دانلود مقاله الیاف کربن

پیشگفتار

الیاف کربن نسل جدیدی از الیاف پر استحکام است . این مواد از پرولیز کنترل شده گونه هایی از الیاف مناسب تهیه می شود؛ به صورتی که بعد از پرولیز حداقل 90 درصد کربن باقی بماند. الیاف کربن نخستین بار در سال 1879 میلادی زمانی که توماس ادیسون از این ماده به عنوان رشته پرمقاومت در ایجاد روشنایی الکتریکی استفاده کرد، پای به عرصه علم وفن آوری گذاشت. با این حال در آغاز دهه 1960 بودکه تولید موفق تجاری الیاف کربن، با اهداف نظامی و به ویژه برای کاربرد در هواپیمای جنگی، آغاز شد. در دهه های اخیر ،الیاف کربن در موارد غیرنظامی بسیاری، همچون هواپیماهای مسافربری و باربری. خودروسازی. ساخت قطعات صنعتی، صنایع پزشکی، صنایع تفریحی-ورزشی وبسیاری موارد دیگر کاربردهای روز افزونی یافته است. الیاف کربن درکامپوزیت های با زمینه سبک مانند انواع رزین ها به کار میرود. کامپوزیت های الیاف کربن در مواردی که استحکام وسختی بالا و به همراه وزن کم و ویژگی های استثنایی مقاومت به خوردگی مدنظر باشند، یگانه گزینه پیش روست. همچنین نگاهی که مقاومت مکانیکی در دمای بالا، خنثی بودن از لحاظ شیمیایی و ویژگی ضربه پذیری بالا نیز انتظار برود، باز هم کامپوزیت های کربنی بهترین  گزینه هستند. با توجه به این ویژگی ها ، پهنه گسترده موارد کاربرد این ماده در گستره های گوناگون فن آوری به سادگی قابل تصور است.

میزان تولید الیاف کربن از 1992 تا 1997 رشد200 درصدی در این فاصله 6ساله داشته که خود نشانگر اهمیت تکنولوژی این ماده است.

هم اکنون ایالات متحده آمریکا نزدیک به 60درصد تولید جهانی الیاف کربن را به مصرف می رساند وا ین در حالی است که ژاپن تلاش می‌کند به میزان مصرفی برابر با50درصد تولیدات جهانی این محصول دست یابد. ژاپن به واسطه شرکت صنتی توری، خود بزرگترین تولید کننده الیافت کربن در جهان است. هم چنین عمده ترین تولید کننده الیاف کربن با استفاده از پیش زمینه قیر، ژاپن است.

پیشگویی برای سال 2013 میلادی..

سال 2013 است خودرویی جدید به نام 100MPG”BLACKBEAUTY” بدلیل این که ضمن دارا بودن بالاترین کارایی به میزان 100 درصد نیز دوستدار محیط زیست شناخته شده طرفداران بسیاری زیادی دارد. این خودرو پس از انقراض نسل خودروهای فولادی با سازه ای تمام کامپوزیت بر پایه کربن متولد شده است. با استفاده از مواد کربنی در ساخت بدنه و سازه های اصلی این خودرو مانند شاسی موتور و سیستم های انتقال نیرو، کاهش وزن به دست آمده موجب مصرف اندک سوخت شده است.

این مواد پیشرفته به همراه اندکی فلزات سبک که عمدتا در اتصالات به کار می روند، اقتصاد خودرو را از لحاظ میزان مصرف سالیانه سوخت با انقلابی عظیم مواجه کرده است. این مواد سبک در فریم شاسی، موتور کاتالیتیک با بازده بالا، در باتری های لیتیمی و موتورهای الکتریکی، پانل های بدنه، مخزن سوخت و مواد پیشرفته نگه دارنده متان که سوخت اصلی خودروست وخلاصه در تمام المان های اصلی که چنین وسیله نقلیه کم مصرف با توانایی های بسیار بالا را می سازد به کار رفته است. پانل های بدنه از کامپوزیت های کربنی به روش SMC با سطوح بسیار صاف وآماده رنگ کاری ساخته شده است. فیبریل های کربنی در اندازه های زیر میکرون با ویژگی هدایت الکتریکی سطح قطعات پانل های بدنه را به سادگی دارای ویژگی الکترو استاتیک می کنند. از سوی دیگر چون کامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف کربن از نظر شیمیایی خنثی است به تخریب در برابر پرتو فرابنفش حساس نیست در نتیجه پانل های بدنه به هیچ نوع عملیات پایانی نیاز ندارند. بخش های دیگری که زیاد به آن ها توجه نمی شود، مانند در موتور، هوزینگ ها وگیربکس ها تماما از کامپوزیت کربنی به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده وجایگزین قطعات سنگین ریخته شده فلزی شده اند. مخزن سوخت کامپوزیت کربنی ساخته شده به روش پیچش الیاف است که مملو از کربن فعال وفیبریل های کربنی است که موجب افزایش قابلیت نگهداری گاز مایع در فشارهای پایین می شود. موتور کاتالیتیک از کاتالیست های پوشش داده شده بر روی کره ها و لوله های ریز شیاردار کربنی که به کربن توخالی معروف هستند ودر واقع نوعی از الیاف کربن سوراخ شده هستند، استفاده می‌کند. این واحد مرکزی تولید توان الکتریکی که در واقع قلب سیستم به حساب می آید به دلیل استفاده زیاد از فراورده های الیاف کربن قادر است کارایی خودرا در دماهای بسیار بالایی که الزاما در اثر کارکرد موتور پدید می آید به خوبی حفظ کند.این دلیل اصلی بالا بودن غیرمعمول بازده چنین خودرویی است. از سوی دیگر مشکلات مربوط به آن دسته از شکست های قطعات که ناشی از اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی در نسل خودروهای فلزی بود به واسطه استفاده از قطعات کامپوزیتی کربنی به طور کامل از بین رفته است. مهندسین مواد بادست کاری در میزان جهت یافتگی الیاف کربن نوع جدیدی از الیاف راساخته اند که به طور استثنایی دارای هدایت حرارتی یک بعدی بسیار زیادی بوده و بدین وسیله توانسته اند دستگاههای سرمازا را با بازده بسیار بالا در موتور این خودرو به کار برند.

در سیستم باتری یونی لیتیم/ لیتیم از آندهای کربنی وکاتدهای کامپوزیت کربنی استفاده شده است.

سیستم جدید تهویه هوا با استفاده از رادیاتورهای پلاستیکی تقویت شده با الیاف کربن، محفظه های کربنی وفوم های کربنی عایق، بیشترین شرایط رفاه وآسایش سرنشین را به همراه حذف کامل گازهای ضدازن فراهم آورده است. سیستم GPS تعبیه شده برای ارتباطات ماهواره ای، تلفن همراه،دستگاه دورنگار و رایانه های on-board همگی ضمن رعایت طراحی ارگونومیک از قاب های کامپوزیت کربنی که هدایت الکتریکی مناسبی دارند بهره می برند.

قراردادن المان های جهت دار کامپوزیتی بر پایه کربن در جهت اعمال لنگر سیستم تعلیق کربنی را در این خودرو به گونه ای ساخته که موجب حذف بسیاری از قطعات سنگین فلزی شده و همین موضوع خود موجب عملکرد بهتر سیستم تعلیق شده است. روتورهای کربنی ترمز و لنت ترمزهای گرافیتی وزن مجموعه سیستم ترمز را در راستای عملکرد بهتر ترمز کاهش داده است. رینگ های تقویت شده با الیاف کربن ضمن کاهش وزن موجب سرد کار کردن مجموعه ترمز و در نتیجه بالاتر رفتن ضریب امنیت ترمز می شود.تایرهای با فرمالاسیون پیشرفته شامل فیبریل های کربن وبلوک های کربنی جهت دار به همراه الیافت کربن بافته شده به صورت شعاعی ضمن سبکی موجب حذف مقاومت غلطشی تایر و سردماندن آنها در طول حرکت می شود. المان های تعلیق رینگهای وتایرهای ساخته شده از الیاف کربن باعث برقراری مطمئن اتصال با زمین و در نتیجه کمینه شدن احتمال آتش سوزی در اثر بارهای الکترواستاتیک وافزایش امنیت وراحتی سرنشین در هنگام سوار وپیاده شدن از خودرو می شود.

با استفاده روز افزون از الیاف کربن در ساخت خودروهای پیشرفته مصرف سالیانه بنزین به سرعت رو به کاهش گذاشته و نیاز به واردات سوخت های فسیلی را که باعث عدم تعادل تجاری می شود به حداقل می رساند. در عوض به منظور گسترش واحدهای تولید مواد کربنی جدید با کاربردهای رو به رشد در ساخت خودروهای کربنی میلیون ها فرصت شغلی در کشور پدیدار می شود.

الیافت کربن را میتوان براساس مدول الاستیک استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی به گروههای زیر دسته بندی کرد:

دسته بندی براساس ویژگی ها:

الیاف کربن با ضریب کشسانی بسیار بالا؛ بیشتر از 450 گیگاپاسکال

الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا؛ بین 350 تا 450 گیگاپاسکال

الیاف کربن با ضریب کشسانی متوسط؛ بین 200 تا 350 گیگاپاسکال

الیاف کربن با استحکام کششی بالا و ضریب کشسانی پایین؛ استحکام کششی بیش از 3 گیگا پاسکال و ضریب کشسانی کمتر از 100

الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا؛بالاتر از 5/4 گیگاپاسکال

دسته بندی براساس نوع پیش زمینه:

الیاف کربن با پیش زمینه الیاف پلی اکریلونیتریل

الیاف کربن با پیش زمینه قیر صنعتی

الیاف کربن با پیش زمینه قیر مزوفاز

الیاف کربن با پیش زمینه قیر ایزوتروپیک

الیاف کربن با پیش زمینه الیاف ریون( ابریشم مصنوعی)

الیاف کربن با پیش زمینه فاز گازی و

دسته بندی براساس دمای نهایی عملیات حرارتی:

الیاف نوع 1، دمای عملیات حرارتی بالا از 2000 درجه سانتی گراد؛تولید کننده الیاف HM

الیاف نوع 2، دمای عملیات حرارتی حدود 1500 درجه سانتیگراد؛تولید کننده الیاف HS

الیاف نوع 3، دمای عملیات حرارتی کم تر یا حدود 1000 درجه سانتی گراد ؛تولید کننده الیاف با ضریب استحکام پایین

ساختن الیاف کربن:

در فرهنگ واژگان نساجی آمده است:الیاف کربن به الیافی گفته می شود که دست کم دارای 90 درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند. اصطلاح الیاف گرافیتی در مورد الیافی به کار میرودکه کربن آنها بیش از 99 درصد باشد. انواع گوناگونی از الیاف به عنوان پیش زمینه تولید الیاف کربن وجود دارد که دارای ویژگی های انحصاری و مورفولوژی ویژه هستند. پرمصرف ترین الیاف پیش زمینه عبارتند از: الیاف پلی اکریلونیتریل (PAN)الیاف سلولزی( مانند ریون ویسکوز و پنبه) قیر حاصل از قطران ذغال سنگ (Coal tar pitch) و نوع ویژه ای از الیاف فنلیک

الیاف کربن از طریق پیرولیز پیش زمینه هالی آلی که به شکل الیاف هستند ساخته می شود. در واقع انجام عملیات حرارتی حذف عناصری مانند اکسیژن ، نیتروژن ، هیدروژن وباقی ماندن کربن به شکل الیاف می شود. در پژوهش هایی که بر روی الیاف کربن انجام شده مشخص گردیده که ویژگی های مکانیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور ومیزان جهت گیری الیاف پیش زمینه وکاهش نواقص موجود در آنها بهبود می یابد. بهترین راه برای دست یابی به الیاف کربن با ویژگی های مناسب استفاده از الیاف پیش زمینه با بیشترین  مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرایندهای پایدارسازی وکربنیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فراینداست.

تولید الیاف کربن از پیش زمینه پلی اکریلونیتریل:

برای تولید الیاف کربن با کیفیت بالا از پیش زمینه PAN و سه مرحله اساسی وجود دارد:

1-مرحله پایدار سازی اکسیدی:

در این مرحله الیاف PAN هم زمان با اعمال کششی مورد عملیات حرارتی اکسیدی در محدوده دمایی 200 تا 300 درجه سانتی گراد قرار میگیرد . این عملیات PAN گرما نرم را به ترکیبی باساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می‌کند.

2- مرحله کربنیزاسیون:

بعداز اکسیداسیون الیاف بدون اعمال کشش درپیرامون دمای 1000درجه سانتی گراد در محیط خنثی (معمولا نیتروژن) برای مدت چند ساعت مورد عملیات حرارتی کربنیزاسیون قرار می گیرد. در طی این فرایند عناصر غیرکربنی آزاد میشود والیاف کربن با بالانس جرمی 50درصد به نسبت الیاف PAN نخستین به دست می آید.