فناوری

فیبر کربن میتواند ارزان تر ، قوی تر ، سبک تر از هر چیزی باشد !

ممکن است شگفت آور به نظر برسد ، اما قوی ترین ماده ای که بشر تاکنون ایجاد کرده است نه از فلز ، بلکه از کربن است ، همان ماده ای که نوک مداد را تشکیل می دهد. البته ، تکنولوژی زیادی این ماده را تبدیل به ماده ای با چنین قدرت عظیم میکند، اما واقعیت همچنان باقی است. از شایع ترین عنصر سیاره ما می توان برای ایجاد ماده ای با چنین خصوصیات منحصر به فرد استفاده کرد. در ادامه به توضیح فیبر کربن میپردازیم.

فیبر کربن چیست؟

به طور کلی ، اصطلاح “فیبر کربن” به زنجیره های پلیمری کربن های aromatic که بین 5-10 میکرومتر قطر دارند ، اشاره دارد. مولکول های کربن aromatic گرم می شوند و در یک محور به یک ساختار متبلور متصل می شوند و فیبرهایی را تشکیل میدهند که دارای خواص مکانیکی و حرارتی قابل توجه ای هستند.

 فیبر کربن چیست

خواص این فیبرها چیست؟

این مواد  به راحتی قابل تشخیص هستند از مهمترین خواص وزن آن است یعنی وزن آن کم است. کربن نیمی از چگالی آلومینیوم و یک پنجم تراکم فولاد را دارد . کامپوزیت های الیاف کربن همچنین می توانند در ساخت قطعات تخصصی ساخته و مورد استفاده قرار گیرند و در بسیاری از موارد آن را به عنوان جایگزینی جذاب برای فلز تبدیل میکند ، زیرا بدون آسیب زدن به خواص مکانیکی می تواند باعث کاهش وزن شود.

از طریق آزمایش های فنی و مکانیکی ، می توان از قدرت قابل توجه این مواد قدردانی کرد. فیبر کربن از استحکام بالا و از استحکام کششی بسیار بالا برخوردار است و در صورت ترکیب با وزن کم آن ، باعث افزایش نسبت وزن به وزن می شود که با سایر مواد بی نظیر است . علاوه بر این ، فیبر کربن دارای خواص حرارتی عالی است و تحمل درجه حرارت بالایی را دارد ، انبساط حرارتی کم دارد ، و هدایت گرما در آن ضعیف است (آن را به عنوان یک عایق موثر تبدیل می کند)

فیبر کربن چگونه ساخته می شود؟

اگرچه پارامترهای خاص تولید فیبر کربن صنعتی از فرایند به فرایند دیگر متفاوت است ، اما هر یک از آنها یک طرح کلی یکسان برای تبدیل هیدروکربنهای آروماتیک به فیبر را دارند. همه اینها با یک ماده پیش ساز پلیمر غنی از کربن آغاز می شود. متداول ترین ماده پیش ساز پلی آکریلونیتریل (PAN) است ، یک رزین پلیمری مصنوعی است که از مواد نفتی گرفته می شود ، اما از ابریشم مصنوعی (الیاف سلولزی بازسازی شده) و نفت خام نیز می توان استفاده کرد .

اولین قدم چرخش پیش ماده در فیبر است. از نظر ساخت ، ریسندگی به فرآیند از قالب در آوردن یک پلیمر از طریق یک وسیله تخصصی به نام اسپینرت یا نخ ریس اشاره دارد. روش های ریسندگی متنوعی وجود دارد (مثلاً ریسندگی مرطوب ، ریسندگی خشک ، ریسندگی مذاب ، ریسندگی الکترو) که هر کدام از نظر مکانیسم خاص تشکیل فیبر متفاوت هستند و باید با توجه به محصول مورد استفاده و استفاده نهایی انتخاب شود.

فیبر پس از چرخش وارد مرحله تثبیت می شود که در دماهای کم اتفاق می افتد و منجر به اتصال متقاطع الیاف کربن متعدد به یکدیگر می شود. این مرحله به مرحله کربن شدن معروف است که در دماهای بالا (300-1200 درجه سانتیگراد) اتفاق می افتد و منجر به آزاد شدن بخش عظیمی از عناصر غیر کربن ناخواسته موجود در فیبر می شود.

بسته به کلاس کربن مورد نظر ، ممکن است یک مرحله graphitisation اضافی وجود داشته باشد ، که در دمای حداکثر 2800 درجه سانتیگراد رخ می دهد و عناصر غیر کربنی را که پس از کربن سازی باقی می ماند را جدا یا آزاد می کند .

موارد استفاده از فیبر کربن

هنگامی که فیبر کربن چرخید و تثبیت شد ، کاربردهای بالقوه آن گسترده و متنوع است. رشته ها را می توان به طور مستقیم در پارچه استفاده کرد ، یا می توان آنها را با رزین مخلوط کرد تا مواد کامپوزیتی ایجاد شود. مصرف کنندگان اصلی الیاف کربن عبارتند از هوافضا ، انرژی باد و صنایع خودرو و همچنین بازارها برای کالاهای کم حجم و با ارزش بالا مانند کالاهای ورزشی(به عنوان مثال دوچرخه ، راکت تنیس ، میله هاکی)  و .. استفاده کرد.

 فیبر کربن در دوچرخه

 

 فیبر کربن

 

در حال حاضر ، هزینه بالای پیش ساز PAN کاربرد فیبر کربن را به محصولات ویژه محدود می کند که عملکرد مکانیکی بالا و وزن کم از اهمیت بیشتری برخوردار است . بازار فیبر کربن پیش بینی شده بعدی که رشد انفجاری داشته است ، در بخش کامپوزیت خودرو است که در آن استحکام بالا امکان استفاده از آن را به عنوان جایگزینی از فولاد فراهم می کند که باعث بهبود اقتصاد سوختی می شود (به دلیل کاهش وزن چشمگیر)

 فیبر کربن در ماشین

با این وجود ، با پیشرفت فرآیند و تولید فن آوری های مهندسی تولید فیبر کربن افزایش می یابد و انتظار می رود ارزانتر و سریع تر در آینده ای نه چندان دور شود .

چگونه می توان فیبر کربن را ارزانتر کرد؟

با توجه به هزینه بالای PAN ، تحقیقات زیادی برای یافتن منابع ارزان تر از پیش سازهای پلیمری aromatic انجام می شود. یک گزینه امیدوارکننده استفاده از lignin ، یک ترکیب aromatic طبیعی است که در درختان یافت می شود. این بیوپلیمر در حال حاضر در مقادیر زیادی توسط صنعت خمیر و کاغذ پردازش می شود اما در اصل به عنوان یک محصول زباله مورد استفاده قرار می گیرد.(دور ریخته میشود و هدر میرود)

فرآیند تولید کاغذ ، lignin را از چوب جدا می کند ، اما به جای استفاده از آن به عنوان یک جریان با ارزش آروماتیک ، کارخانه های تولید کاغذ آن را می سوزانند تا انرژی فرآیند را برای این کار ایجاد کنند . برخی از کارخانجات کاغذی به جای سوختن آن ، جداسازی بخشی از لیگنین خود را آغاز کرده اند و جریانی از بیوپلیمرهای ارزان قیمت قابل تجدید را ایجاد کرده اند که می توانند درون الیاف بچرخند.

آروماتیک های مشتق از lignin ناهمگن تر از آروماتیک های PAN مشتق از نفت هستند ، بنابراین تمرکز تحقیقات بیشتر به سمت اصلاح شیمیایی بیوپلیمرهای lignin است که فرآیند پردازش آن را بهبود بخشند و همگن سازی ابتدایی و عملکرد های آن را افزایش دهند (که منجر به الیاف با خواص حرارتی و مکانیکی بهتری می شود) )

چگونه می توانیم آن را قوی تر و سبک تر کنیم؟

به جای استفاده از ماتریس پلیمری معمولی برای تشکیل کامپوزیت های کربن ، می توان از ماتریس فلزی نیز استفاده کرد. به دلیل پتانسیل واکنش شیمیایی بیشتر و خوردگی بیشتر ، کامپوزیت های ماتریس فلزی (MMC) به طور کلی برای تثبیت پوشش داده می شوند که منجر به افزایش هزینه تولید همچنین می شوند. با این حال ، برای برخی از برنامه های خاص ، مانند فن آوری های هوافضا و هواپیما ، ویژگی های بهبود یافته موثر و عملیاتی است.

ساختار فیبر کربن

 

نسبت به کامپوزیت های فیبر کربن پلیمری ماتریس ، MMC ها در دماهای بالاتر پایدار هستند ، باعث افزایش هدایت الکتریکی و حرارتی می شوند و در برابر تابش مقاوم هستند . این حالت  نانوساختار استوانه ای دارند و نسبت طول به قطر آن بسیار زیاد است (یعنی 132,000,000:1) و ثابت کرده اند که یک پوشش امیدوار کننده  را دارند ، زیرا فیبر می تواند در اثر هوازدگی و قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش تخریب شود اما این ترکیب این تخریب را کاهش میدهد.

Graphene یک آلوتروپ کربن است که از یک لایه واحد از اتم های کربن مستقر در یک شبکه شش ضلعی تشکیل شده است  که منجر به ماده ای با خواص خارق العاده می شود. به همین ترتیب ، می توان آن را به عنوان ضخامت یک اتم فیبر کربن در نظر گرفت. تقریباً 200 برابر قویتر از فولاد است ، اما بسیار سبک وزن و قابل انعطاف است. بسیار رسانا است اما در عین حال تقریباً شفاف است .

خاصیت Graphene که بسیار جالب است ، توانایی آن در ذخیره بار الکتریکی است. برای تولید ابررساناها با فیلم نازک که می تواند در مدارهای مینیاتوری مورد استفاده قرار گیرد ، از ماده ای مانند Graphene با نسبت سطح به حجم بالا ، برای ذخیره سازی و تحویل سریع بار الکتریکی لازم است .

گروه SGL – شرکت کربن – یکی از تولید کنندگان پیشرو در جهان محصولات مبتنی بر کربن است. نمونه کارها جامع آنها از محصولات کربن و Graphene گرفته تا الیاف کربن و کامپوزیتها و….

منبع: matmatch

برچسب ها
مشاهده بیشتر

نوشته های مشابه

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
بستن