الیاف کربن

پيشگفتار
الياف كربن نسل جديدي از الياف پر استحكام است . اين مواد از پروليز كنترل شده گونه هايي از الياف مناسب تهيه مي شود؛ به صورتي كه بعد از پروليز حداقل 90 درصد كربن باقي بماند. الياف كربن نخستين بار در سال 1879 ميلادي زماني كه توماس اديسون از اين ماده به عنوان رشته پرمقاومت در ايجاد روشنايي الكتريكي استفاده كرد، پاي به عرصه علم وفن آوري گذاشت. با اين حال در آغاز دهه 1960 بودكه توليد موفق تجاري الياف كربن، با اهداف نظامي و به ويژه براي كاربرد در هواپيماي جنگي، آغاز شد. در دهه هاي اخير ،الياف كربن در موارد غيرنظامي بسياري، همچون هواپيماهاي مسافربري و باربري. خودروسازي. ساخت قطعات صنعتي، صنايع پزشكي، صنايع تفريحي-ورزشي وبسياري موارد ديگر كاربردهاي روز افزوني يافته است. الياف كربن دركامپوزيت هاي با زمينه سبك مانند انواع رزين ها به كار ميرود. كامپوزيت هاي الياف كربن در مواردي كه استحكام وسختي بالا و به همراه وزن كم و ويژگي هاي استثنايي مقاومت به خوردگي مدنظر باشند، يگانه گزينه پيش روست. همچنين نگاهي كه مقاومت مكانيكي در دماي بالا، خنثي بودن از لحاظ شيميايي و ويژگي ضربه پذيري بالا نيز انتظار برود، باز هم كامپوزيت هاي كربني بهترين  گزينه هستند. با توجه به اين ويژگي ها ، پهنه گسترده موارد كاربرد اين ماده در گستره هاي گوناگون فن آوري به سادگي قابل تصور است.
ميزان توليد الياف كربن از 1992 تا 1997 رشد200 درصدي در اين فاصله 6ساله داشته كه خود نشانگر اهميت تكنولوژي اين ماده است.
هم اكنون ايالات متحده آمريكا نزديك به 60درصد توليد جهاني الياف كربن را به مصرف مي رساند وا ين در حالي است كه ژاپن تلاش مي‌كند به ميزان مصرفي برابر با50درصد توليدات جهاني اين محصول دست يابد. ژاپن به واسطه شركت صنتي توري، خود بزرگترين توليد كننده اليافت كربن در جهان است. هم چنين عمده ترين توليد كننده الياف كربن با استفاده از پيش زمينه قير، ژاپن است.
پيشگويي براي سال 2013 ميلادي..
سال 2013 است خودرويي جديد به نام 100MPG”BLACKBEAUTY” بدليل اين كه ضمن دارا بودن بالاترين كارايي به ميزان 100 درصد نيز دوستدار محيط زيست شناخته شده طرفداران بسياري زيادي دارد. اين خودرو پس از انقراض نسل خودروهاي فولادي با سازه اي تمام كامپوزيت بر پايه كربن متولد شده است. با استفاده از مواد كربني در ساخت بدنه و سازه هاي اصلي اين خودرو مانند شاسي موتور و سيستم هاي انتقال نيرو، كاهش وزن به دست آمده موجب مصرف اندك سوخت شده است.
اين مواد پيشرفته به همراه اندكي فلزات سبك كه عمدتا در اتصالات به كار مي روند، اقتصاد خودرو را از لحاظ ميزان مصرف ساليانه سوخت با انقلابي عظيم مواجه كرده است. اين مواد سبك در فريم شاسي، موتور كاتاليتيك با بازده بالا، در باتري هاي ليتيمي و موتورهاي الكتريكي، پانل هاي بدنه، مخزن سوخت و مواد پيشرفته نگه دارنده متان كه سوخت اصلي خودروست وخلاصه در تمام المان هاي اصلي كه چنين وسيله نقليه كم مصرف با توانايي هاي بسيار بالا را مي سازد به كار رفته است. پانل هاي بدنه از كامپوزيت هاي كربني به روش SMC با سطوح بسيار صاف وآماده رنگ كاري ساخته شده است. فيبريل هاي كربني در اندازه هاي زير ميكرون با ويژگي هدايت الكتريكي سطح قطعات پانل هاي بدنه را به سادگي داراي ويژگي الكترو استاتيك مي كنند. از سوي ديگر چون كامپوزيت پليمري تقويت شده با الياف كربن از نظر شيميايي خنثي است به تخريب در برابر پرتو فرابنفش حساس نيست در نتيجه پانل هاي بدنه به هيچ نوع عمليات پاياني نياز ندارند. بخش هاي ديگري كه زياد به آن ها توجه نمي شود، مانند در موتور، هوزينگ ها وگيربكس ها تماما از كامپوزيت كربني به روش قالب گيري تزريقي ساخته شده وجايگزين قطعات سنگين ريخته شده فلزي شده اند. مخزن سوخت كامپوزيت كربني ساخته شده به روش پيچش الياف است كه مملو از كربن فعال وفيبريل هاي كربني است كه موجب افزايش قابليت نگهداري گاز مايع در فشارهاي پايين مي شود. موتور كاتاليتيك از كاتاليست هاي پوشش داده شده بر روي كره ها و لوله هاي ريز شياردار كربني كه به كربن توخالي معروف هستند ودر واقع نوعي از الياف كربن سوراخ شده هستند، استفاده مي‌كند. اين واحد مركزي توليد توان الكتريكي كه در واقع قلب سيستم به حساب مي آيد به دليل استفاده زياد از فراورده هاي الياف كربن قادر است كارايي خودرا در دماهاي بسيار بالايي كه الزاما در اثر كاركرد موتور پديد مي آيد به خوبي حفظ كند.اين دليل اصلي بالا بودن غيرمعمول بازده چنين خودرويي است. از سوي ديگر مشكلات مربوط به آن دسته از شكست هاي قطعات كه ناشي از اختلاف در ضرايب انبساط حرارتي در نسل خودروهاي فلزي بود به واسطه استفاده از قطعات كامپوزيتي كربني به طور كامل از بين رفته است. مهندسين مواد بادست كاري در ميزان جهت يافتگي الياف كربن نوع جديدي از الياف راساخته اند كه به طور استثنايي داراي هدايت حرارتي يك بعدي بسيار زيادي بوده و بدين وسيله توانسته اند دستگاههاي سرمازا را با بازده بسيار بالا در موتور اين خودرو به كار برند.
در سيستم باتري يوني ليتيم/ ليتيم از آندهاي كربني وكاتدهاي كامپوزيت كربني استفاده شده است.
سيستم جديد تهويه هوا با استفاده از رادياتورهاي پلاستيكي تقويت شده با الياف كربن، محفظه هاي كربني وفوم هاي كربني عايق، بيشترين شرايط رفاه وآسايش سرنشين را به همراه حذف كامل گازهاي ضدازن فراهم آورده است. سيستم GPS تعبيه شده براي ارتباطات ماهواره اي، تلفن همراه،دستگاه دورنگار و رايانه هاي on-board همگي ضمن رعايت طراحي ارگونوميك از قاب هاي كامپوزيت كربني كه هدايت الكتريكي مناسبي دارند بهره مي برند.
قراردادن المان هاي جهت دار كامپوزيتي بر پايه كربن در جهت اعمال لنگر سيستم تعليق كربني را در اين خودرو به گونه اي ساخته كه موجب حذف بسياري از قطعات سنگين فلزي شده و همين موضوع خود موجب عملكرد بهتر سيستم تعليق شده است. روتورهاي كربني ترمز و لنت ترمزهاي گرافيتي وزن مجموعه سيستم ترمز را در راستاي عملكرد بهتر ترمز كاهش داده است. رينگ هاي تقويت شده با الياف كربن ضمن كاهش وزن موجب سرد كار كردن مجموعه ترمز و در نتيجه بالاتر رفتن ضريب امنيت ترمز مي شود.تايرهاي با فرمالاسيون پيشرفته شامل فيبريل هاي كربن وبلوك هاي كربني جهت دار به همراه اليافت كربن بافته شده به صورت شعاعي ضمن سبكي موجب حذف مقاومت غلطشي تاير و سردماندن آنها در طول حركت مي شود. المان هاي تعليق رينگهاي وتايرهاي ساخته شده از الياف كربن باعث برقراري مطمئن اتصال با زمين و در نتيجه كمينه شدن احتمال آتش سوزي در اثر بارهاي الكترواستاتيك وافزايش امنيت وراحتي سرنشين در هنگام سوار وپياده شدن از خودرو مي شود.
با استفاده روز افزون از الياف كربن در ساخت خودروهاي پيشرفته مصرف ساليانه بنزين به سرعت رو به كاهش گذاشته و نياز به واردات سوخت هاي فسيلي را كه باعث عدم تعادل تجاري مي شود به حداقل مي رساند. در عوض به منظور گسترش واحدهاي توليد مواد كربني جديد با كاربردهاي رو به رشد در ساخت خودروهاي كربني ميليون ها فرصت شغلي در كشور پديدار مي شود.
اليافت كربن را ميتوان براساس مدول الاستيك استحكام و دماي نهايي عمليات حرارتي به گروههاي زير دسته بندي كرد:
دسته بندي براساس ويژگي ها:
    الياف كربن با ضريب كشساني بسيار بالا؛ بيشتر از 450 گيگاپاسكال
    الياف كربن با ضريب كشساني بالا؛ بين 350 تا 450 گيگاپاسكال
    الياف كربن با ضريب كشساني متوسط؛ بين 200 تا 350 گيگاپاسكال
    الياف كربن با استحكام كششي بالا و ضريب كشساني پايين؛ استحكام كششي بيش از 3 گيگا پاسكال و ضريب كشساني كمتر از 100
    الياف كربن با استحكام كششي بسيار بالا؛بالاتر از 5/4 گيگاپاسكال
دسته بندي براساس نوع پيش زمينه:
    الياف كربن با پيش زمينه الياف پلي اكريلونيتريل
    الياف كربن با پيش زمينه قير صنعتي
    الياف كربن با پيش زمينه قير مزوفاز
    الياف كربن با پيش زمينه قير ايزوتروپيك
    الياف كربن با پيش زمينه الياف ريون( ابريشم مصنوعي)
    الياف كربن با پيش زمينه فاز گازي و
دسته بندي براساس دماي نهايي عمليات حرارتي:
    الياف نوع 1، دماي عمليات حرارتي بالا از 2000 درجه سانتي گراد؛توليد كننده الياف HM
    الياف نوع 2، دماي عمليات حرارتي حدود 1500 درجه سانتيگراد؛توليد كننده الياف HS
    الياف نوع 3، دماي عمليات حرارتي كم تر يا حدود 1000 درجه سانتي گراد ؛توليد كننده الياف با ضريب استحكام پايين
ساختن الياف كربن:
در فرهنگ واژگان نساجي آمده است:الياف كربن به اليافي گفته مي شود كه دست كم داراي 90 درصد كربن هستند و از پيروليز كنترل شده اليافي ويژه به دست مي آيند. اصطلاح الياف گرافيتي در مورد اليافي به كار ميرودكه كربن آنها بيش از 99 درصد باشد. انواع گوناگوني از الياف به عنوان پيش زمينه توليد الياف كربن وجود دارد كه داراي ويژگي هاي انحصاري و مورفولوژي ويژه هستند. پرمصرف ترين الياف پيش زمينه عبارتند از: الياف پلي اكريلونيتريل (PAN)الياف سلولزي( مانند ريون ويسكوز و پنبه) قير حاصل از قطران ذغال سنگ (Coal tar pitch) و نوع ويژه اي از الياف فنليك
الياف كربن از طريق پيروليز پيش زمينه هالي آلي كه به شكل الياف هستند ساخته مي شود. در واقع انجام عمليات حرارتي حذف عناصري مانند اكسيژن ، نيتروژن ، هيدروژن وباقي ماندن كربن به شكل الياف مي شود. در پژوهش هايي كه بر روي الياف كربن انجام شده مشخص گرديده كه ويژگي هاي مكانيكي الياف كربن با افزايش درجه تبلور وميزان جهت گيري الياف پيش زمينه وكاهش نواقص موجود در آنها بهبود مي يابد. بهترين راه براي دست يابي به الياف كربن با ويژگي هاي مناسب استفاده از الياف پيش زمينه با بيشترين  مقدار جهت گيري و حفظ آن در طي فرايندهاي پايدارسازي وكربنيزاسيون از طريق اعمال كشش در طول فراينداست.