فیبر کربن چیست و چه مزایا و کاربرد هایی دارد؟

فیبر کربن رشته الیافی است که از حرارت دادن مواد آلی که قسمت عمده آن از کربن تشکیل شده است در محیط گاز های بی اثر حاصل می شود. الیاف کربن در ساختار خود حداقل باید ۹۰ درصد کربن داشته باشد و از فرایند پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه ، حاصل می شود.

فیبر کربن نامحلول در آب ، بدون بو ، سیاه رنگ که مقاومت بسیار بالایی در برابر مواد خورنده مانند اسید ها ، باز ها دارد . الیاف کربن به صورت تک جهته و دوجهته وجود دارد . در حالت تک جهته ، فیبر کربن موازی با راستای صفر درجه است و در حالت دو جهته این فیبر به صورت دو راستای صفر و عمود بر آن قرار دارند. فیبر کربن در زمینه های مختلفی کاربرد دارد . از کاربرد های آن می توان به صنایع دفاعی، خودرو سازی ، مقاوم سازی ساختمان ها و بسیاری از صنایع مهم اشاره کرد .  در ساخت فیبر کربن معمولاً با  اضافه کردن موادی مثل رزین اپوکسی به سازه ها ( المان ها و اعضای باربر )  ظرفیت خمشی ، برشی ، محوری آن ها را تقویت می کنند .

این فیبر ها مقاومت بالایی در برابر حرارت دارند و از دسته الیاف غیر انفجاری محسوب می شوند . از دیگر ویژگی های فوق العاده آن وزن سبک و مقاومت بالای آن است . این ویژگی باعث استفاده گسترده از فیبر کربن در صنعت کامپوزیت FRP و بهسازی لرزه ای سازه ها شده است . از دیگر مزایای فیبر کربن مقاومت کششی بالای آن است . در این مقاله از نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به درباره خواص و کاربرد و انواع فیبر کربن می پردازیم ، با ما همراه باشید.

تاریخچه فیبر کربن

در دهه ۱۹۵۰ میلادی ، الیاف کربن خالص ، ویژگی های منحصر به فرد و فوق العاده ای  مثل وزن سبک درکنار مقاومت و سختی بالا داشت و برای ساخت سازه های محکم و فوق سبک بسیار ایده آل بود . این ماده در ابتدا در بازار فروش بسیار گران قیمت بود و استفاده از آن در صنعت بسیار محدود بود.

 در سال ۱۹۶۰ ریچارد میلینگتون از کمپانی Thompson Fiberglas با استفاده از ابریشم مصنوعی روشی را ابداع کرد ، که درآن  فیبر با کربن بالا ۹۹ درصد تولید می شد ،که باعث پایین آمدن قیمت کربن در بازار خرید و فروش شد. کاهش قیمت این محصول باعث گسترش استفاده از این ماده در صنعت ساختمان و پل جهت مقاوم سازی و تقویت سازه ها شد . امروزه نیز از این ماده برای افزایش مقاومت در کامپوزیت های پلیمری با مقاومت بسیار بالا در صنایع مختلف استفاده می شود.

فیبر کربن چیست

الیاف کربن (به انگلیسی: Carbon fibers) از در صنعت مقاوم سازی و کامپوزیت بسیار پرکاربرد  است.این الیاف ضریب الاستیک نسبتاً بالایی نسبت به شیشه و کولار دارد . ضریب انبساط گرمایی این ماده در دماهای مختلف کم است و این موضوع باعث پایداری طولی این الیاف در دماهای مختلف می شود.

فیبر کربن دارای قطری در حدود ۵ تا ۱۰ میکرومتر (یکا) است و چگالی‌ای آن در حدود ۱.۹ g/m³ می باشد . این ماده در مقاومت های کششی و  ضرایب الاستیسیته  مختلف و هم چنین در بافت مختلفی مانند الیاف کربن تک جهته و الیاف کربن دو جهته برای صنایع مختلف جهت تولید مصالح کامپوزیت و مقاوم‌سازی انواع سازه‌های بتنی استفاده می شود. مقاومت کششی فوق العاده فیبر کربن نسبت به وزنی که دارد از امتیاز های ویژه این ماده  محسوب می شود ، که باعث شده است که وزن فیبر کربن یک سوم وزن فولاد  و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت داشته باشد . این الیاف در برابرد مواد شیمیایی  پایدار هستند و نسبت به اشعه x غیر قابل نفوذ می باشند. این ماده رسانایی الکتریکی بسیار خوبی دارد و در ساخت کامپوزیت‌ های سبک و مستحکم CFRP استفاده می شود.الیاف کربن با در نظر گرفتن نیاز صنعت های مختلف در طیف گسترده ای از انواع فیبر از ۳K تا ۵۰K و با وزن‌های مختلف ارائه می شود.

منابع تولید الیاف کربنی عبارت است از

۱) الیاف کربنی ساخته شده از گیاهان یا سلولوزی
۲) الیاف کربنی ساخته شده از قیر
۳) الیاف کربنی ساخته شده از پلی اکریل نیتریل(PAN)

در حال حاضر پیشروی الیاف کربنی ساخته شده از قیر و پلی اکریل نیتریل (PAN)بیشتر میباشد

خواص الیاف کربن

این خواص براساس  شرایط عملیات کربنیزاسیون و فرایند حرارتی ، ماده خام پلیمر اولیه و هم چنین افزودنی های خاص تعریف می شود.

پارامتر مدول Modulus ، مقدار نیروی لازم در واحد سطح را برای  انجام یک تغییر شکل را تعیین می کند . واحد اندازه گیری آن پاسکال (Pa) است . به طور معمول تغییر شکل در مدول بالاتر دشوار تر است . مدول کششی الیاف معیار اصلی طبقه بندی الیاف کربن است. مدول کششی مخفف ” مدول الاستیسیته ” است . مدول های الاستیسیته شامل مدول یانگ، مدول برشی و مدول حجمی می شود. مدول الاستیسیته ، اندازه گیری میزان سفتی یک فیبر با قطر خاص یا مقاومت در برابر کشش است ، هرچه عدد بیشتر باشد ، فیبر سفت تر است.

الیاف کربن بر پایه PAN ,Gpa 400- 200 مدول یانگ برای زمانی است که الیاف از جهت طولی کشیده شود. زمانی که الیاف از جهت عرضی کشیده شود مدول یانگ Gpa 25- 5 است .

مقاومت شیمیایی الیاف کربن

مقاومت الیاف کربن در برابر عوامل مهاجم یکی از خواص الیاف کربن است ، که قابلیت استفاده از آن را در کاربرد های آینده  و در زمینه های مختلف ،   اثبات می کند . این خاصیت به فاکتور هایی مانند ویژگی‌های ساختاری الیاف کربن ، نوع ماده خام اولیه ، حالت وجودی المان‌ها در الیاف ، دمای عملیات حرارتی بستگی دارد .

مقاومت اسیدی این ماده می تواند از طریق افزایش دمای عملیات حرارتی افزایش یابد ،چون در این فرایند سهم باندهای پایدارتر بیشتر می شود. حال آنکه اگر شبکه کربنی تکمیل تر شود ، واکنش گر به شبکه الیاف نفوذ نخواهد کرد.

بنابراین این الیاف در دمای معمولی اتاق دچار تغییرات ناچیزی می شوند حتی اگر در معرض یک سیال خورنده به مدت طولانی قرار بگیرد ، می تواند خاصیت خود را حفظ کند. پایداری الیاف کربنی در دماهای زیاد کمتر می شود به ویژه زمانی که  عوامل مهاجم اکسیژن دار باشند .

خواص الکتریکی فیبر کربن

کنترل مقاومت الکتریکی در  الیاف کربن به سه روش است :

1. با رژیم دمایی- حرارتی در فرایند تشکیل الیاف
2. کشش آرایش دهنده الیاف در طول مراحل تشکیل و کربنیزاسیون
3. اضافه کردن گروه‌های عاملی و المان‌های شیمیایی به الیاف کربن

مؤلفه مقاومت الکتریکی الیاف کربن وابسته به عامل دمای کربنیزاسیون است. اگر محدوده دمایی فرایند کربنیزاسیون بین ۸۰۰–۳۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد، مقاوت الکتریکی آن به سرعت کاهش می یابد . این دما اگر بین ۹۰۰–۸۰۰ درجه سانتی گراد باشد، کاهش مقاومت الکتریکی کندتر می شود. اگر عملیات کربنیزاسیون در دماهای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد انجام شود،  تغییرات مقاومت الکتریکی ناچیز خواهد بود.

تغییر اندازه در قطر الیاف ممکن است باعث تغییرات مقاومت الکتریکی الیاف کربن شود .اگر افزایش دمای عملیات حرارتی با فرایند افزایش کشش خارجی همراه باشد، باعث رشد کریستالها در این الیاف می شود و این پدیده موجب افزایش هدایت الکتریکی می‌شود.