الیاف کربنی چگونه ساخته می شوند؟
الیاف کربنی که با نام الیاف گرافیتی نیز شناخته می شوند از رشته های بسیار نازکی از مواد کربنی تشکیل شدهاند و این الیاف از استحکام کششی بالایی برخوردار بوده و با توجه به اندازه خود بسیار قوی می باشند. حداقل یکی از شکل های الیاف کربنی که لوله های نانو کربن میباشد به عنوان قویترین و محکمترین مواد موجود شناخته می شود. الیاف کربنی در حوزه ساخت و ساز، مهندسی هوافضا، خودروها و تجهیزات ورزشی و وسایل موسیقی به کار برده می شوند. در حوزه انرژی نیز مواد نام برده شده برای ساخت پره های آسیاب بادی، مخازن گاز طبیعی و تولید سلول های سوختی برای حمل و نقل کاربرد دارند. در حوزه هواپیمایی نیز این مواد در تولید هواپیماهای ارتشی و تجاری و همچنین وسایل هوایی بدون سرنشین نقش دارند. الیاف کربنی همانطور که از نام آنها نیز مشخص است به الیافی گفته میشود که از کربن ساخته میشوند. الیاف کربنی در حوزه تجاری انواعی از مواد هستند که از رشتههای بسیار نازکی از اتم های کربن تشکیل شده اند و زمانی که به رزین های پلیمری پلاستیکی توسط گرما، فشار و یا در حالت خلا وصل میشوند نوعی ماده ترکیبی تولید میشود که بسیار قوی و سبک وزن می باشد. استحکام الیاف کربنی نیز همانند صندلیهای حصیری و یا پوشاک در حالت بافته شده مشخص میشود و هر چقدر این بافت با پیچیدگی بیشتری صورت گرفته باشد، ترکیب یاد شده نیز بیشتر خواهد داشت. صفحه سیم هایی را در نظر بگیرید که با صفحه دیگر با زاویه مشخص پیوند خورده است و این مورد در خصوص سایر صفحات با زاویهای دیگر نیز صدق می کند. تصور کنید که هر صفحه از الیاف کربنی ساخته شده است و تمامی صفحات در داخل پلاستیک مایع غوطه ور میشوند و پس از آن فشرده شده و حرارت داده میشوند تا زمانی که ماده کاملاً حالت ترکیبی پیدا کند. زاویه بافت به همراه رزین کاربردی میتواند استحکام کلی ماده را مشخص کند. این رزینها در اغلب موارد اپوکسی می باشند ولی می توان از ترموپلاستیک ها، پلی اورتان، وینیل استر و پلی استر هم استفاده کرد. در فرآوری الیاف کربنی از قالبهایی استفاده میشود که این الیاف به روی آنها ریخته شده و پس از آن ماده توسط فرآیندهای خلا محور فرآوری میشود. در این متد معمولا از قالب به منظور دستیابی به شکل مورد نظر استفاده میشود و این تکنیک برای تولید انواعی از اشکال غیر پیچیده به کار برده میشود که باید بر اساس تقاضا ساخته شوند. الیاف کربنی از مصارف بسیار مختلفی برخوردارند زیرا می توان آنها را با چگالی های مختلفی با سایز و شکل های بسیار متفاوتی تولید کرد. همچنین این امکان وجود دارد که آنها را به شکل لوله، منسوجات، لباس و یا اشکال مختلف تولید کرد. هر یک از رشته های الیاف کربنی بین ۵ تا ۱۰ میکرون می باشند. شاید با مثالی بتوانیم اندازه بسیار ریز این رشته ها را مشخص کنیم. یک میکرون و یا میکرومتر برابر با 0.000039 اینچ می باشد و هر یک از رشته های ابریشمی تارهای تنیده شده توسط عنکبوت بین ۳ تا ۸ میکرون هستند. الیاف کربنی دو برابر بیشتر از فولاد سخت و خشک می باشند و پنج برابر بیشتر از فولاد قدرت دارند (با توجه به وزن). علاوه بر آن، مواد یاد شده از نظر شیمیایی بسیار مقاوم بوده و تحمل بسیار زیادی نیز در مقابل دمای بالا دارند. در حقیقت این الیاف زمانی که در معرض حرارت قرار بگیرند تغییر حجم چندانی نخواهد داشت.
مواد خام
الیاف کربنی از پلیمرهای ارگانیک ساخته می شوند و خود این مواد نیز از رشتههای بلندی از مولکولها تولید شده اند که توسط اتم های کربنی به یکدیگر متصل شده اند. بیشتر الیاف کربنی (به معنای ۹۰ درصد از آنها) از فرآیندهای پلی آکریلونیتریل ساخته میشوند و فقط حدود ۱۰ درصد از آنها از ریون و یا فرایند های نفتی تولید می شوند. گاز ها، مایعات و سایر موادی که در فرآیندهای تولیدی این الیاف شرکت دارند درجات متفاوتی از الیاف کربنی را با کیفیت و اثرات متفاوت تولید میکنند و در اکثر موارد تولید کنندگان این الیاف از فرمولاسیون های مناسب و ترکیبی از مواد خام برای تولید ماده استفاده می کنند. در حقیقت این فرمولاسیون های ویژه به عنوان اسرار تجاری به حساب می آیند. بالاترین درجه الیاف کربنی که از بیشترین ضریب نیز برخوردار است (ضریب یا مقدار ثابتی که به منظور مشخص سازی یک ویژگی خاص از ماده همانند قابلیت ارتجاعی به صورت عددی به کار برده می شود) در حوزه ی هواپیمایی استفاده میشوند.
از کدام فرایند های تولیدی به منظور ساخت الیاف کربن استفاده می شود؟
ساخت الیاف کربنی معمولا شامل فرآیندهای مکانیکی و شیمیایی می باشد. مواد خام که با نام پیش ماده نیز شناخته می شوند معمولا به رشتههای بسیار بزرگی تبدیل شده و سپس در دمای بالا در محیط بدون اکسیژن حرارت داده میشوند. حرارت بالا باعث میشود تا اتمهای کربن بسوزند و به اندازهای لرزش پیدا کنند که تقریبا تمام اتم های غیر کربنی از این واکنش خارج خواهند شد. پس از آن که فرایند کربونیزه سازی تمام میشود الیاف باقی مانده، از زنجیرههای اتم های کربنی کاملا به هم پیوسته و بلندی تشکیل شدهاند که در کنار آنها تعداد بسیار کمی از اتم های غیر کربنیک و یا هیچ اتم کربنی وجود دارد. پس از ان این الیاف به منسوجات تبدیل شده و یا با سایر موارد ترکیب می شوند و در نهایت به شکل الیاف پیچی در آورده شده و یا به شکل و اندازه دلخواه قالب گیری می شوند. در تولید الیاف کربنی با فرآیندهای پلی آکریلونیتریل معمولاً از این پنج مرحله استفاده میشود:
چالشهای تولید فیبر های کربنی کدامند؟
تولید الیاف کربنی میتواند با تعدادی از مشکلات و چالش ها همراه باشد مانند:
آینده الیاف کربنی
با توسعه فناوری الیاف کربنی احتمال بیشتری برای پیدایش انواعی از الیاف کربنی به وجود خواهد آمد. در موسسه فناوری ماساچوست مطالعات متفاوتی بر روی الیاف کربنی انجام گرفته است و نتایج حاصل از آن نیز نشان می دهند که امکان استفاده از فناوری های تولیدی جدید و طراحی های نوین به منظور پاسخگویی به نیازهای موجود صنعتی وجود دارد. استاد دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه ام آی تی با نام John Hart که فردی پیشرو در حوزه لوله های نانو می باشد، به همراه دانشجویان خود فعالیتهایی انجام داده است تا بتواند فناوریهای تولیدی را بهبود بخشد همانند جستجو برای یافتن مواد جدیدی که در کنار پرینتر های تجاری سه بعدی به کار برده میشوند. وی عنوان میکند: من از آنها خواستم که کاملاً متفاوت عمل کنند و نوعی پرینتر سه بعدی را معرفی کنند که هیچ وقت قبلا ساخته نشده و یا نوعی ماده کاربردی را به من نشان بدهند که با استفاده از پرینتر های امروزی نمی توان آن را چاپ کرد. نتایج حاصل انواعی از ماشین های نمونه بودند که امکان چاپ شیشههای ذوب شده، بستنی و ترکیبات الیاف کربنی را داشتند. علاوه بر آن تیم دانشجویی نوعی ماشین را خلق کردند که میتواند روزن رانی موازی مواد پلیمری را در سطح بسیار بزرگ انجام دهد و در همان حال فرایند چاپ اسکن را نوری انجام دهد. در مطالعه دیگری نیز امکان تولید انواع جدید از الیاف کربنی و مواد ترکیبی را بررسی کردند که در آینده نه تنها می تواند باعث شود که تمام بدنه خودرو به عنوان یک سیستم باتری عمل کند بلکه حتی بدنه خودروها قوی تر و سبک تر خواهد شد. با تمامی پیشرفت و توسعه هایی که در این زمینه صورت گرفته است جای تعجبی ندارد که بازار الیاف کربنی از ۴.۷ میلیارد دلار در سال ۲۰۱۹ به مقدار ۱۳.۳ میلیارد دلار تا سال ۲۰۲۹ برسد و این در حالی است که میزان رشد سالانه این ماده برابر با ۱۱ درصد خواهد بود.
