الیاف کربنی

[RM10]

الياف كربني carbon_fiberدرفرهنگ واژگان نساجي آمده است : الياف کربن به اليافي گفته مي شود که دست کم داراي 90 درصد کربن هستند و از پيروليز کنترل شده اليافي ويژه به دست مي آيند . اصطلاح الياف گرافيتي درمورد اليافي به کار مي رود که کربن آنها بيش از 99 درصد باشد . انواع گوناگوني از الياف به عنوان پيش زمينه توليد الياف کربن وجود دارد که داراي ويژگي هاي انحصاري و مورفولوژي ويژه هستند . پرمصرف ترين الياف پيش زمينه عبارتند از : الياف پلي اکريلونيتريل ( PAN ) ، الياف سلولزي ( مانند ريون ويسکوز و پنبه ) ، قير حاصل از قطران ذغال سنگ ( Coal tar pitch ) و نوع ويژه اي از الياف فنليک . الياف کربن از طريق پيروليز پيش زمينه هاي آلي که به شکل الياف هستند ، ساخته مي شود . در واقع انجام عمليات حرارتي موجب حذف عناصري مانند اکسيژن ، نيتروژن و هيدروژن و باقي ماندن کربن به شکل الياف مي شود . در پژوهش هايي که برروي الياف کربن انجام شده ، مشخص گرديده که ويژگي هاي مکانيکي الياف کربن با افزايش درجه تبلور و ميزان جهت گيري الياف پيش زمينه و کاهش نواقص موجود در آنها ، بهبود مي يابد . بهترين راه براي دست يابي به الياف کربن با ويژگي هاي مناسب ، استفاده از الياف پيش زمينه با بيشترين مقدار جهت گيري و حفظ آن در طي فرآيندهاي پايدار سازي و کربنيزاسيون از طريق اعمال کشش در طول فرآيند است .توليد الياف کربن از پيش زمينه پلي اکريلونيتريلبراي توليد الياف کربن با کيفيت بالا از پيش زمينه PAN و سه مرحله اساسي وجود دارد : 1- مرحله پايدار سازي اکسيدي : در اين مرحله الياف PAN هم زمان با اعمال کشش مورد عمليات حرارتي اکسيدي در محدوده دمايي 200 تا 300 درجه سانتي گراد قرار مي گيرد . اين عمليات ، PAN گرما نرم را به ترکيبي با ساختار نردباني يا حلقه اي تبديل مي کند . 2- مرحله کربنيزاسيون : بعد از اکسيداسيون ، الياف بدون اعمال کشش در پيرامون دماي 1000 درجه سانتي گراد در محيط خنثي ( معمولا ً نيتروژن ) براي مدت چند ساعت ، مورد عمليات حرارتي کربنيزاسيون قرار مي گيرند . درطي اين فرآيند ، عناصر غيرکربني آزاد مي شود و الياف کربن با بالانس جرمي 50 درصد به نسبت الياف PAN نخستين ، به دست مي آيد .3- مرحله گرافيتاسيون : بسته به نوع الياف کربن مورد نظر ، از لحاظ ضريب کشساني ، و اعمال اين مرحله در محدوده دمايي مابين 1500 تا 3000 درجه سانتيگراد ، موجب بهبود درجه جهت گيري کريستاليت هاي کربني درجهت محور الياف و بنابراين مايه ي بهبود ويژگي ها مي شود . توليد الياف کربن از ديگر پيش زمينه ها نيز کمابيش داراي مراحل اصلي است که در مورد توليد از پيش زمينه PAN آورده شد . الياف كربنيساختار الياف کربن مشخصه هاي ساختاري الياف کربن بيشتر با دستگاههاي ميکروسکپ الکتروني و پراش پرتوي ايکس قابل بررسي است . برخلاف گرافيت ، ساختار کربن بدون هرگونه نظم سه بعدي است . در الياف کربن برپايه PAN ، ساختار الياف در طي عمليات پايدار سازي اکسيدي و متعاقب آن کربنيزاسيون ، از ساختار زنجيره اي خطي به ساختار صفحه اي تغيير مي کند . به اين ترتيب صفحات اصلي در پايان مرحله کربنيزاسيون در جهت محور طولي الياف قرار مي گيرند . بررسي هاي اشعه X با زاويه تفرق باز ( Wide angle X-ray ) نشان مي دهد که با افزايش دماي عمليات کربنيزاسيون ، ارتفاع انباشتگي و مقدار جهت گيري صفحات اصلي ، افزايش مي يابد . قطر منوفيلامنت هاي PAN تأثيرعمده اي بر نفوذ عمليات کربنيزاسيون در الياف کربن توليدي دارد ، به همين دليل تغيير در ساختار کريستالوگرافي پوسته و هسته هر منوفيلامنت در اليافي که کاملا ً پايدار شده اند ، به وضوح قابل مشاهده است . پوسته از جهت گيري مرجح طولي بالا به همراه انباشتگي زياد کريستاليت ها برخوردار است درحالي که هسته ، جهت گيري کم تر صفحات اصلي و حجم کم تر کريستاليت ها را نشان مي دهد . عموما ً ديده شده که هرچه استحکام کششي الياف پيش زمينه بيشتر باشد ، ويژگي هاي کششي الياف کربن به دست آمده نيز بيشتر مي شود . چنان چه مرحله پايدار سازي به صورتي مناسب انجام گيرد ، در آن صورت استحکام کششي و ضريب کشساني با کربنيزاسيون تحت کشش ، به مقدار بسيار زيادي در محصول کربني نهايي بالا مي رود . بررسي هاي انجام شده با دستگاههاي پراش پرتوي ايکس و پراش الکتروني نشان داده است که در الياف کربن با ضريب کشساني بالا ، کريستاليت ها پيرامون محور طولي الياف قرار گرفته اند . اين درحالي است که صفحات لايه اي با بيشترين جهت يافتگي به موازات محور الياف استقرار يافته اند . به طور کلي استحکام الياف کربن به نوع پيش زمينه ، شرايط فرآيند ، دماي عمليات حرارتي و وجود نواقص ساختاري در الياف ، ارتباط دارد . در الياف کربن با پيش زمينه PAN و افزايش دما تا 1300 درجه سانتي گراد مايه ي افزايش استحکام مي شود ولي پس از 1300 درجه ، استحکام به آرامي کم مي شود . اين موضوع در مورد ضريب کشساني نيز صادق است . الياف کربن بسيار ترد هستند . لايه ها در الياف با اتصالات ضعيف و اندروالسي به هم ديگر متصل شده اند . تجمع فلس مانند لايه ها موجب مي شود تا رشد ترک در جهت عمود برمحور الياف به آساني صورت بگيرد . در خمش ، الياف در کرنش هاي بسيار پايين مي شکنند . با تمام اين معايب ، الياف کربن از نقطه نظر مجموع ويژگي هاي شيميايي ، فيزيکي و مکانيکي منحصر به فردي که دارد ، در بسياري از عرصه هاي مهندسي و علوم در دو دهه اخير تقريبا ً بدون رقيب مانده است . کاربردهاي الياف کربنالياف کربن در موارد صنعتي گوناگوني به کارمي رود که در اين جا نمونه هايي از آن ارايه شده است : صنعت حمل و نقلکاربردهاي صنعت حمل و نقل بدين گونه اند : مخازن گاز مايع خودروها ، قطعات موتور ، کمک فنر ، شفت هاي انتقال نيرو ، ملحقات چرخ و جعبه فرمان ، لنت هاي ترمز ، بدنه ماشين هاي مسابقه ، بدنه کشتي ها و فنرهاي لول . صنايع ساختماني و معماريمواد ساختاري پل ها ، ساز و کار پل هاي جمع شونده ، تقويت کننده بتن هاي پرمقاومت ، سازه هاي باربر ، ديوارهاي جداکننده ، سازه هاي پيش تنيده براي کمک به سازه هاي بتني حمل بار ، استفاده در تعمير ساختمانهاي در حال تخريب ، استفاده در جداره داخلي تونل ها براي جلوگيري از ريزش تونل و استفاده در رمپ ها براي جلوگيري از ريزش خاک را مي توان از کاربردهاي ساختماني اين الياف دانست . صنايع هواپيما سازي و هوافضا سازه هاي داخلي کابين مسافرين اعم از پانل هاي جداره صندلي ها و ميزها ، پوشش ها ، اجزاي سازه اي ماهواره ها ، لبه بال هواپيماهاي جنگنده ، نوک هواپيماهاي مافوق صوت ، نازل موشک هاي دوربرد و قطعات حساس موتور هواپيماها نيز مي توانند داراي الياف کربن باشند . صنايع پزشکي الياف کربن در ساخت استخوان مصنوعي ، اجزاي تجهيزات پرتوي ايکس ، صندلي هاي چرخدار ، انواع اجزاي مصنوعي بدن براي معلولين و دريچه قلب به کار مي روند . بخش انرژي از جمله کاربردهاي الياف کربن در بخش انرژي ، مي توان بدين موارد اشاره کرد : باتريهاي سوختي ، پره هاي توربين و پره هاي آسياب هاي بادي براي توليد برق از انرژي باد .صنايع الکترونيک ، تجهيزات الکتريکي و ماشين سازياين کاربردها عبارتند از : قاب رايانه هاي همراه ، اجزاي رايانه ها ، بازوي ربات هاي صنعتي ، چرخ دنده ها ، غلتک ها ، چرخدنده هاي پرسرعت ، قطعات خود روغنکاري شونده ، آنتن ها ، مواد عايق الکتريکي ، مخازن تحت فشار ، غلتک چاپ گرها و قاب تلفن هاي همراه . روح اله مغاری

[abdoos]

مر 30 از مطلب خوبتون مهندس