الیاف کربن

تقسیم بندی الیاف کربن برحسب نوع ماده اولیه به کار گرفته شده در تولید :
در حال حاظر سه نوع منبع برای تولید این الیاف وجود دارد :
-1 الیاف کربن ساخته شده از گیاهان یا سلولزی -2 الیاف کربن ساخته شده از قیر یاpitch
-3 الیاف کربن ساخته شده از پلی اکریل نیتریل (PAN)
به دلیل ساختمان مولکولی و اتمی و همچنین تولید مدول کششی قابل توجه با سایر انواع الیاف نوع سوم از اهمیت بیثشتری برخوردار بوده و کاربردهای متعددی در صنعت دارد . ما هم توجه خود را معطوف به این نوع کرده و به اختصار درباره روش تولید آن توضیحاتی را بیان می کنیم . شایان ذکر است که مطالب مربوط به تولید بسیار مفصل بوده و در این مقاله نمی گنجد PAN(PolyAcryloNitrile
پلی اکریل نیتریل یاPAN از پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد آکریل نیتریل یاAN بدست می آید . برای تهیه آکریل نیتریل نیز از فرایند معروف SOHIO که توسط ژاپنیها ابداع شده است ? استفاده می شود . در این فرایند از واکنش شیمیایی بین دو گاز پروپیلن و آمونیاک در حضور کاتالیزورهای مناسب که شدیداً هم گرمازا می باشد ? آکریل نیتریل به همراه HCN تولید می شود که همانطور که گفته شد از پلیمریزاسیون رادیکالهای آزاد آکریل نیتریل ? آکریل نیتریل بدست می آید . راکتور مورد استفاده برای پلیمریزاسیون از نوع بستر سیالی یا Fluid Bed می باشد . بعد از تهیه پلی اکریل نیتریل خام باید تعدادی از فرایندهای مناسب برای آماده سازی و هرچه حالص تر شدن آن مورد استفاده قرار گیرد. زیرا در غیر اینصورت الیاف کربن تولیدی مقاومت کششی مطلوب را نخواهند داشت .مهمترین این فرایندها filteration می باشد که ابعاد صافی های مورداستفاده در حد میکرون µ می باشند.

مراحل تولید :
شمای کلی خط تولید به صورت زیر می باشد :


ریسش یا Spining
در این مرحله همانطور که گفته شد یکی از مراحل آماده سازی PAN می باشد . که بعد از انجام filteration مناسب پلی اکریل نیتریلها را بصورت رشته ای یا به صورت تار در می آورند .سپس در دستگاههای ریسش مخصوص به صورت نوعی فیبر در خواهند آمد .

اکسیداسیون oxidation
دراین مرحله در کوره های مخصوص فیبرهای اکریلیک تحت درجه حرارتی در حدود 200 الی 300 درجه سانتیگراد ودر حضور هوا یا گازهای مناسب دیگر قرار می گیرند . تا آمادگی کامل برای طی و سپری کردن سایر مراحل تولید را بدست آورند. البته به این مرحله مرحله تثبیت سازی نیز گفته می شود . فیبرهای آکریلیک باید زمانی در حدود 2 ساعت را دراین کوره ها طی کنند.

کربونیزاسیونCarbonization
درجه حرارت در این مرحله بین 1000تا 1700 درجه سانتیگراد میباشد . این فرایند باید در یک محیط راکد و معمولا در حضور گاز نیتروژن صورت می گیرد. خواص فیبرهای کربن بعد از طی این مرحله بصورت زیر می باشد :
مدول کششی :200-300GPa
مقاومت فشاری :3GPa
مدول برشی:15GPa

گرافیتاسیون Graphitization
این فرایند نیز درون کوره های مخصوصی دریک محیط راکد و در درجه حرارتی بین 2500تا3000 درجه سانتیگراد صورت می گیرد. البته این مرحله در مورد فیبرهایی که باید مدول کششی بالایی داشته باشند اجرا می شود . خواص فیبرهای کربن بعد از طی این مرحله بصورت زیر می باشد :
مدول کششی :500-600GPa
مقاومت فشاری : 16GPa
مدول برشی:10GPa
بعد از طی این مرحله قطر الیاف کربن به 5 الی 7 میکرون می رسد .

عملیات سطحی و اندازه ای surface treatment and sizing
در این مرحله سطح الیاف کربن را با باندها و نوارهای شیمیایی وبرای اینکه در هنگام استفاده از رزین در تهیه مواد کامپوزیتی چسبندگی بهتری داشته باشد ? آغشته می کنند. و همچنین در مرحله اندازه بندی علاوه بر بسته بندی الیاف کربن و تعیین چگونگی روش بارگیری آن ? برای محافظت فیبرهای کربن در طی انجام مراحل بعدی از یک اپوکسی نیز استفاده می شود .

انواع الیاف کربن با توجه به مقدار مدول الاستیسیته :
1- مدول کم (Low Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله تا 200GPa می رسد و درجه حرارت فرایند کربونازیسیون تا 1000 درجه سانتیگراد خواهد بود.
2-مدول استاندارد(Standard Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله بین 200-250GPa و درجه حرارت کربونازیسیون بین 1000-1500 درجه سانتیگراد می باشد .
3- مدولهای متوسط(Intermediate Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله به 250-325GPa ودرجه حرارت کربونازیسیون بین 1500تا 2000 درجه سانتیگراد می باشد .
4- مدولهای زیاد(High Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله به 350-600GPa ودرجه حرارت کربونازیسیون بیش از 2000درجه سانتیگراد به همراه مرحله گرافیتازیسیون می باشد .
5- مدولهای بسیار زیاد(Ultra High Modulus)
مدول الاستیسیته در این مرحله به بیش از 600GPa ودرجه حرارت کربونازیسیون درحدود 3000درجه سانتیگراد به همراه مرحله گرافیتازیسیون می باشد .

کاربردهای الیاف کربن :

با یک مقایسه سریع بین خواص این الیاف و فولاد می توان به اهمیت این مواد پی برد :
فیبر کربن استاندارد :
مقاومت کششی :3.5GPa مدول کششی230GPa وچگالی 1.75g/ccm
فولاد با مقاومت خیلی زیاد:
مقاومت کششی:1.3GPa مدول کششی210GPa و چگالی 7.87g/ccm
با توجه به جدول پر واضح است که الیاف کربن مقاومت کششی بالاتری نسبت ب�� فولاد دارند ��ر حالی که وزن تقریبا یک چهارم آن را دارا می باشند . به همین دلیل امروزه در صنایع مختلفی بویژه هوا فضا سعی می شود از این الیاف به جای فلزات استفاده شود . حتی در تهیه ابزارالات ورزشی نیز ( چوب گلف و راکت تنیس) نیز امروزه از این الیاف استفاده می شود . در ساخت اسکلت بتنی پلها و ساختمانهای بزرگ نیز از این الیاف برای بالا بردن استحکام و کاهش وزن سازه نیز استفاده می شود . در صنایع نفت و گاز و نظامی و... کاربردهای متعددی از این الیاف وجود دارد. تنها مشکل و ایراد وارد براین الیاف بدون توجه به مسئله زیستی و محیطی مقاومت پایین این کامپوزیتهای در برابر ضربه می باشد که برای جبران این نقص از سایر انواع کامپوزیتها به عنوان مکمل مثل فیبر شیشه استفاده می شود .
10 سال آینده را می توان دهه حکومت این الیاف در تمامی جنبه های صنعتی پیش بینی کرد .