الیاف کربن
الیاف کربن یکی از پرکاربردترین الیاف در صنعت است؛ و در تولید انواع کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. این الیاف ضریب الاستیک نسبتاً بالایی درمقایسه با الیاف شیشه و کولار دارند. ضریب انبساط گرمایی این نوع الیاف‌ها در دماهای متفاوت کم می‌باشد که این مسئله باعث پایداری طولی و اندازهٔ الیاف کربن در دماهای مختلف می‌گردد.
الیاف کربن از فیبرهایی با قطری در حدود ۵ تا ۱۰ میکرومتر (یکا) قطر تشکیل شده‌اند. نخ الیاف کربن با چگالی خطی (وزن در طول واحد؛ یعنی ۱ گرم در ۱۰۰۰ متر = ۱) یا بر پایهٔ تعداد رشته‌ها در هر نخ، است. بنابراین چگالی این الیاف می‌تواند حدود ۱٫۸ تا ۲ g/m³ باشد.
فیبر کربن عنصری با چگالی‌ای به‌طور متوسط در حدود 1.9 g/m³ گرفته شود و اشکال بلوری مختلفی دارد. رشته الیاف کربن که از فیبرهای کربن تشکیل می‌گردد، به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری می‌باشند. علیرغم حجم بالای استفاده از آن‌ها، قیمت الیاف کربن هنوز نسبتاً بالا است. این مسئله باعث محدودیت فروش الیاف کربن می‌گردد.
فیبر و الیاف کربن در مدول‌های الاستیسیته و مقاومت‌های کششی مختلف و با بافت‌های مختلف شامل الیاف کربن تک جهته و الیاف دو جهته کربن برای تولید مصالح کامپوزیتی صنایع مختلف و مقاوم‌سازی انواع سازه‌های بتنی عرضه می‌گردند. با توجه به نیاز صنعت‌های مختلف کشور ایران، الیاف کربن در طیف گسترده‌ای از انواع فیبر از ۳K تا ۵۰K و با وزن‌های مختلف و عرض‌تمیزکاری‌های مختلف ارائه می‌شوند.
معمولاً دسته‌بندی الیاف کربن بر مبنای وزن آن‌ها انجام می‌گیرد. برای مثال الیاف کربنی که با عنوان UD200 نام گذاری می‌شود، وزنی برابر ۲۰۰ گرم در هر متر مربع دارد.این خواص از انتخاب ماده خام پلیمر اولیه، شرایط کربنیزاسیون و عملیات حرارتی و همچنین افزودنی‌های خاص متأثر می‌شود.
الیاف کربن بر پایه PAN ,Gpa 400- 200 مدول یانگ، تحت کشش طولی الیاف نشان می‌دهند. هنگامی که از جهت عرضی کشیده شود مدول یانگ Gpa 25- 5 و استحکام فشاری نیز Gpa است.
به نظر می‌رسد که مدول یانگ الیاف کربن و البته به آرایش یافتگی بلورهای گرافیت در الیاف کربن است. در حالی که استحکام به وسیله اتصال بین لیفی تعیین می‌شود.
یکی از خواص الیاف کربن که قابلیت استفاده از آن را در کاربردهای آینده در زمینه‌های فراوان تا حد زیادی اثبات می‌کند. مقاومت آن در برابر عوامل مهاجم است این خاصیت به ویژگی‌های ساختاری الیاف کربن مربوط است و اصولاً به نوع ماده خام اولیه، دمای عملیات حرارتی و به حالت وجودی المان‌ها در الیاف بستگی دارد.
پیداست که مقاومت اسیدی الیاف کربن با افزایش دمای عملیات حرارتی افزایش می‌یابد چون سهم باندهای پایدارتر افزایش می‌یابد حال آنکه ساختار کربن کاملتر مانع از نفوذ واکنش‌گر به شبکه الیاف می‌شود.
بنابراین در دمای اتاق تغییرات ناچیزی در الیاف کربن مشاهده می‌شودحتی بعد از آنکه یک دوره طولانی در معرض سیال خورنده قرار بگیرد. پایداری الیاف کربن در دماهای بالا کاهش می‌یابد مخصوصاً اگر عوامل مهاجم اکسیژن دار باشند (به عنوان مثال اسید نیتریک، هیژوکلرید سدیم)
به‌طور کلی، مقاومت الکتریکی الیاف کربن به سه روش اصلی کنترل می‌شود: ۱- با رژیم دمایی- حرارتی در طول مراحل تشکیل الیاف، شامل عملیات حرارتی ناگهانی سطح ۲- کشش آرایش دهنده الیاف در طول مراحل تشکیل و کربنیزاسیون ۳- اضافه کردن المان‌های شیمیایی و گروه‌های عاملی به ساختار مواد خام اولیه یا الیاف کربن. مقاومت الکتریکی الیاف کربن به دمای کربنیزاسیون بستگی دارد، اگر دمای کربنیزاسیون در محدوده ۸۰۰–۳۰۰ درجه سانتی‌گراد باشد. کاهش سریع مقاومت الکتریکی مشاهده می‌شود. اگر دمای کربنیزاسیون ۹۰۰–۸۰۰ درجه ساتی گراد باشد. این کاهش کندتر می‌شود و فرایند کربنیزاسیون در دماهای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتی‌گراد با تغییرات ناچیز مقاومت الکتریکی همراه است.
تغییرات مقاومت الکتریکی ممکن است به خاطر نوسانات در قطر الیاف باشد افزایش دمای عملیات حرارتی همزمان با اعمال کشش خارجی باعث رشد کریستالها در الیاف کربن می‌شود به علت افزایش اندازه بلور و کاهش فاصله درون بلوری، کاهش فاصله نوار انرژی مشاهده می‌شود؛ که این باعث افزایش هدایت الکتریکی می‌شود.
الیاف کربن معمولاً بر اساس تعداد فیلامنت، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، و دمای نهایی عملیات حرارتی به الیاف تک جهته کربن و الیاف کربن دو جهته دسته‌بندی می‌گردند. دسته‌بندی می‌شوند. الیاف کربن صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارند که عبارتند از:
مقاوم‌سازی ساختمان و تقویت سازه‌ها با الیاف کربن، ساخت صفحات، ورقها و لمینیت کربن، الیاف تقویت‌کننده بتن‌های مقاومت بالا، ساخت دیوارهای با مقاومت بالا و سبک کربنی، ساخت سازه‌های پس کششی و پیش تنیده کربنی در سازه‌های بتنی، استفاده در جداره داخلی تونل‌ها. مخازن سوخت کربنی خودروها، ساخت سپرهای کربنی خودروها، شفت‌های انتقال نیرو، قطعات موتور، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز، بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی‌ها، فنرهای لول و…
در صنایع خودرو و به خصوص خودروهای مسابقه‌ای که حالت لوکس دارند هم قطعات کربنی مثل سپر و اسپویلر طرفداران زیادی پیدا کرده و حتی برخی خودروهای چند صد هزار دلاری با بدنه‌ای که بیشتر بخش‌هایش از فیبر کربن است، عرضه می‌شوند. فیبر کربن زیبایی خاص و دلفریبی دارد، اما گران است و شکننده. به همین علت است که در حال حاضر فلزات کاربرد خاص خودشان را حفظ کرده‌اند و در صورت نیاز و به تناسب هزینه، از کربن هم استفاده می‌شود.
اجزای سازه‌ای ماهواره‌ها، سازه‌های داخلی هواپیماهای مسافرین اعم از پنل صندلی‌های کربنی، میزهای کربنی و سایر پوشش‌های کربنی، نوک هواپیماهای مافوق صوت، قطعات حساس موتور هواپیماها و …
در صنایع هوایی وزن کم و استحکام بسیار بالای فیبر کربن هزینه‌ها را جبران کرده و کمپانی‌های بزرگ مثل بویینگ و ایرباس به وفور از کامپوزیت‌ها استفاده می‌کنند.
صرف‌نظر از هزینه، سختی بالای کربن به معنی شکنندگی آن است. در حقیقت موادی که حالت کریستالی دارند، تا حدی ترد و شکننده هستند و کربن هم از این قاعده مستثنی نیست. این شکنندگی گاهی دردسرساز می‌شود.
به عنوان مثال بویینگ در آن روزهای ابتدایی تولید بویینگ ۷۸۷ متوجه ترک‌هایی شد که در ابتدا به راحتی و مثل فلزات آشکار نبود. همین کشف ساده منجر به توقف تولید و تقویت مجدد پنل بال شد.
ساخت اجزای تجهیزات پزشکی کربنی، صندلی چرخدار کربنی، استخوان مصنوعی و انواع اجزای مصنوعی بدن و …
یکی از مهم‌ترین دلایل سرعت کم نفوذ فیبر کربن در صنایع مختلف، بالا بودن قیمت الیاف کربن می‌باشد. امروزه بیشترین توجه شرکت‌ها، بر روی روشی جهت کاهش قیمت الیاف کربن و ارتقاء فروش الیاف کربن متمرکز شده‌است.
شیوه‌های کاهش قیمت الیاف کربن در سه حوزه کاهش قیمت:
قابل بررسی می‌باشد. پیشرفت در هر کدام از این حوزه‌ها، تأثیر بسیار مهمی در قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن خواهد داشت.
الیاف کربن اولین بار توسط توماس ادیسون در دهه ۱۸۸۰ ثبت اختراع شد و تولید تجاری الیاف کربن امروزی نیز در کشور ژاپن از سال ۱۹۷۰ آغاز گردید. بعد از سال ۱۹۸۰ نیز تولید تجاری این الیاف در حجم انبوه در آمریکا و کشورهای اروپایی باعث کاهش قیمت الیاف کربن و افزایش فروش الیاف کربن شد. الیاف کربن از طریق پیرولیز مبناهای آلی که به شکل الیاف هستند، تولید می‌گردند.
ویژگی فیزیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت‌گیری الیاف پیش زمینه یا مبنا و کاهش ضعف‌های موجود، بهبود می‌یابند. بدین ترتیب، مناسبترین روش در فرایند تولید الیاف کربن با ویژگی‌های مناسب، استفاده از الیاف مبنا با بیشترین مقدار جهت‌گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدارسازی و کربونیزاسیون از طریق اعمال کشش می‌باشد. الیاف اکریلیک به دلیل داشتن بیش از ۵۵ درصد کربن در ساختار خود، یکی از بهترین پیش‌زمینه‌ها جهت تولید الیاف کربن می‌باشد.
شامل سه فاز زیر می‌باشد:
در این مرحله الیاف اکریلیک هم‌زمان با اعمال کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سلسیوس قرار می‌گیرد.
پس از فاز پایدارسازی اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس در محیط خنثی برای مدت چند ساعت، تحت عملیات حرارتی کربونیزاسیون قرار می‌گیرند.
با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب ارتجاعی و اعمال این مرحله در محدوده دمایی ۳۰۰۰ – ۱۵۰۰ درجه سلسیوس، موجب بهبود درجه جهتگیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و سایر ویژگی‌های مکانیکی می‌شود.
فرایند تولید الیاف کربن بر مبنای سایر پیش‌زمینه‌ها نیز، مشابه مراحل فوق است.
مشخصه‌های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاه‌های میکروسکوپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است. در الیاف کربن بر پایه پلی اکریلونیتریل، ساختار الیاف در طی عملیات پایدارسازی اکسیداسیونی و متعاقب آن کربونیزاسیون، از ساختار زنجیره‌ای خطی به ساختار صفحه‌ای تغییر می‌کند.
هر چه مقاومت کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد، مشخصات کششی الیاف کربن بدست آمده بیشتر خواهد شد. هرگاه مرحله پایدارسازی به شکلی مناسب صورت گیرد، مقاومت کششی و ضریب ارتجاعی با کربونیزاسیون تحت کشش، به مقدار بسیار زیادی در محصول الیاف کربنی نهایی بالا می‌رود. در مجموع مقاومت نهایی و گسیختگی الیاف کربن به نوع الیاف مبنای پیش زمینه، شرایط فرایند، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف، مرتبط است.
روش‌های متنوعی برای تولید نانو الیاف کربن وجود دارد به عنوان مثال: رشد بخار (Vapor growth)، قوس الکتریکی (arc discharge)، برش لیزر (laser ablation) ورسوب سازی با غبار شیمیایی (chemical vapor deposition) با این حال این روش‌ها بسیار گران هستند که این بخاطر بازده تولید کم و قیمت بالای تجهیزات آنهاست. از سوی دیگر الکتروریسی به آسانی الیافی با قطر μm10- nm20 را تولید می‌کند. پارچه بافته نشد PAN به عنوان پیش ماده از طریق فرآیندهای پایدار سازی و کربنیزاسیون برای تولید نانو الیاف کربن به کار می‌رود. این نوع از کامپوزیت نانو الیاف کربن قابلیت استفاده به عنوان فیلتر برای جداسازی ذرات ریزگاز یا مایع، بستر کاتالیست‌های دما بالا، مواد تنظیم کننده دما در هواپیما و ابزارهای نیمه هادی همچنین گزینه نوید بخش برای ابزارهای الکترونیکی کوچک، باتری‌های قابل شارژ، و سوپر خازن‌ها را دارا می‌باشند.
عملیات حرارتی
عملیات حرارتی فرایندی است که الیاف PAN اولیه را به الیاف کربن تبدیل می‌کند. فرایند کردن در دماهای بالا سبب مدول بالاتر الیاف می‌شود زیرا باعث خارج شدن ناخالصی‌ها از الیاف به شکل مواد جانبی فرار می‌شود. در طول عملیات حرارتی الیاف منقبض شده و قطر آن‌ها کم می‌شود، که باعث بهبود ساختار و بالا رفتن استحکام، از طریق خارج کردن محتوای نیتروژن آغازین از ماده اولیه PAN و تنظیم نیتروژن می‌شود.
در یک شرایط کنترل شده و مناسب، استحکام الیاف پس از این فرایند پیرولیز می‌تواند به بیش از Gpa400 برسد.
پایدار سازی ماده اولیه
در میان فرایندهای تبدیل یاد شده، یک مرحله اساسی و زمان بر در تبدیل الیاف PAN به الیاف کربن پر بازده، مرحله پایدارسازی اکسایشی است این مرحله با واکنش‌های شیمیایی که در این فرایند درگیر هستند، تعریف می‌شود. پایدار سازی الیاف PAN اغلب اوقات در محیط‌های اکسید کننده (هوا، اکسیژن، مخلوط اکسیژن با گازهای بی‌اثر) در دمای بالای ۳۵۰ درجه سانتی‌گراد انجام می‌شود.
در این مرحله ساختارهای حلقوی زنجیری تشکیل می‌شود که پایداری حرارتی ماکرومولکول‌ها و سختی پلیمر را افزایش می‌دهد. درابتدا الیاف PAN کشیده می‌شوند و به‌طور همزمان در محدوده دمایی c300- 200 اکسیده می‌شوند. این عملیات حرارتی ترموپلاستیک PAN را به یک غیر پلاستیک حلقوی با یک ترکیب نردبانی تبدیل می‌کند.
این واکنش‌ها شامل حلقوی شدن، هیدروژن زدایی، آروماتیزه شدن، اکسیده شدن و اتصالات عرضی می‌شوند که باعث تشکیل ساختار نردبانی می‌گردند.
واکنش اکسایش
فرایند اکسایش، کمترین فرایند در طول پایدارسازی PAN اولیه است که شدیداً به مادهٔ اولیه وابسته است. از نظر تجاری، پایدارسازی الیاف PAN در یک محیط اکسنده که غالباً هواست انجام می‌شود. هنگامی که PAN در هوا پایدار سازی می‌شود، گرمازایی واکنش تا حدودی مربوط به واکنش با اکسیژن است. اگرچه پایدارسازی را در یک محیط بی اثر نیز می‌توان انجام داد، اما پلیمری که در زنجیر اصلی خود دارای گروه‌های حاوی اکسیژن است که ساختارهای نردبانی را بازتر می‌کنند برای تحمل دماهای بالاتر در فرایند کربنیزاسیون، پایداری بیشتری نشان می‌دهد.
واکنش حلقوی شدن
آخرین واکنش مورد بحث، حلقوی شدن است که مهم‌ترین واکنش در پایدارسازی الیاف PAN است. حلقوی شدن به واکنش گروه‌های نیتریل در پلیمر اولیه با گروه‌های مجاور به منظور تشکیل یک پلیمر نردبانی گفته می‌شود و آن را با معادله سینتیک درجه ۱ می‌توان توصیف کرد. حلقوی شدن مهم‌ترین واکنش در فرایند پایدارسازی است. حلقوی شدن گروه‌های نیتریل یک واکنش گرمازا است و این واکنش با تکامل محصولات بی دوام همراه است.
این فرایند برای متصل نگه داشتن مولکول‌ها به یکدیگر و افزایش سختی لازم است. به علاوه، پایدارسازی PAN سبب تغییر رنگ نیز می‌شود.
در طول فرایند پایدارسازی، ساختار PAN دستخوش فرایند حلقوی شدن می‌شود؛ و ساختار باند سه‌گانه به ساختار باند دوگانه تبدیل می‌شود و یک پدیدین حلقوی ۶ ضلعی حاصل می‌شود.