فیبر کربن

فیبر کربن (الیاف کربن) به عنوان ماده ای شگفت انگیز شناخته شده است. این عنصر نه تنها به عنوان بهترین و قوی ترین کامپوزیت شناخته شده، بلکه سازه هایی که با آن ساخته می شوند جالب هستند.

فیبر کربن چیست

فیبر کربن یا الیاف کربن، از کریستال های کربن همراستا در یک محور بلند تشکیل شده است. این کریستال های شش ضلعی مانند، به شکل نوار های صاف و بلند چیده شده اند. ساختار کریستالی باعث استقامت نوار در یک محور بلند است. این نوار ها به شکل الیاف قرار می گیرند. شکل الیاف مانند، شکل اصلی ماده برای ساخت فیبر کربن استفاده می شود. این الیاف (شامل نوار های صاف کریستال های کربن) توسط سازنده به شکل نوار های ضخیم تر در آمده و در پارچه کربنی به کار می رود که به شکل موجی پیچیده شده و یا بدون پیچیده شدن پیاده می شود. این متد راوینگ نامیده می شود. فیبر کربن نیز به صورت رشته های بریده-بریده و پودر ارائه می شوند.

گاهی اوقات جهت تغییراتی در ویژگی های ماده، برخی مواد مثل فیبر شیشه، کلوار یا آلومینیوم به آن اضافه می شود. فیبر کربن به ندرت استفاده می شود. بیشتر در فرم سازه های ماتریسی مورد استفاده قرار می گیرد. معمولا در ساخت قایق و تیر، رزین های پلی استر یا اپوکسی مورد استفاده قرار می گیرد، اما فیبر کربن نیز به عنوان تقویت کننده ترموپلاستیک، سیمان یا سرامیک استفاده می شود.

تولید فیبر کربن

روش های مختلفی برای ساخت الیاف کربن وجود دارد اما همگی با ساخت فیبر هایی غیر از ماده متشکله کربنی آغاز می شوند. ابعاد و شکل اصلی فیبر در الیاف کربن نهایی باقی می ماند، اما ساختار شیمیایی داخلی با عبور از سیکل های مختلف حرارتی بسیار اصلاح می شود. اولین مراحل، کربونیزه کردن و کشیدن فیبر های متشکله با هر نوع PAN از قبیل پلی اکریلونیتریل، صمغ (Pitch) یا رایون (Rayon) است. چندین سیکل حرارتی در دما های مختلف بدون حضور اکسیژن وجود دارد. این فرایند اکثر عنصر های دیگر (خصوصا هیدروژن و نیتروژن) را از عنصر های شروع فرایند جدا کرده و کربن را باقی می گذارد. علاوه بر آن، این فرایند به کربن اجازه می دهد تا به آرامی به شکل کریستالی شش ضلعی خود درآید.

ویدیوی زیر را ببینید.

مهمترین فاکتور هایی که ویژگی های فیزیکی الیاف کربن را مشخص می کنند، درجه کربنیزاسیون (محتوی کربن، معمولا بیش از 92% وزن) و جهت گیری صفحات کربنب لایه لایه شده (نوار ها) هستند. فیبر ها بشکل تجاری در محدوده ای وسیع از اشکال و کریستالی مختلف ارائه می شوند تا در کاربرد های متفاوت بکار گرفته شوند.

الیاف کربن بسته به ماده آغازین و پروسه کربنیزاسیون، برای هدف نهایی اصلاح می شود. PAN یا پلی اکریلونیتریل رایج ترین ماده متشکله برای کامپوزیت های پلاستیکی است.

اصلی ترین تفاوت در ویژگی ها، استقامت در مقابل صلبیت است. با استفاده از سیکل های متفاوت، هر کدام از این دو ویژگی می تواند غالب باشد. تحقیقات جهت اصلاح سایر ویژگی ها از قبیل رسانایی حرارتی و الکتریکی انجام می شود.

نه تنها استراکچر فیبر ها مهم است، بلکه شکل قرار گیری در محصول نهایی تاثیر بسزایی بر ویژگی های ماده ساخته شده دارد. قرارگیری فیبر های کربن در افزایش کارایی آنها امری اساسی است.

ویژگی های فیبر کربن

1. نسبت بالای استقامت به وزن
2. صلب
3. مقاومت در برابر خوردگی
4. رسانایی الکتریکی
5. مقاومت در برابر خستگی
6. قدرت تنش بالا اما شکننده
7. مقاوم در برابر حریق\غیرقابل اشتعال
8. در بعضی از اشکال، رسانایی حرارتی بالا
9. ضریب انبساط حرارتی پایین
10. غیر سمی
11. بدون واکنش شیمیایی
12. عبور دهنده X-Ray
13. نسبتا گرانقیمت
14. نیازمند تجربه و تجهیزات ویژه جهت استفاده

فیبر کربن دارای خاصیت خود-صیقلی و شیلد الکترومغناطیسی دارد.

1- فیبر کربن دارای نسبت استقامت به وزن بالا است (استقامت ویژه)

استقامت یک ماده، نسبت مقدار نیروی واحد سطح شکست، تقسیم بر چگالی آن است. هر ماده ای که قوی و سبک باشد، دارای نسبت استقامت به وزن خوبی است. موادی چون آلومینیوم، تیتانیوم، منیزیوم، فیبر شیشه و کربن، آلیاژ های فولاد با استقامت بالا، همگی دارای نسبت استقامت به وزن خوبی هستند. عجیب نیست که چوب بالسا دارای نسبت استقامت به وزن بالا است.

مقادیر زیر تنها برای مقایسه بوده و بسته به ترکیب، آلیاژ، نوع اتصال، چگالی چوب و غیره تغییر می کند. واحد ها بر حسب kN.m/kg هستند.

فیبر اسپکترا	3619
کلوار	2514
فیبر کربن	2457
فیبر شیشه	1307
تار عنکبوت	1069
کامپوزیت اپوکسی کربن	785
بار محوری بالسا	521
آلیاژ فولاد	254
آلیاژ آلومینیوم	222
پلیپروپیلن	89
بلوط	87
نایلون	69

توجه داشته باشید که استقامت و صلبیت ویژگی هایی متفاوت هستند. استقامت، مقاومت در برابر شکستن، و صلبیت مقاومت در برابر خم یا کشیده شدن است.

به علت طرز جهت گیری کریستال های الیاف کربن در یک نوار صاف بلند یا ورقه های باریک کریستال های شش ضلعی، استقامت در راستای طورل بیشتر از راستای عرض است. به همین دلیل است که طراحان اشکال فیبر کربنی، جهتی را که فیبر باید قرار گیرد تا استقامت و صلبیت آن بیشینه باشد، به عنوان یک جهت خاص مشخص می کنند. فیبر در جهتی که بیشترین تنش به آن باید وارد شود قرار می گیرد.

فیبر کربن با ماده متشکله پایه pan دارای استقامت بیشتری نسبت به فیبر کربن با پایه صمغ (pitch) که صلبیت بیشتری دارد است.

2- فیبر کربن بسیار صلب است

صلبیت یک ماده توسط مدول یانگ آن اندازه گیری شده و مقدار تغییر جهت یک ماده تحت تنش را اندازه می گیرد. پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن بیش از 4 برابر از پلاستیک تقویت شده با شیشه، تقریبا 20 برابر کاج، 2.5 برابر آلومینیوم، صلب تر است.

3- فیبر کربن مقاوم در برابر خوردگی بوده و از نظر شیمیایی متعادل است

هرچند الیاف کربن بخودی خود در برابر آفتاب آسیب نمی بیند، اپوکسی به آفتاب حساس بوده و نیاز یه حفاظت دارد. سایر ترکیبات (هر جسمی که الیاف کربن در آن بکار رفته است) نیز ممکن است واکنش پذیر باشد.

فیبر های کربن می توانند بوسیله عوامل اکید کننده قوی تاثیر پذیرند.

کامپوزیت های ساخته شده از الیاف کربن باید یا با اپوکسی های مقاوم در برابر UV (غیر معمول) ساخته شده یا با رنگ های مقاوم در برابر UV نظیر وارنیش ها پوشانده شوند.

4- فیبر کربن رسانای الکتریکی است

این ویژگی می تواند مفید بوده یا مفید نباشد. در ساخت قایق، رسانایی باید در نظر گرفته شود همانطور که رسانایی آلومینیوم تاثیر گذار است. رسانایی الیاف کربن می تواند در خوردگی گالوانیک اتصالات موثر باشد. نصب دقیق می تواند این مشکل را به حداقل برساند.

براده های الیاف کربن می تواند در یک مرکز خرید جمع شده و باعث ایجاد جرقه و اتصال کوتاه در لوازم خانگی و تجهیزات الکتریکی شود.

در حال حاضر تحقیقات زیادی در استفاده از رسانایی الکتریکی الیاف کربن برای تولید گرما جهت پخت سریع تر مواد کامپوزیتی یا برای قابلیت های گرمایی خود فیبر، موجود است. این ویژگی ممکن است در لباس های زمستانی یا پوشش در محیط های زمخت کاربرد داشته باشد.

5- مقاومت خستگی الیاف کربن خوب است

مقاومت خستگی کامپوزیت فیبر کربن خوب است. هرچند که هرگاه فیبر کربن صدمه می بیند، معمولا بصورت ناگهانی و بدون علائم خارجی بزرگ که نشانه تخریب به مرور زمان باشد اتفاق می افتد.

آسیب در خستگی تنشی با کاهش صلبیت در طی گذر از تعدادی از سیکل های تنش دیده می شود (به غیر از حالتی که دما بالا باشد).

تست ها نشان داده اند که آسیب در زمانی که تنش های دوره ای در جهت فیبر اتفاق می افتند محتمل نیست. فیبر کربن نسبت به شیشه درجه E در موارد خستگی، استقامت استاتیکی و صلبیت، رتبه آن بالاتر است.

جهت فیبر ها و جهت لایه متفاوت فیبر، تاثیر زیادی دارد بر اینکه یک کامپوزت چقدر در برابر خستگی مقاومت می کند (همچنین در مورد صلبیت). نوع نیرو های وارده نیز در نوع آسیب موثر است. نیرو های تنشی، فشاری یا برشی همگی دارای نتایج متفاوتی در آسیب هستند.

6- فیبر کربن استقامت تنشی خوبی دارد

استقامت تنشی یا استقامت نهایی، حداکثر تنشی است که یک ماده قبل از کش آمدن یا تخریب می تواند تحمل کند. باریک شدگی زمانی است که سطح مقطع نمونه به شکل قابل توجهی شروع به کم شدن کند. اگر یک تکه از کیسه پلاستیکی را بکشید، شروع به کش آمدن کرده و در نقطه ای شروع به باریک شدن می کند. این حالت باریک شدگی است. نیروی تنشی به صورت نیرو بر واحد سطح اندازه گیری می شود. مواد شکننده ای چون فیبر کربن بخاطر ناخالصی شان همیشه در یک سطح تنش یکسان تخریب نمی شوند. این مواد در نیرو های کم تخریب می شوند (بعبارت دیگر خم شدن یا کشیدن زیادی قبل از تخریب ناگهانی نیست) مدول ویبول مواد شکننده

در این تست می بایست یک نمونه با سطح مقطع ثابت گرفته و سپس آن را تحت کشش قرار دهیم بطوریکه نیرو را به آرامی بالا برده تا جاییکه شکل نمونه عوض شده و یا بشکند. فیبر هایی مثل الیاف کربن با قطر 2/10,000 اینچ به شکل کامپوزیت ساخته شده تا تست شوند.

واحد ها MPa هستند. این جدول تنها برای مقایسه آورده شده است چراکه تعداد زیادی متغیر دخیل هستند.

کربن فولاد 1090	650
پلی اتیلن چگالی بالا (HDPE)	37
پلیپروپلین	19.7-80
فولاد ضد زنگ AISI 302	360
آلیاژ آلومینیوم 2014-T6	483
آلیاژ آلومینیوم 6063-T6	248
شیشه E	3450
شیشه E مورق	1500
فیبر کربن	4127
فیبر کربن مورق	1600
کلوار	2757
چوب کاج (در راستای شاخه)	40

نکته: در تست فیبر کربن و سایر فیبر ها و مواد غیر همگن، نمونه ها باید طوری ساخته شوند که ثابت و قابل مقایسه باشند. این کار آسانی نیست. اگر تحقیقی را مطالعه کنید که در آن استقامت\صلبیت مقایسه شده است، محققان همواره درباره اینکه نمونه هایشان چگونه ساخته شده از قبیل نوع ماتریس، قرارگیری فیبر ها، نسبت فیبر ها به ماتریسدر میان سایر فاکتور ها توضیح داده اند. این سختی کار، تفاوت نسبتا زیاد نتایج تحقیقات با یکدیگر را بیان می کند.

7- مقاومت حریق\غیر قابل اشتعال

الیاف کربن در دسته مواد غیر قابل آتش سوزی قرار گرفته و نقطه اشتعال برای آن تعیین نشده است. اگر این ماده در معرض دمای بالا و در حضور سوخت در حال احتراق قرار گیرد، در نهایت اکسید شده اما به محض حذف شعله و سوخت، اشتعال ادامه نمی یابد.

چون الیاف کربن تقریبا همیشه در ماتریس هایی چون اپوکسی، پلاستیک یا سیمان استفاده می شود، تحمل ماتریس به دمای بالا فاکتور مهم تری است.

فیبر کربن بسته به فرایند تولید و ماده اولیه، می تواند طوری ساخته شود که نرمی آن در دست احساس شده و می تواند تبدیل و یا در اغلب موارد در لباس های حفاظتی آتش نشانان به کار گرفته شود. یک نمونه فیبر پوشیده شده با نیکل است. چون فیبر کربن نیز از نظر شیمیایی بسیار واکنش ناپذیر است، می تواند در جاهایی که آتش با مواد واکنش زا وجود دارد استفاده شود. پتوی کربنی برای حفاظت از مواد هنگام جوشکاری سرب به کار می رود.

8- رسانایی حرارتی الیاف کربن

رسانایی حرارتی، مقدار گرمای انتقالی از یک ضخامت واحد در جهت عمود به واحد سطح در یک گرادیان دمای واحد تحت شرایط تعادل است. به عبارت دیگر، اندازه گیری شدت جریان حرارتی از یک ماده است.

تعدادی سیستم اندازه گیری بسته به سیستم متریک یا غیر آن وجود دارد.

1 (W/m.K) = 1 W/(m.ºC) = 0.85984 kcal/(hr.m.ºC) = 0.5779 Btu/(ft.hr.ºF)

این جدول تنها برای مقایسه است. واحد ها W/(m.K) هستند.

هوا	0.024
آلومینیوم	250
سیمان	0.4-0.7
فولاد کربن	54
عایق پنبه معدنی	0.04
تخته سه لایی	0.13
کوارتز	3
شیشه پیرکس	1
کاج	0.12
الیاف کربن تقویت شده با اپوکسی	24

به علت وجود انواع متنوع الیاف کربن، امکان اشاره دقیق به رسانایی حرارتی نیست. انواع ویژه الیاف کربن به طور خاص برای رسانایی حرارتی بالا یا پایین طراحی شده اند. تلاش هایی نیز برای تقویت این ویژگی انجام می شود.

9- ضریب انبساط حرارتی پایین

 این ضریب برای اندازه گیری مقدار انبساط و انقباض یک ماده هنگام بالا رفتن یا پایین آمدن دمای آن است.

واحد ها بر حسب 1/ºF هستند. مانند سایر جدول ها، در این جدول نیز به علت هدف مقایسه، واحد اهمیتی ندارد.

فولاد	7
آلومینیوم	13
کلوار	3 یا کمتر
فیبر کربن موجی	2 یا کمتر
فیبر کربن یک جهتی	-1 تا +8
فایبرگلاس	7-8
برنج	11

فیبر کربن بسته به جهت اندازه گیری، بافت پارچه، ماده اولیه، پایه پلی اکریلونیتریل (استقامت بالا، ضریب انبساط بیشتر) یا پایه صمغ (مدول\صلبیت بالا، ضریب پایین تر)، دارای محدوده ضریب انبساط -1 تا +8 است.

در یک تیر نسبتا بلند، تغییرات ضریب انبساط حرارتی مواد مختلف می تواند تنش های تیر را مقداری تغییر دهد.

ضریب انبساط حرارتی پایین فیبر کربن، این ماده را برای کاربرد هایی که جابجایی های کوچک می تواند بحرانی باشد مناسب می سازد. تلسکوپ و سایر دستگاه های لنز دار از جمله این دستگاه ها هستند.

10,11,12- غیر سمی، غیر قابل واکنش زیستی، عبور دهنده X-Ray

این ویژگی ها، فیبر کربن را مناسب برای کاربرد های پزشکی می کند. عضو مصنوعی، تعمیر تاندون و ایمپلنت، تجهیزات جراحی x-ray، همگی در حال توسعه هستند.

اگرچه فیبر کربن سمی نیست، اما می تواند مضر بوده و اگر به مدت طولانی بدون حفاظت باشد، می بایست استفاده آن محدود شود. هرچند ماتریس اپوکسی یا پلی استر می تواند سمی بوده و باید مراقبت شود.

13- فیبر کربن نسبتا گران است

هرچند که فیبر کربن مزایایی چون استقامت، صلبیت و کاهش وزن را دارا می باشد، قیمت آن چنگی به دل نمی زند. مگر اینکه مزیت وزن بسیار مهم باشد، مثل کاربرد هایی در پرنده ها یا مسابقات، معمولا ارزش صرفه جویی در هزینه کم می شود. نیاز به تعمیر و نگهداری کم در فیبر کربن یکی دیگر از مزایای آن است.

فیبر کربن دارای معروفیت و سابقه ای است که متقاضیان را به پرداخت پول بیشتر برای داشتن آن تشویق می کند.

ممکن است نسبت به فایبر گلاس کمتر به آن نیاز داشته باشید که این صرفه جویی است.

14- فیبر کربن شکننده است

لایه های فیبر کربن دارای پیوند های کووالانسی قوی هستند. تراکم ورقه ای لایه ها، پخش ترک ها را آسان می سازد. به عبارت دیگر، فیبر کربن قبل از تخریب، زیاد خم نمی شود.

15- فیبر کربن هنوز با روش های ساده قابل تولید نیست

برای بهینه کردن ویژگی های فیبر کربن، به یک تکنولوژی نسبتا بالا نیاز است. ناخالصی و حباب های هوا می توانند تاثیر بسزایی بر عملکرد بگذارد. معمولا تجهیزات خلاء و اتوکلیو نیاز است. مُلد ها و مندرل ها نیز عمده وسایل هزینه بر هستند.

کسب نتیجه هر سازه فیبر کربنی ساده رابطه نزدیکی با مهارت و مراقبت دارد.