الیاف کربن
الیاف کربن به انگلیسی Carbon fibers 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[۱] 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.
مزایا الیاف کربن
- نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن – مقاومت کششیبالا مقاومت کششی فوقالعاده نسبت به وزن آن الیاف کربن تقریباً یک سوم فولاد وزن و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت دارد
- نسبت بالای مدول کششی الاستیسیته به وزن
- استحکام مناسب در برابرخستگی
- ضریب انبساط حرارتیبسیار پائین کامپوزیتهای سبک و مستحکم و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز میسازد
- قابلیت بافت و تولید پارچه
- مقاومت بالا در برابرخوردگی دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعهX از بارزترین خصوصیات الیاف کربن بهشمار میرود
معایب الیاف کربن:
- کرنشگسیختگی بسیار کم و شکننده بودن
- کربنهادی الکتریکی است. هدایت الکتریکی بالا ممکن است سبب ایجاد اتصالات کوتاه در قطعات غیر عایق الکتریکی گردد.
- کرنش کم در لحظه شکست
- قیمت بالا
- مقاومت ضربهای کم
خواص الیاف کربن
این خواص از انتخاب ماده خام پلیمر اولیه، شرایط کربنیزاسیون و عملیات حرارتی و همچنین افزودنیهای خاص متأثر میشود.
خواص مکانیکی
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.
خواص الکتریکی
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.
در مجموع در این حالت الیاف کربن را میتوان به دو دسته تقسیم کرد که عبارتند از:
- الیاف کربن با مبنایالیاف مصنوعی، که با نام شیمیایی پلی آکریلونیتریل (PAN) شناخته میشوند، مقاومت بسیار زیادی دارند ولی این نوع قیمت الیاف کربن گران است.
- الیاف کربن با مبنایقیری، که از تقطیر زغال سنگ به دست میآیند و از الیاف کربن PAN ارزانتر هستند؛ ولی مقاومت و مدول الاستیسیته کمتری دارند.
کاربرد الیاف کربن
- کاربرد الیاف کربن در صنعت ساختمان
- کاربرد الیاف کربن در صنعت خودرو
- کاربرد الیاف کربن در صنایع هوا فضا و هواپیماسازی
- کاربرد الیاف کربن در صنایع پزشکی
- کاربرد الیاف کربن در بخش انرژی
انواع الیاف کربن:
Carbon fabric 1k -95 gr/m2 –plain-twill |
Carbon fabric 3k-200gr/m2 plaIn-twill |
Carbon fabric 6k-400gr/m2 plain- twill |
Carbon fabric ud-6k -200gr/m2 |
Carbon fabric ud 12k-300gr/m2 |
Roving carbon |
Roving PAN baese 3k,6k,12,24k |
Chopped carbon |
Chopped carbon PAN baese 6,8,12,24 |
Tape carbon plain -200gr/m2 width :5cm,10cm |