الیاف کربن

الیاف کربن

فیبر کربن به الیافی گفته می‌شود که دست کم دارای 90 درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می‌آیند. اصطلاح الیاف گرافیتی در مورد الیافی به کار می‌رود که کربن آن‌ها بیش از 99 درصد باشد .

انواع گوناگونی از الیاف به‌عنوان پیش‌زمینه تولید فیبر کربن وجود دارد که دارای ویژگی‌های انحصاری هستند. پرمصرف‌ترین الیاف پیش‌زمینه عبارتند از : الیاف پلی اکریلونیتریل ، الیاف سلولزی (مانند ریون ویسکوز و پنبه) ، قیر حاصل از قطران ذغال سنگ و نوع ویژه‌ای از الیاف فنلیک .

الیاف کربن از طریق پیرولیز پیش‌زمینه آلی که به شکل الیاف هستند، ساخته می‌شود. انجام عملیات حرارتی موجب حذف عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن و باقی ماندن کربن به شکل الیاف می‌شود. در پژوهش‌هایی که بر روی الیاف کربن انجام‌شده مشخص گردیده که ویژگی مکانیکی فیبر کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت‌گیری الیاف پیش‌زمینه و کاهش نواقص موجود در آن بهبود می‌یابد. بهترین راه برای دست‌یابی به الیاف کربن با ویژگی‌های مناسب، استفاده از الیاف پیش‌زمینه با بیشترین مقدار جهت‌گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدارسازی و کربنیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فرآیند است.

ویژگی الیاف کربن:

الیاف کربن به رنگ سیا ، بدون بو بوده و قابل حل در آب نمی‌باشند، در مقابل اسیدها، بازها و حلال‌های آلی مقاوم، ذوب نشدنی و غیرقابل انفجار هستند .

کربن انواع متفاوتی دارد در این قسمت به انها اشاره میکنیم :

الیاف کربن را می‌توان بر اساس تعداد فیلامنت و مدول یانگ و استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی و نوع ماده اولیه به گروه‌های مختلفی تقسیم‌بندی کرد.

دسته‌بندی بر اساس خصوصیات فیزیکی:

الیاف کربن با مدول یانگ بسیار بالا بیشتر از 450 گیگاپاسکال

الیاف کربن با مدول یانگ بالا بین 350  تا 450 گیگاپاسکال

الیاف کربن با مدول یانگ متوسط بین 250 تا 350 گیگاپاسکال

الیاف کربن با استحکام کششی بالا و مدول یانگ پایین ، استحکام کششی بیش از 3 گیگاپاسکال و مدول یانگ کمتر از 200

الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا ، بیشتر از 5 گیگاپاسکال

دسته‌بندی بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی:

الیاف نوع 1 ، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 2000 درجه سانتی‌گراد ،الیاف HM

الیاف نوع 2، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 1500 درجه سانتی‌گراد ،الیاف  HS

الیاف نوع 3 ، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 1000 درجه سانتی‌گراد، الیاف با استحکام پایین

پارچه‌های این الیاف در 3 نوع تولید می‌شود که هرکدام از این نوع بافت‌ها برای یک کاربرد خاص موردتوجه قرار می‌گیرد:

1- بافت ساده  (plain) :

بافت تافته یا Plain ساده‌ترین و رایج‌ترین نوع بافت پارچه کربن است، بطوریکه نخ‌های تاروپود یک‌درمیان رو و زیر قرار می‌گیرند .پارچه متقارن بوده و از ثبات ابعادی خوبی برخوردار است. از ویژگی‌های دیگر این بافت افتادگی کم پارچه به دلیل بافت متراکم آن است.

2-  بافت کجراه (Twill) :

به بافت Twill کجراه نیز اطلاق می‌شود چون در سطح پارچه راه‌راه های اریبی مشهود است. این نوع بافت در اثر پیشروی مرحله‌ای نخ‌های تار به وجود می‌آید. بافت Twill به دلیل انعطاف‌پذیری نسبت به بافت Plain  بیشتر در ساخت سطوح منحنی کامپوزیتی بکار می‌رود.

3- بافت تک جهته (UD) :

طبق تعریف به پارچه‌ای Uni-Directional اطلاق می‌شود که حداقل 90 % وزن پارچه در یک‌جهت (تار یا پود) باشد. اینجا از نخی ترموپلاست و قابل ذوب در جهت دیگر استفاده می‌شود تا در اثر حرارت و نرم شدگی و اتصال به نخ‌های کربن، آن‌ها را در موقعیت خود تثبیت نماید.

 کاربرد مختلف الیاف

مقاوم‌سازی ساختمان با (FRP)، تقویت و تعمیر ساختمان‌ها و بهسازی لرزه‌ای سازه

استفاده در صنعت خودروسازی. مانند ساخت قطعات موتور، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز، بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی‌ها، فنرهای لول و… .

استفاده در صنعت هواپیماسازی؛ ساخت اجزای سازه‌ای ماهواره‌ها، سازه‌های داخلی هواپیماهای مسافرین مانند پنل صندلی‌های کربنی، میزهای کربنی، نوک هواپیماهای مافوق صوت، قطعات حساس موتور هواپیماها.