الیاف کربن چیست و طرز تهیه الیاف کربن

کربن عنصری با چگالی g/cm3 ۲/۲۷ است و شکلهای مختلف بلوری دارد.

شکل بلوری مورد نظر در الیاف کربن ساختار گرافیتی آن است که در آن عناصر کربن به صورت لایه های شش ضلعی قرار گرفته اند.

شکل دیگر و معروف کربن ساختار كووالانسی الماس است که در آن اتمها شبکه های سه بعدی سخت و انعطاف ناپذیر  تشکیل می دهند.

الیاف کربن (که در آمریکا به آن الیاف گرافیت می گویند) الیافی به مراتب نازکتر از موی انسان (100-200 UM) در قطری بین ۱۰ – ٦ UM می باشند.

علیرغم حجم بالای استفاده از آنها، قیمت الیاف کربن هنوز نسبتا بالا است. در شکل های زیر صورت های مختلف الیاف کربن مشاهده میشود.

برای خرید انواع الیاف کربن کلیک کنید.

Woven fabric I	Roving
Woven Fabrics II	Perform

الیاف کربن از لحاظ ساختمانی متشکل از کربنهای گرافیتی هستند و از نظر شیمیایی شامل ۹۹/۹ کربن خالص است.

این ساختمان از لایه های موازی تشکیل شده است که در آنها اتم های کربن به صورت شش وجهی های منظم قرار گرفته اند.

به این لایه ها صفحات بنیادی (basal plane) گفته شده و فواصل این لایه ها A ٣/٤  میباشد که بزرگتر از فاصله بین اتمهای مجاور (١/٤٢A) در هر لایه است.

برای خرید انواع الیاف کربن کلیک کنید.

هدایت الکتریکی و حرارتی بالای گرافیت در جهت لایه ها به علت تحرک الکترونهای  (π) در بین لایه ها است.

این صفحات به وسیله نیروهای ضعیف واندروالسی در کنار هم قرار گرفته اند در حالی که پیوند محکم کووالانسی بین اتمهای کربن موجود در لايه وجود دارد.

لذا الیاف کربن از نظر خواص فیزیکی و مکانیکی رفتاری ناهمسان (Anisotropic) از خود نشان مس دهند.

به همین جهت مدول آنها در جهت صفحات بنیادی حدود GPa ۱۰۰۰ و در جهت عمود بر این صفحات حدود GPa ۳۵ می باشد.

لذا جهت دهی صفحات بنیادی در جهت محور طولي الياف باعث تولید الیافی با مدول بالا می شود که با توجه به چگالی کم این مواد هر (حدود 2g/cm3 ) در نهایت الیافی با مدول ویژه بسیار بالا حاصل می گردد.

برای خرید انواع الیاف کربن کلیک کنید.

مواد اولیه و طرز تهیه الیاف کربن

الیاف کربن از مواد اولیه مختلفی تهیه می شوند.

خواص مکانیکی محصول بسته به نوع مواد اولیه و شرایط فرآیند میتواند بسیار متفاوت باشد زیرا این عوامل تعیین کننده خلوص و جهت یافتگی کریستالها میباشند.

مواد اولیه ، مورد استفاده در ساخت الياف کربن به دو دسته کلی تقسیم می گردند:
(۱) مواد اوليه ليفي (textile precursors مانند پلی اکریلونیتریل (PAN) و رايون
(۲) مواد اولیه قیری (pitch precursors)

در شکل ۲-۱۵ نمایی از روش تولید الیاف کربن از این دو منبع نشان داده شده است.

برای خرید انواع الیاف کربن کلیک کنید.

طرز تهیه الیاف کربن از PAN

متداول ترین ماده اولیه از مواد اولیه ،لیفی پلی آکریلونیتریل (polyacrylonitrile, PAN) میباشد.

در این مرحله ابتدا الياف تحت گرما بین ۱۳۰۰ – ۵۰۰ درصد کشیده میشوند که این امر باعث آرایش یابی بهتر زنجیره های مولکولی در جهت الیاف می شود.

سپس در حالی که هنوز الیاف تحت تنش ،هستند در مجاورت هوا تا دمای 200-280 °C چند ساعتی حرارت داده می شوند.

این امر باعث جابجایی درون مولکولی و تشکیل زنجیره های نردبان مانند می گردد. در این مرحله عمل اکسیداسیون نیز صورت می گیرد و تقریباً بیشتر گروههای CH2 اکسیده می شوند.

در مرحله بعد الیاف اکسید شده با حرارت دادن در دمای ۹۰۰-۱۲۰۰°C و در محيط خنتي( تحت گاز نیتروژن یا آرگون) کربونیزه می شوند.

تنش وارده به الیاف از جمع شدگی (shrinkage) آنها جلوگیری میکند و به آرایش مولکولی بهتر کمک می نماید.

در این مرحله با حذف بیشتر اتم های اکسیژن و نیتروژن الیاف عمدتاً حاوی اتم های کربن خواهند بود که در حلقه های شش وجهی مستقر در صفحات نسبتاً موازی قرار گرفته اند.

الیاف حاصل از این مرحله عمدتاً متخلخل اند و چگالی الیاف در این حالت حدود g/cm3 ١/٧٤ میباشد.

الیاف حاصل از این مرحله دارای مدول نسبتاً کم و استحکام بالا می باشند.

برای خرید انواع الیاف کربن کلیک کنید.

در مرحله سوم عمل اصلاح حرارتی (heat treatment) بر روی الیاف مرحله دوم در محیط خنثی و در دمای ٤۰۰-۲۸۰۰°C صورت می گیرد که نتیجه آن نظم بیشتر ساختمان کریستالی الیاف میباشد.

در این مرحله که آن را گرافیته کردن می نامند با کاهش میزان تخلخل الیاف، چگالی آنها تا ۲g/cm افزایش می یابد و الیافی با مدول بالا اما استحکام کششی کمتر از مرحله دوم به دست می آید. راندمان تولید الیاف با استفاده از PAN حدود %۵۰ می باشد.

یا افزایش دمای گرافیته کردن مقدار مدول الیاف حاصل افزایش می یابد.

بررسی ها نشان داده است که با انتخاب شرایط مناسب اصلاح حرارتی می توان خواص را به میزان قابل توجهی تغییر داد.

در حال حاضر گونه های مختلفی از الیاف کربن در بازار وجود دارد که به طور عمده شامل: الیاف با مدول بالا ( HM یا Type II) الیاف با استحکام بالا ( HSیا Type I) و الیاف با مدول متوسط (IM = Intermediate Modulus) میباشد.

الياف HM در دمای  ۲۵۰۰C و الیاف HS در دمایC° ۱۵۰۰ عمل آوری میشوند.

برای خرید انواع الیاف کربن کلیک کنید.