی و تعداد فزاینده‌ای از دیگر برنامه‌های کاربردی مصرف‌کننده و فنی را می‌توان نام برد.

پلیمر اتصال اغلب یک رزین ترموستیک مانند اپوکسی است، اما گاهی اوقات دیگر از پلیمرهای گرماسخت یا ترموپلاستیک مانند پلی استر، وینیل استر و نایلون استفاده می‌شود. این ترکیب ممکن است علاوه بر الیاف کربن، آرمید (مثلاً کوولار، تارارون)، آلومینیوم، پلی اتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا یا الیاف شیشه‌ای داشته باشد. خواص محصول CFRP نهایی همچنین می‌تواند توسط نوع افزودنی‌های معرفی شده به ماتریس اتصال (رزین) تحت تأثیر قرار گیرد. شایع‌ترین افزودنی سیلیس است، اما دیگر مواد افزودنی مانند لاستیک و نانولوله‌های کربنی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد. این ماده همچنین به عنوان پلیمر تقویت شده با گرافیت یا پلیمر تقویت شده با فیبر گرافیت نامیده می‌شود GFRP) کمتر رایج است، زیرا با پلیمرهای شیشه‌ای فیبر مواجه است).

خواص:

CFRP مواد کامپوزیتی هستند. در این مورد کامپوزیت متشکل از دو بخش است: ماتریس و تقویت‌کننده.

در CFRP تقویت فیبر کربنی است که قدرت را فراهم می‌کند. ماتریکس معمولاً یک رزین پلیمری است، مانند اپوکسی، برای اتصال تقویت‌کننده‌ها به یکدیگر. از آنجا که CFRP متشکل از دو عنصر متمایز است، خواص مواد بستگی به این دو عنصر دارد. این دوعنصر شامل آلومینیوم و فولاد می‌باشد.

CFRP دارای خاصیت‌های خاصی است. خواص CFRP به طرح بندی فیبر کربن و نسبت فیبر کربن نسبت به پلیمر بستگی دارد. دومعادله مختلف که مدول الاستیسیته خالص مواد کامپوزیت را با استفاده از خواص الیاف کربن و ماتریکس پلیمری کنترل می‌کنند نیز می‌تواند به پلاستیک تقویت شده فیبر کربن اعمال شود..

چقرمگی:

چِقِرمِگی (لفظ حریف چِقِر در کُشتی را به یاد بیاورید) (به انگلیسی: Toughness) در علم مواد به مقاومت مواد در برابر شکست در اثر اعمال تنش گفته می‌شود. چقرمگی به صورت میزان انرژی جذب شده قبل از وادادگی در واحد حجم مواد تعریف می‌شود. توانایی فلز در تغییر فرم به صورت پلاستیک و جذب انرژی در فرایند قبل از شکست را چقرمگی گویند. تأکید این تعریف باید بر توانایی جذب انرژی قبل از شکست باشد .

یادآوری می‌کنیم که چکش خواری، میزان تغییر فرم پلاستیک قبل از شکست است، اما صرفاً این که یک ماده چکش خوار باشد به معنی چقرمه بودن آن نیست. کلید دست یابی به چقرمگی، ترکیب مناسبی از استحکام و چکش خواری است. یک ماده با استحکام و چکش‌خواری بالا، چقرمگی بیشتری نسبت به ماده‌های با استحکام پایین و چکش خواری بالا خواهد داشت؛ بنابراین، یک روش برای اندازه‌گیری چقرمگی از طریق محاسبه سطح زیر نمودار تنش کرنش است که از آزمون کشش به دست می‌آید. این مقدار، «چقرمگی ماده» نامیده می‌شود و واحدهای آن به صورت انرژی بر حجم است. چقرمگی ماده معادل جذب آهسته انرژی توسط آن ماده است. متغیرهای متعددی هستند که تأثیر زیادی بر چقرمگی ماده دارند. این متغیرها عبارتند از:

• نرخ کشش (نرخ بارگذاری)
• دما
• اثر شکاف

یک فلز ممکن است تحت بار ایستا، چقرمگی رضایت بخشی داشته باشد اما زیر بار دینامیک یا ضربه، دچار شکست شود. به عنوان یک قانون، چکش خواری و در نتیجه چقرمگی، با افزایش نرخ بارگذاری کاهش می‌یابند. دما دومین متغیری است که تأثیر عمده ای بر چقرمگی دارد. هنگامی که دما کاهش می‌یابد، چکش خواری و چقرمگی نیز کاهش می‌یابند. متغیر سوم اثر شکاف است که با توزیع تنش در تنش در ارتباط است. یک ماده ممکن است هنگامی که تنش یک محوره به آن وارد می‌شود چقرمگی خوبی از خود نشان دهد، اما هنگامی که تنش چند محوره به واسطه حضور شکاف ایجاد شود، ماده ممکن است نتواند تحمل تغییر فرم الاستیک و پلاستیک هم‌زمان در جهت‌های مختلف را داشته باشد. گونه‌های استاندارد مختلفی از آزمون چقرمگی وجود دارد که برای شرایط بارگذاری یا طراحی اجزای مختلف، داده تولید می‌کنند. سه نوع از ویژگی‌های چقرمگی که با جزئیات بیشتر دربارهٔ آن‌ها صحبت خواهد شد عبارتند از

1. چقرمگی ضربه ای
2. چقرمگی شیار
3. چقرمگی شکست

ساخت

عنصر اولیه CFRP یک رشته کربن است. این از یک پلیمر پیش ساز مانند پلی اکریلونیترول (PAN)، که از نفت تولید می‌شود. برای پلیمرهای مصنوعی مانند PAN یا Rayon، پیش ماده ابتدا به نخهای رشته‌ای تبدیل می‌شود، با استفاده از فرآیندهای شیمیایی و مکانیکی، ابتدا زنجیره‌های پلیمری را به ترتیب برای بالا بردن خواص فیزیکی نهایی فیبر کربن تکمیل می‌کند. ترکیبات پیش ساز و فرایندهای مکانیکی که در طناب نخ ریسی استفاده می‌شود ممکن است در میان تولیدکنندگان متفاوت باشد. بعد از رسم یا چرخش، رشته‌های پلیمری پلیمر برای گرم کردن اتم‌های غیر کربن (کربن سازی) و تولید فیبر کربن نهایی، گرم می‌شوند. الیاف کربنی نخ‌های رشته‌ای بیشتر می‌توانند برای بهبود کیفیت حمل و نقل بهبود یابند و سپس به زخم‌ها متصل شوند از این الیاف، ورقهٔ یک طرفه ایجاد می‌شود. این ورقه‌ها بر روی یک لایه در یک لایه شبه ایزوتروپیک لایه دارند، به عنوان مثال ۰ °، + ۶۰ ° یا –۶۰ ° نسبت به یکدیگر هستند از فیبرهای ابتدایی می‌توان یک ورق بافته دو طرفه ایجاد کرد، به عنوان مثال یک توری با یک تکه ۲/۲. فرآیندی که بیشتر CFRPها ساخته می‌شوند، بسته به قطعه‌ای که ایجاد می‌شود، متفاوت است و تعداد زیادی از این قطعه خاص تولید خواهد شد. علاوه بر این، انتخاب ماتریس می‌تواند تأثیر عمیقی بر خواص کامپوزیت به پایان برساند. بسیاری از قطعات CFRP با یک لایه از پارچه کربن ساخته شده‌است که با فایبرگلاس پشتیبانی می‌شود. یک ابزار به نام تفنگ هلی کوپتر به منظور ایجاد سریع قطعات این کامپوزیت استفاده می‌شود. هنگامی که یک پوسته نازک از فیبر کربن ایجاد می‌شود، تفنگ شخم زنی رول‌های فایبر گلاس را به طول کوتاه و اسپری رزین در همان زمان برش می‌دهد تا فایبرگلاس و رزین در نقطه مخلوط شوند. رزین مخلوط خارجی است که در آن به عنوان سخت‌کننده استفاده می‌شود و رزین به‌طور جداگانه اسپری می‌شود یا مخلوط داخلی، که بعد از هر استفاده تمیز می‌شود. روش‌های تولید ممکن است شامل موارد زیر باشند:

کاربرد الیاف کربن

الیاف کربن صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارند که عبارتند از:

کاربرد الیاف کربن در صنعت ساختمان

مقاوم‌سازی ساختمان و تقویت سازه‌ها با الیاف کربن، ساخت صفحات، ورقها و لمینیت کربن، الیاف تقویت‌کننده بتن‌های مقاومت بالا، ساخت دیوارهای با مقاومت بالا و سبک کربنی، ساخت سازه‌های پس کششی و پیش تنیده کربنی در سازه‌های بتنی، استفاده در جداره داخلی تونل‌ها

خودرو McLaren F1نخستین خودروی تولید شده می‌باشد که تمامی بدنه ان از جنس فیبر کربن است در سال ۱۹۹۶میلادی

کاربرد الیاف کربن در صنعت خودرو

مخازن سوخت کربنی خودروها، ساخت سپرهای کربنی خودروها، شفت‌های انتقال نیرو، قطعات موتور، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز، بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی‌ها، فنرهای لول و…

در صنایع خودرو و به خصوص خودروهای مسابقه‌ای که حالت لوکس دارند هم قطعات کربنی مثل سپر و اسپویلر طرفداران زیادی پیدا کرده و حتی برخی خودروهای چند صد هزار دلاری با بدنه‌ای که بیشتر بخش‌هایش از فیبر کربن است، عرضه می‌شوند.

بدنه هواپیمای فوق پیشرفته B2 از جنس فیبر الیاف کربن می‌باشد.

این هواپیمای فین ایر که توسط کمپانی ایرباس ساخته شده‌است ۳۵درصد مواد مصرف شده در ان از جنس الیاف کربن می‌باشند.

فیبر کربن زیبایی خاص و دلفریبی دارد، اما گران است و شکننده. به همین علت است که در حال حاضر فلزات کاربرد خاص خودشان را حفظ کرده‌اند و در صورت نیاز و به تناسب هزینه، از کربن هم استفاده می‌شود.^[۶]

کاربرد الیاف کربن در صنایع هوا فضا و هواپیماسازی

اجزای سازه‌ای ماهواره‌ها، سازه‌های داخلی هواپیماهای مسافرین اعم از پنل صندلی‌ها کربنی، میزهای کربنی و سایر پوشش‌های کربنی، نوک هواپیماهای مافوق صوت، قطعات حساس موتور هواپیماها و …

در صنایع هوایی وزن کم و استحکام بسیار بالای فیبر کربن هزینه‌ها را جبران کرده و کمپانی‌های بزرگ مثل بوینگ و ایرباس به وفور از کامپوزیت‌ها استفاده می‌کنند.

دم یک نوع بالگرد که از جنس پلیمر الیاف کربن ساخته شده‌است به دلیل استحکام بالا و سبکی بسیار نسبت به فلزات رایج

صرف‌نظر از هزینه، سختی بالای کربن به معنی شکنندگی آن است. در حقیقت موادی که حالت کریستالی دارند، تا حدی ترد و شکننده هستند و کربن هم از این قاعده مستثنی نیست. این شکنندگی گاهی دردسرساز می‌شود.

به عنوان مثال بویینگ در آن روزهای ابتدایی تولید  متوجه ترک‌هایی شد که در ابتدا به راحتی و مثل فلزات آشکار نبود. همین کشف ساده منجر به توقف تولید و تقویت مجدد پنل بال شد.

کاربرد الیاف کربن در صنایع پزشکی

ساخت اجزای تجهیزات پزشکی کربنی، صندلی چرخدار کربنی، استخوان مصنوعی و انواع اجزای مصنوعی بدن و …

کاربرد الیاف کربن در بخش انرژی

• ساخت پره توربین‌های کربنی و آسیاب‌های بادی جهت تولید برق از انرژی باد، ساخت و تولید باتری‌های سوختی و…
• کاربرد الیاف کربن در صنایع تجهیزات الکتریکی، الکترونیک و ماشین‌سازی
• ساخت چرخ دنده‌های کربنی، غلتک‌های کربنی، چرخ دنده‌های پرسرعت کربنی، قطعات خود روغنکاری شونده، آنتن‌های کربنی، مخازن تحت فشار کربنی، قاب تلفن‌های همراه و …

یکی از مهم‌ترین دلایل سرعت کم نفوذ فیبر کربن در صنایع مختلف، بالا بودن قیمت الیاف کربن می‌باشد. امروزه بیشترین توجه شرکت‌ها، بر روی روشی جهت کاهش قیمت الیاف کربن و ارتقاء فروش الیاف کربن متمرکز شده‌است.

شیوه‌های کاهش قیمت الیاف کربن در سه حوزه کاهش قیمت:

1. شرایط تولید
2. بهینه‌سازی خصوصیات الیاف
3. کاهش قیمت تجهیزات

نمونه دیگری از کاربرد کامپوزیت کربن که با نام کولار معروف است و در صنایح تولیدی مختلفی کاربرد دارد از جمله کشتیرانی و صنایعی چون تولید دستکش‌های خاص و لباس‌های ضد حریق و…

قابل بررسی می‌باشد. پیشرفت در هر کدام از این حوزه‌ها، تأثیر بسیار مهمی در قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن خواهد داشت.

تاریخچه الیاف کربن

الیاف کربن اولین بار توسط توماس ادیسون در دهه ۱۸۸۰ ثبت اختراع شد و تولید تجاری الیاف کربن امروزی نیز در کشور ژاپن از سال ۱۹۷۰ آغاز گردید. بعد از سال ۱۹۸۰ نیز تولید تجاری این الیاف در حجم انبوه در آمریکا و کشورهای اروپایی باعث کاهش قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن شد.