الیاف کربن و روش تولید آن

الیاف کربن:

الیاف کربنی بصورت تجارتی به دو روش ساخته می شود برای ساختن آن می توان از مواد مختلف استفاده کرد، از پلیمرهای متنوع و گوناگون رزین های فنولیک هیدروکربنهای گازی و غیره برای تهیه الیاف کربن استفاده شده است ولی  تنها بیس (PAN Poly Acrylonitrile) پلی آکریلونیتریل و تجزیه حرارتی  (رفت) (Pitch) که از نفت یا ذغال سنگ  بدست می آید در حال حاضر برای تهیه کربن و الیاف کربن CFRP استفاده می شود.

کامپوزیت الیاف کربن/اپوکسی یکی از پرکاربردترین کامپوزیتهای زمینه پلیمری میباشد که به دلیل خواص ویژهای از قبیل استحکام بالا نسبت به وزن، سفتی ویژه بالا،مقاومت خوردگی بالا و مقاومت در برابر تابش اتمی، مصرف بالایی در صنایع مختلف از جمله صنایع هوافضا دارد. به همین جهت پایش بارگذاری این نوع کامپوزیت امری مهم است. به منظور شناسایی مکانیزم های خرابی کامپوزیتها، روش نشرآوایی کارایی بهتری در مقایسه با آزمونهای غیر مخرب دیگر دارد. در این پژوهش از روش نشرآوایی برای پایش بارگذاری خمشی کامپوزیت الیاف کربن در زمینه اپوکسی استفاده گردید. بدینمنظور رفتار خمشی کامپوزیت و ارتباط آن با سیگنالهای ساطع شده از نمونه تحتبارگذاری بررسی شد. بکارگیری هر دو روش تبدیل فوریه زمان کوتاه و تبدیل موجک در این پژوهش، نتیجه یکسان آنها را در پی داشت. با استفاده از تبدیل فوریه زمان کوتاه، فرکانس بیشینه در این بارگذاری در حدود ۱۴۰ کیلوهرتز تعیین شد که روش تبدیل موجک نیز همین محدوده را تایید کرد. محدوده زمانی رویدادهای رخ داده در نمونه تحت بارگذاری توسط نمودارهای برخط به دست آمده از سیستم آکوستیکی مانیتور گردید و در نهایت مکانیزمهای شکست کامپوزیت با تصاویر میکروسکوپ الکترونیروبشی تایید شد. محدودههای زمانی و روند صعودی نمودارها، صحت سنجی خوبی با نموار خمشی بر جای گذاشت.

کارهای قابل ملاحظه ای انجام شده تا تارها و یا الیاف کوتاه از هیدروکربنهای گازی بدست آید.

این الیاف از ۲۵ سال پیش مورد بهره برداری قرار گرفته است همانطوریکه در صفحه قبل اشاره گردید الیاف کربن را می توان با استفاده از روشهای مختلف و به شکل های  گوناگون تهیه کرد الیاف کربن ارزانتر را می  توان از (Pitch) تجزیه حرارت  بسیاری از مواد آلی تحت شرایط خاص بدست آورد.

این الیاف دارای مقاومت و سختی  کم می باشند و جهت مصارف عمومی  بکار می روند. یا نوعی از الیاف کربن  بنام گرافیت می باشد که بعضی از کارخانه های پلی اکریلونیتریل (PAN) استفاده کرده و تحت شرایط خاص طبق شکل ۱ زیر تهیه می نمایند

با کنترل های مختلف می توان الیاف مختلف با خصوصیات متفاوت بدست آورد با استفاده از PAN چهار نوع الیاف حاصل می شود که عبارتند از: HS، HM، IM، UHM.

الیاف نوع اول یا HS دارای مقاومت فشاری بالا و الیاف نوع دوم یعنی HM دارای مدول الاستیسیته بالا می باشد. بعضی از نمونه های اقتصادی را می توان با کم کردن درجه حرارت در عملیات حرارتی بدست آورد. در نتیجه چنین الیاف می توانند کاربرد خوبی در مواد مرکب داشته باشند.

سه مرحله در روش تهیه الیاف کربن (PAN Base) دیده می شود.

ابتدا رشته های مخصوص PAN از کارخانه های سازنده که الیاف بافندگی  می  سازند توسط تهیه کنندگان الیاف کربن خریداری می شود. سپس برای تبدیلی PAN به الیاف کربن دو یا سه مرحله صورت می گیرد. تعداد مراحل به درجه الیاف تولید شده بستگی دارد.

اکسیداسیون:

در اولین مرحله عمل اکسیداسیون انجام می شود که در آن پلیمر PAN به شکل چرم در می آید و مولکولهای حلقوی به هم پیوسته و پایه کربن الیاف را تشکیل می دهند. مولکول های آکریلونیتریل به شکل

بوده و در PAN یا زنجیره بلند آکریلونیتریل بوسیله گروه های CH به گروه های CN متصل گردیده است. مولکولهای اکسید شده PAN غیر قابل اشتعال بوده و به عنوان آزبست (پنبه نسوز) استفاده می شود.

عمل اکسیداسیون تحت درجه حرارت ۲۵۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی گراد هوا صورت می گیرد.

کربنیزاسیون:

سپس عمل کربنیزاسیون در مجاورت یک گاز بی اثر و تحت درجه حرارت ۱۰۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد عبور داده می شود تا الیاف با گرید IM, VHS, HS (High Strain) بدست آید.

گرافیتاسیون:

برای تولید الیاف با مدول بالاتر با گرید (HM) و UHM حرارت اضافی تحت درجه حرارت ۲۵۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتی گراد (Graphitization) در مجاورت گاز بی اثر انجام می شود.

هر چه درجه حرارت بیشتر شود الیافی بدست می آید که مدول الاستیسیته آن بالاتر است. برای اینکه عمل اتصال ریسمان ها با رزین ها یا ترموپلاستیک های بهتر صورت گیرد سطح رشته ها را عملیات حرارتی می دهند (معمولا بوسیله عمل الکترولیت یا اکسیداسیون).

روش دوم تهیه الیاف کربن

با استفاده از تجزیه حرارتی مواد آلی مثل ذغال سنگ و نفت می شود. در این روش الیافی بدست می آید که ارزان قیمت بوده و از طرفی دارای خواصی مثل مدول الاستیسیته بالا و هدایت الکتریکی خوب می باشد. برای صنایع هواپیمایی که وزن مهم است. مهمترین مقایسه بین استحکام ویژه و مدول الاستیسیته ویژه می باشد.

در جدول ۱ مقایسه خواص بین الیاف کربن تولید شده از طریق PAN Base و Pitch Base نشان داده شده است.

جدول ۱

بنابراین برای سازه های ماهوارهها که مدول مخصوص بالایی مورد نیاز است از پایه Pitch – ۱۰۰ استفاده می شود. در حالیکه برای هواپیما که خواص استحکام و مقاومت کششی تا بریدگی (مقاومت⁄مدول) مطرح است. الیاف با پایه PAN – T 650142 یا T – ۳۰۰ انتخاب می گردد.

الیاف کربنی که از تجزیه حرارتی (Pitch Base) بدست می آیددر ازای ارزش مدول از ۹۰۰GPa تا ۱۵۰GPa بوده و همچنین دارای مقاومت کششی در حدود ۳GPa در یک دانسیته حدود ۱۵∙۲ می باشد.

مقاومت فشاری این الیاف بسیار پائین تر از مقاومت کششی آنهاست. خواص حرارت و الکتریکی این الیاف ممکن است خیلی جالب تر از خواص مکانیک آنها باشد به جز در جاهایی که سختی سازه ای که نیاز به مدول بالا دارد مطرح باشد.

کامپوزیت ها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء تشکیل دهنده بهتر است. ضمن آنکه اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می بخشند.کامپوزیت الیاف کربن/اپوکسی یکی از پرکاربردترین کامپوزیت های زمینه پلیمری میباشد که به دلیل خواص ویژهای از قبیل استحکام بالا نسبت به وزن، سفتی ویژه بالا و مقاومت خوردگی بالا مصرف بالایی در صنایع مختلف از جمله صنایع هوافضا دارد.

علیرغم مزیتهای مذکور، در این مواد امکان وقوع انواع خرابیها وجود دارد. خرابیهای رایج در چندلایه های کامپوزیتی عبارتاند از شکست الیاف، ترک خوردگی ماتریس، جدایش الیاف از ماتریس و جدایش بین لایهای جدایش بین لایهای شایعترین نوع خرابی در چندلایه های کامپوزیتی است که منجر به کاهش استحکام و مدول خمشی کامپوزیت میگردد. این امر به دلیل چقرمگی شکست بین لایهای پایین در چندلایه های کامپوزیتی است.

چون این نوع خرابی در بین لایه های کامپوزیت اتفاق می افتد،اغلب با بازرسی چشمی غیر قابل تشخیص بوده یا تشخیص آن بسیار مشکل است. برای تشخیص جدایش بین لایه ای تاکنون روشهای غیرمخرب مختلفی ارائه شده است. اغلب روشهای تشخیص جدایش بین لایه های، جزء روشهای غیرفعال میباشند، در حالی که اگر برای تشخیص جدایش بین لایهای، از روشهای فعالی همچوننشرآوایی استفاده شود، پایش ۱ بلادرنگ سیستم امکان پذیر بوده و قابلیت اطمینان سیستم افزایش می یابد.

مزیت های الیاف کربن بشرح زیر است:

•  الیاف کربنی دارای چقرمگی با سفتی (Rigidly) بالا بوده و این خصوصیت به دلیل بالا بودن مدول الاستیسته این الیاف می باشد ولی در حالت کشش و فشار شکننده می باشند.
• مقاومت شیمیایی خوبی در برابر درجه حرارت محیطی
• عدم انبساط حرارتی
• هدایت الکتریکی این الیاف بسیار خوب است.
• مقاومت خوب در برابر رطوبت
• دارای دانسیته (وزن مخصوص ρ) پایین

معایب الیاف کربن بشرح زیر است:

• قیمت بالا این نوع الیاف
• در هنگام کار با این الیاف باید مواظب شکنندگی آن بود.
• مقاومت پایین در مقابل ضربه (Impact)
• مقاومت کم در برابر سائیدگی و خراشیدگی (Abrasion)
• نداشتن مقاومت خوب در برابر اکسیژن در ℃۴۰۰
• عدم مقاومت در برابر اسیدهای اکسید کننده در محیط های گرم

الیاف کربنی در برابر حرارت رفتار خوب و جالبی داشته و نمودار ۱ زیر رابطه بین مقاومت کششی این الیاف را وقتی که درجه حرارت افزایش می یابد نشان می دهد. ملاحظه می گردد که با افزایش درجه حرارت تا ۱۸۰۰ درجه مقاومت الیاف کربن افزایش می یابد.

الیاف کربن دارای مقاومت فرسودگی (Fatigue – Strength) بالاییمی باشد. دیاگرام زیر رابطه مقاومت فرسودگی چند نوع الیاف را نشان می دهد.

مشاهده می گردد که با افزایش تعداد سیکل ها، درصد کاهش مقاومت کششی مواد مرکب تقویت شده بوسیله الیاف کربن بسیار ناچیز است. یعنی این الیاف بهتر می توانند نسبت به الیاف شیشه GFRP یا آلومینیوم و استیل ارتعاشات را دفع می نمایند.

خصوصیات بعضی از الیاف کربن

الیاف کربن با مقاومت معمولی

در درجه حرارت  (شعله قرمز) این نوع الیاف بدست می آید این نوع الیاف مقاومت کششی خوبی داشته و کرنش گسیختگی (Elongation to brake) آن حدود  و مدول الاستیسیته پایین می باشد.

الیاف با سفتی بالا (HT)

در درجه حرارت  الیاف HT (سفتی بالا) بوجود می آید. مقاومت کششی این الیاف تقریبا  می باشد. که مقاومت بالایی است در کرنش گسیختگی  مدول آن  که نسبتا پائین است.

الیاف با مدول های بالا (High – Modulate Fibers)

الیاف HM در مرحله گرافیتاسیون تحت درجه حرارت  بدست می آید. کرنش گسیختگی این الیاف خیلی پائین (۶%) مقاموت آن هم کم (در حدود  می باشد. مدول الاستیسیته آن خیلی بالا در حدود  تا  می باشد.

الیاف کربن با مدول هایی فوق العاده بالا الیاف (UHM Ultra Modulus Fibers)

در مرحله گرافیتاسیون و تحت درجه حرارت  بدست می آید. این الیاف در مقاومت کششی پائین مدول خیلی بالایی دارد. کرنش گسیختگی آن کمتر از  می باشد.

قطعاتی که از الیاف کربن UHM ساخته شده اند کاملا سخت بوده و این قطعات در مکانهای مخصوص مورد استفاده قرار می گیرند چونکه کرنش گسیختگی آنها پائین است به همین دلیل در برابر ضربه ضعیف می باشد.

الیاف کربن با مدول متوسط (Intermediate Modulus Fibers)

این الیاف (IM) جدید بوده و هنوز هم در حال آزمایشات تحت بارهای دینامیکی است. این الیاف دارای کرنش گسیختگی بالایی (در حدود ) می باشد. مقاومت کششی آن خیلی بالا (در حدود ) می باشد. این مقاومت در مدول الاستیسیته خوب  بدست می آید.

نگهداری الیاف کربن: الیاف کربنی که در صنعت هوافضا کاربرد دارند باید در مکانهایی نگهداری شوند که هوای آنجا خشک بوده و عاری از نور بوده و درجه حرارت آن معتدل باشد.

ماتریسهایی که با الیاف کربن چسبندگی بهتری دارند: از میان رزین اپوکسی مناسبترین بوده و پلی استر رزین های غیر اشباع و رزین وینیل استر هم می توانند کاربرد داشته باشند.

سوالات متداول