الیاف کربن؛ از صنعت تا روزمرگی‌های زندگی

الیاف کربن یا فیبرکربن یکی از پرکاربردترین الیاف صنعت است که در تولید انواع کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود. این الیاف ضریب الاستیک نسبتا بالایی در مقایسه با الیاف شیشه و کولار دارند. ضریب انبساط گرمایی این نوع الیاف‌ها در دماهای متفاوت کم است که این مسئله باعث پایداری طولی و اندازه الیاف کربن در دماهای مختلف می‌شود. فیبر کربن در زمینه‌های متعددی مانند مقاوم سازی ساختمان‌ها، صنایع دفاعی، خودرو سازی، و بسیاری از صنایع مهم دیگر کاربرد دارد.

الیاف کربن

الیاف کربن رشته الیاف است و با حرارت دادن مواد عالی که عمده قسمت آن را کربن تشکیل می‌دهد، در محیط گازهای بی‌اثر به دست می‌آید. الیاف کربن، به الیافی گفته می‌شود که دست کم دارای 90 درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می‌آیند. این الیاف مشکی رنگ، غیر حلال در آب و بدون بو هستند و مقاومت بسیار بالایی در برابر مواد خورنده مثل اسیدها، بازها و مواد عالی دارند.

الیاف کربن از فیبرهایی با قطری حدود ۵ تا ۱۰ میکرومتر تشکیل شده‌اند. نخ الیاف کربن با چگالی خطی (وزن در طول واحد؛ /یعنی ۱ گرم در ۱۰۰۰ متر = ۱) یا بر پایه تعداد رشته‌ها در هر نخ، است. بنابراین چگالی این الیاف می‌تواند حدود 8/1 تا g/m³۲ باشد و به‌ طور متوسط حدود g/m³ 9/1 درنظر گرفته می­‌شود. علی‌رغم حجم بالای استفاده از آن‌ها، قیمت الیاف کربن هنوز نسبتا بالا است و این مسئله باعث محدودیت فروش آن می­‌شود.

الیاف کربن اولین بار توسط توماس ادیسون در دهه ۱۸۸۰ ثبت اختراع شد و از آن به‌ عنوان تار درون لامپ برق استفاده کرد. استفاده از کربن تا سال ۱۹۰۷، زمانی که تارهای تنگستن عرضه شد، ادامه یافت و وقتی کارایی این تار در تبدیل الکتریسیته به نور اثبات شد، به تدریج جای تار کربنی را گرفت و تا به امروز ادامه یافت. تولید تجاری الیاف کربن امروزی نیز در کشور ژاپن از سال ۱۹۷۰ آغاز شد. بعد از سال ۱۹۸۰ تولید تجاری این الیاف در حجم انبوه در آمریکا و کشورهای اروپایی باعث کاهش قیمت الیاف کربن و افزایش فروش آن شد.

خواص الیاف کربن

ضریب انبساط گرمایی این نوع الیاف‌ها در دماهای متفاوت کم است، این مسئله باعث پایداری طولی و اندازه الیاف کربن در دماهای مختلف می‌شود. فیبر و الیاف کربن در مدول‌های الاستیسیته و مقاومت‌های کششی مختلف و با بافت‌های مختلف شامل الیاف کربن تک جهته و الیاف دو جهته کربن برای تولید مصالح کامپوزیتی صنایع مختلف و مقاوم‌سازی انواع سازه‌های بتنی عرضه می‌شوند. با توجه به نیاز صنایع مختلف کشورمان، الیاف کربن در طیف گسترده‌ای از انواع فیبر از K۳ تا K۵۰ و با وزن‌های مختلف و عرض‌تمیزکاری‌های مختلف ارائه می‌شوند.

در بین مزایای مختلف الیاف کربن، برجسته‌ترین آن‌ها مقاومت کششی فوق العاده نسبت به وزن آن است (کربن تقریبا یک سوم فولاد وزن و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت دارد). علاوه بر آن الیاف و فیبر کربن مقاومت خوبی در برابر خستگی دارند. دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعه x از بارزترین خصوصیات فیبر کربن به شمار می‌رود. همچنین فیبر کربن رسانایی الکتریکی بسیار خوبی دارد و قابلیت بافت و تولید پارچه، ساخت کامپوزیت‌های سبک و مستحکم CFRP (یکی از پرکاربرد ترین الیاف در صنعت مقاوم سازی و کامپوزیت است) و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می‌سازد (مقاومت کششی الیاف کربن CFRP حدودا 5000 مگاپاسکال است). رشته الیاف کربن که از فیبر کربن تشکیل می‌شود، به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری هستند. قیمت بالای الیاف کربن با توجه به عمر مفید بالای آن‌ها و تامین مقاومت بالا برای اعضای سازه در طول زمان به صرفه و اقتصادی است.

کاربرد الیاف کربن

یکی از روش‌ها برای مقاوم سازی و تعمیر ساختمان‌ها و سازه‌های بتنی استفاده از مواد پلیمری است. به گونه‌ای که استفاده از انواع کامپوزیت‌ها از اواسط سال ۱۹۸۰ توجه مهندسین را به خود جلب کرده است. این سیستم در سازه‌های چوبی، فولادی و بنایی کاربرد دارد. سیستم CFRP که از انواع کامپوزیت پر استفاده در صنعت ساختمان سازی است که در آن رشته‌ی الیافی از جنس کربن وجود دارد. این سیستم یک جایگزین مناسب برای روش‌های تقویت سازه‌ها در قدیم مانند ژاکت فولادی و پوشش های بتنی است به صورتی که علاوه بر مقاوم سازی سازه باعث مقاومت سازه در برابر خورندگی و کاهش وزن سازه می‌شود.

با توزیع الیاف کربن کوتاه در دیگر مواد می‌­توان الکتریسته ساکن تولید شده در رایانه­‌های لپ­‌تاپ، چاپ­گرها و دیگر وسایل مشابه را پخش کرد. انتظار می­‌رود با افرودن الیاف کربن کوتاه و آسیاب شده به مواد گرماسخت، نیاز به آغازگرهای رسانا پیش از رنگ‌­آمیزی قطعه از بین برود. الیاف کربن با افزایش جاذبه بین رنگ الکترواستاتیک و قطعه باعث افزایش دقت در رنگ‌آمیزی پاششی می­‌شوند و در نتیجه هزینه و آلودگی کم می‌شود.

در صنعت کاغذ، غلتک­‌های سریعی که سبکی وزن، چقرمگی و عمر بالا را با هم داشته باشند، کلید بهبود تولید و افزایش کیفیت هستند. بسیاری از تولیدکنندگان کاغذ و چاپخانه­‌ها در ایالات متحده و اروپا هم اکنون از نسل جدیدی از غلتک‌­ها و میله­‌هایی استفاده می‌کنند که از الیاف کربن ساخته شده‌اند. هم­چنین در ساخت غلتک­‌های مورد استفاده در فرایند پیچش الیاف (یکی از روش‌­های شکل­‌دهی کامپوزیت­‌ها) از این فناروی استفاده می­‌شود.

امروزه پلاستیک‌­ها و کامپوزیت­‌ها نسبت به دیگر مواد به جز فولاد بیش‌‍ترین سهم را در وزن خودرو دارند. در خودروهای امروزی پلیمرهای گرمانرم­ عموماً در کابردهای غیرسازه­ای استفاده شده و به جای الیاف کربن، الیاف شیشه به کار گرفته می­‌شود. زولتک با شرکت‌­های سازنده خودرو همکاری می­‌کند، تا فرایندهای ساخت موجود را با الیاف کربن سازگار کند. با توجه به این که الیاف کربن در واحد حجم قوی­تر و سفت­ تر از الیاف شیشه هستند، یک خودروی تمام‌ کامپوزیتی بیش از 60 درصد کاهش وزن خواهد داشت. کاربرد الیاف کربن در اتوبوس­‌‌ها، کامیون‌­ها و دیگر وسایل نقلیه رو به افزایش است. کارایی نسل جدید هواپیما (نظامی یا تجاری) با استفاده از الیاف کربن افزایش یافته و کاربرد الیاف کربن در این زمینه روز به روز بیشتر می‌­شود.

در دهه گذشته ظرفیت تولید الکتریسته از توربین­‌های بادی به سرعت افزایش یافته است. هم اکنون اگر توربین‌­های بادی در جای مناسبی قرار داده شوند بهای الکتریسته تولید شده حدود 5 سنت بر کیلو وات ساعت است. ولی برای همه­ گیرشدن این روش، بهای آن  باید کاهش یابد تا الکتریسیته تولید شده توانایی رقابت با دیگر روش­‌ها را داشته باشد. یعنی توربین­‌های بادی جدید باید بزرگتر و کارآمدتر از توربین­‌های امروزی (که طول بیشینه‌­ی پره­‌های آن‌ها 30 متر است) باشند. امروزه پره‌­های توربینی به طول 55 متر طراحی شده است. این امر مستلزم استفاده از الیاف کربن به جای الیاف شیشه است تا استحکام و سفتی مورد نیاز را تامین کند. هم چنین انتظار می­رود الیاف کربن در مخازن گاز طبیعی فشرده و پیل‌­های سوختی نقش مهمی داشته باشند و کاهش وزن، کلید عملی شدن این فناوری­‌ها است.

یکی دیگر از بازارهایی که الیاف کربن در آن کاربرد گسترده­ای دارد، صنایع دریایی است. این کابردها عبارتند از ساخت دکل­‌ها، بادبان­‌های عرشه و بدنه‌ی قایق‌­های بادبانی، پارویی و موتوری تندرو. در زمینه پزشکی هم، علاقه­‌ی شدیدی به استفاده از کامپوزیت­‌ها برای ساخت پروتزهای سبک و مستحکم وجود دارد.

برگرفته از کتاب جامع از نفت تا گرفت؛ مسئله الکترود گرافیتی

منابع:

• https://fa.wikipedia.org/wiki
• https://www.afzir.com/strengthening-with-frp/cfrp-fiber-and-wrap/
• https://vista.ir/article
• https://www.technopol.ir/knowledge/articles