فیبر کربن: چیست، انواع، خواص مواد و کامپوزیت ها

فیبر کربن چیست؟

فیبر کربن ماده‌ای با کارایی بالا است که از رشته‌های بلند و نازک اتم‌های کربن تشکیل شده است - هر رشته تقریباً پنج تا ده میکرومتر قطر دارد که نازک‌تر از موی انسان است. این رشته ها در یک ساختار کریستالی در امتداد محور فیبر به هم متصل می شوند، که دقیقاً همان چیزی است که به فیبر کربن نسبت استحکام به وزن قابل توجه آن را می دهد. این ماده نه فلز است، نه پلاستیک و نه سرامیک. این به دسته ای از مواد مهندسی پیشرفته تعلق دارد که با ترکیب عنصری آن تعریف شده است: بیش از 90٪ کربن بر حسب وزن.

فیبر کربن تقریباً همیشه به عنوان یک تقویت کننده در یک ماده ماتریس - معمولاً یک رزین اپوکسی - برای تشکیل آنچه کامپوزیت فیبر کربن نامیده می شود استفاده می شود. به خودی خود، یک رشته فیبر کربن شکننده است و کار با آن دشوار است. اما هنگامی که هزاران رشته در یک پارچه بافته می‌شوند یا به صورت موازی قرار می‌گیرند و سپس در یک رزین اتصال جاسازی می‌شوند، پانل یا ساختار کامپوزیتی حاصل تبدیل به یکی از قوی‌ترین، سفت‌ترین و سبک‌ترین مواد مهندسی امروزی می‌شود.

شرایط فیبر کربن و فیبر کربن به همان مطالب مراجعه کنید - تفاوت املایی به سادگی انگلیسی آمریکایی در مقابل انگلیسی بریتانیایی است. به طور مشابه، "کامپوزیت فیبر کربن" و "پلیمر تقویت شده با الیاف کربن" (CFRP) اغلب به جای یکدیگر در زمینه های مهندسی و تولید استفاده می شوند.

فیبر کربن از چه چیزی ساخته شده است؟

ماده خام مورد استفاده برای تولید فیبر کربن a نامیده می شود پیش ساز . پیش ساز غالب در تولید تجاری است پلی اکریلونیتریل (PAN) یک پلیمر مصنوعی که تقریباً 90 تا 95 درصد از کل فیبر کربن تولید شده در سطح جهان را تشکیل می دهد. باقیمانده از زمین (مشتقات قطران نفتی یا زغال سنگ) یا در کاربردهای تخصصی از ریون تولید می شود.

فرآیند تولید، پیش ساز را از طریق یک سری مراحل کاملاً کنترل شده به فیبر کربن تبدیل می کند:

1. تثبیت - فیبر PAN در هوا در دمای 200 تا 300 درجه سانتیگراد گرم می شود تا اکسید شود و ساختار آن تثبیت شود و از ذوب شدن آن در مرحله بعدی جلوگیری شود.
2. کربن سازی - فیبر تثبیت شده تا دمای 1000 تا 1500 درجه سانتیگراد در یک اتمسفر بی اثر (بدون اکسیژن) گرم می شود و اکثر اتم های غیر کربنی را خارج می کند و الیافی با بیش از 90 درصد کربن باقی می گذارد.
3. گرافیت سازی (اختیاری) - برای گریدهای با مدول فوق العاده بالا، الیاف بیشتر تا 2500 تا 3000 درجه سانتیگراد گرم می شوند تا کریستالی بودن و سفتی را به قیمت کمی استحکام کششی افزایش دهند.
4. درمان سطح و اندازه - الیاف برای بهبود پیوند با رزین های ماتریکس، یک پوشش سطحی دریافت می کنند، سپس یک پوشش محافظ نازک (اندازه) قبل از پیچاندن روی قرقره ها برای حمل و نقل دریافت می کنند.

این فرآیند تولید انرژی بر یکی از دلایلی است که مواد خام فیبر کربن نسبت به فلزات سنتی دارای هزینه قابل توجهی هستند. زنجیره مواد خام فیبر کربن - از مونومر آکریلونیتریل تا فیبر PAN تا بکسل فیبر کربن نهایی - شامل مراحل پردازش شیمیایی متعدد قبل از رسیدن الیاف به یک سازنده کامپوزیت است.

فیبر کربن از کجا می آید؟

تولید جهانی فیبر کربن در میان تعداد کمی از تولیدکنندگان بزرگ متمرکز است. ژاپن از لحاظ تاریخی بر این صنعت تسلط داشته است صنایع Toray در کنار تیجین و میتسوبیشی کمیکال، بزرگترین تولیدکننده جهان است. ظرفیت قابل توجهی نیز در ایالات متحده (Hexcel، Solvay) و آلمان (SGL Carbon) وجود دارد. تولیدات داخلی چین از اواسط دهه 2010 به سرعت گسترش یافته است و تولیدکنندگانی مانند Zhongfu Shenying و Guangwei Composites به عنوان تامین کنندگان اصلی جهانی ظهور کرده اند.

شیمی مواد اولیه بازمی گردد: آکریلونیتریل - مونومر مورد استفاده برای ساخت PAN - از پروپیلن مشتق شده است که از پالایش نفت یا فرآوری گاز طبیعی به دست می آید. بنابراین در حالی که فیبر کربن خود یک ماده پیشرفته با تکنولوژی بالا است، منشاء آن در شیمی هیدروکربن معمولی نهفته است. فیبر کربن مبتنی بر زمین مستقیماً از محصولات جانبی پالایشگاه نفت یا قطران زغال سنگ استخراج می شود و آن را به محصول پایین دستی پردازش سوخت فسیلی تبدیل می کند.

پیش سازهای مبتنی بر زیستی (مانند جایگزین های PAN مشتق شده از لیگنین) یک حوزه تحقیقاتی فعال هستند، اما از اواسط دهه 2020، PAN مشتق شده از نفت استاندارد تجاری باقی مانده است.

انواع فیبر کربن: درجه ها و طبقه بندی ها

همه فیبرهای کربن یکسان نیستند. روش‌های مختلفی برای طبقه‌بندی انواع فیبر کربن وجود دارد که رایج‌ترین آن‌ها توسط درجه مکانیکی و by پیش ساز type .

طبقه بندی بر اساس درجه مکانیک

طبقه بندی بر اساس نوع پیش ساز

• فیبر کربن مبتنی بر PAN - استاندارد صنعت؛ بهترین تعادل بین استحکام کششی و مدول مورد استفاده در هوافضا، خودرو، کالاهای ورزشی و انرژی باد.
• فیبر کربن مبتنی بر پیچ - تولید شده از زمین های نفتی یا قطران زغال سنگ؛ به راحتی به مقادیر مدول فوق العاده بالا می رسد و هدایت حرارتی و الکتریکی عالی را ارائه می دهد. مورد علاقه در کاربردهای مدیریت فضا و حرارتی.
• فیبر کربن مبتنی بر ریون - یک روش تولید اولیه که اکنون برای کاربردهای ساختاری تا حد زیادی منسوخ شده است. هنوز در برخی زمینه های تخصصی فرسایشی و عایق استفاده می شود.

فراتر از این انواع هسته، الیاف کربن بر اساس فرمت فیبرشان نیز طبقه بندی می شوند: بکسل مداوم (بسته‌ای از هزاران رشته موازی که بسته به تعداد رشته‌ها به‌عنوان 1K، 3K، 6K، 12K، 24K یا 48K تعیین می‌شوند)، پارچه بافته شده (ساده بافت، جناغ، ساتن)، و فیبر خرد شده یا آسیاب شده برای استفاده در کامپوزیت های قالب گیری تزریقی.

خواص مواد فیبر کربن: چقدر سخت و قوی است؟

سؤال "فیبر کربن چقدر سخت است" نیاز به تمایز بین آنها دارد سختی و سفتی - دو ویژگی که اغلب با هم اشتباه گرفته می شوند. سختی به مقاومت در برابر خراش یا فرورفتگی سطح اشاره دارد. سفتی (مدول) به مقاومت در برابر تغییر شکل تحت بار اشاره دارد. فیبر کربن از نظر سفتی امتیاز بالایی دارد اما به معنای معمولی سخت نیست - سطح رزین یک کامپوزیت CFRP در مقایسه با فولاد سخت شده یا سرامیک می‌تواند نسبتاً آسان خراشیده شود.

ویژگی های مواد تعیین کننده فیبر کربن که آن را بسیار ارزشمند می کند عبارتند از:

• سفتی ویژه بسیار بالا - فیبر کربن مدول استاندارد دارای مدول کششی ~ 230 گیگا پاسکال است. فولاد سازه ای در حدود 200 گیگا پاسکال است. فیبر کربن با چگالی ~1.8 g/cm³ در مقابل 7.85 g/cm³ فولاد به این امر دست می یابد و نسبت سفتی به وزن آن تقریباً چهار برابر بیشتر از فولاد است.
• استحکام کششی بسیار بالا - رشته های فیبر کربن می توانند به استحکام کششی 3500 تا 7000 مگاپاسکال بسته به درجه، در مقایسه با حدود 400 تا 550 مگاپاسکال برای فولاد ساختاری برسند.
• چگالی کم - در 1.6 تا 1.9 گرم بر سانتی‌متر مربع، ساختارهای کامپوزیتی فیبر کربن تقریباً 70 تا 75 درصد سبک‌تر از قطعات فولادی معادل هستند.
• انبساط حرارتی نزدیک به صفر - فیبر کربن دارای ضریب انبساط حرارتی (CTE) بسیار پایینی است که باعث می‌شود از نظر ابعادی در محدوده‌های دمایی وسیع پایدار باشد - برای هوا فضا و اپتیک‌های دقیق بسیار مهم است.
• هدایت الکتریکی - بر خلاف الیاف شیشه، فیبر کربن رسانای الکتریکی است، که هم یک مزیت است (محافظت EMI، حفاظت در برابر صاعقه) و هم یک طرح (خوردگی گالوانیکی با فلزات).
• مقاومت شیمیایی - کامپوزیت های فیبر کربن در برابر اکثر اسیدها، حلال ها و تخریب محیطی مقاومت می کنند، اگرچه قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش می تواند ماتریکس رزین را در طول زمان بدون پوشش های محافظ تخریب کند.

محدودیت اصلی شکنندگی تحت بارگذاری ضربه است. فیبر کربن قبل از شکست مانند فلزات تغییر شکل پلاستیکی نمی دهد - به طور ناگهانی شکسته می شود، که پیامدهایی برای طراحی ساختار تصادف و تحمل آسیب در کاربردهای مهندسی دارد.

آیا فیبر کربن یک کامپوزیت است؟ فیبر کربن دقیقاً چه ماده ای است؟

بله - پلیمر تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) یک ماده کامپوزیتی است. از نظر فنی، اصطلاح "فیبر کربن" به خود فیبر (مرحله تقویت) اشاره دارد، در حالی که ماده ای که بیشتر مردم وقتی می گویند "فیبر کربن" در زمینه صنعتی یا مصرف کننده منظورشان ترکیبی است که از ترکیب آن الیاف با یک رزین ماتریکس تشکیل شده است. این یک تمایز مهم است:

• فیبر کربن = رشته الیاف خالص، شکلی از کربن
• فیبر کربن composite = ماتریس فیبر کربن (معمولاً اپوکسی، پلی استر یا PEEK) که به صورت لمینت یا قطعه قالب‌گیری شده است.

یک ماده کامپوزیتی، طبق تعریف، دو یا چند ماده تشکیل دهنده را با خواص فیزیکی یا شیمیایی متفاوت ترکیب می کند. در کامپوزیت های فیبر کربن، الیاف استحکام کششی و سختی را فراهم می کند، در حالی که ماتریس رزین الیاف را متصل می کند، بارها را بین آنها توزیع می کند و آنها را از آسیب های محیطی محافظت می کند. هیچ یک از اجزاء به تنهایی نمی توانند به ترکیبی از خواص مشابه با کامپوزیت دست یابند.

رایج ترین مواد ماتریسی در مواد کامپوزیت فیبر کربنی عبارتند از:

• رزین اپوکسی - استاندارد هوافضا و کاربردهای ساختاری با کارایی بالا؛ چسبندگی عالی، محتوای خالی کم، خواص مکانیکی خوب.
• پلی استر و وینیل استر - هزینه کمتر، در محصولات دریایی، ساختمانی و مصرفی استفاده می شود که عملکرد مکانیکی مطلق از اهمیت کمتری برخوردار است.
• ماتریس های ترموپلاستیک (PEEK، PPS، نایلون) - به طور فزاینده ای در خودرو و هوا فضا برای بهبود مقاومت در برابر ضربه، قابلیت بازیافت و زمان پردازش سریع تر استفاده می شود.
• کامپوزیت های زمینه سرامیکی (CMC) - فیبرهای کربن در یک ماتریس سرامیکی برای محیط‌های با دمای شدید، مانند بخش‌های داغ موتور جت و وسایل نقلیه مافوق صوت.

چه چیزی از فیبر کربن ساخته شده است؟ حوزه های کاربردی کلیدی

طیف محصولات ساخته شده از فیبر کربن از منشاء اولیه هوافضا به طور چشمگیری گسترش یافته است. امروزه، کامپوزیت‌های فیبر کربن در صنایعی که طراحان نیاز به کاهش وزن دارند بدون به خطر انداختن عملکرد ساختاری، ظاهر می‌شوند:

• هوافضا - پانل‌های بدنه، پوسته‌های بال، دیواره‌ها و ساختارهای داخلی در هواپیماهای تجاری (بوئینگ 787 و ایرباس A350 هر دو تقریباً 50 درصد وزنی CFRP دارند).
• خودرو - پانل های بدنه، اجزای شاسی، محورهای محرک، ساختارهای تصادف، و چارچوب صندلی در خودروهای عملکردی، لوکس و به طور فزاینده ای رایج.
• انرژی باد - کلاهک‌های اسپار در پره‌های توربین‌های بادی، که در آن ترکیب سختی و وزن سبک مستقیماً کارایی جذب انرژی را بهبود می‌بخشد.
• لوازم ورزشی - قاب دوچرخه، راکت تنیس، میله چوب گلف، چوب هاکی، پاروهای پارویی و میله های ماهیگیری - بخش مصرفی که برای اولین بار فیبر کربن را به طور گسترده ای آشنا کرد.
• پزشکی - پروتز، بریس ارتوپدی، ابزار جراحی و تجهیزات پرتودرمانی (فیبر کربن رادیولوسنت است، یعنی اشعه ایکس از آن عبور می کند).
• زیرساخت های عمرانی - عرشه پل، پوشش ستون برای مقاوم سازی لرزه ای، و تقویت بتن (میلگرد فیبر کربن خوردگی نمی کند).
• الکترونیک و مخازن تحت فشار - اجزای شاسی لپ تاپ و تلفن برای دستگاه های پیشرفته؛ سیلندرهای ذخیره گاز فشرده و هیدروژن برای وسایل نقلیه پیل سوختی.

بازار جهانی فیبر کربن در سال 2023 تقریباً 5.5 میلیارد دلار ارزش داشت و پیش بینی می شود تا سال 2030 با نرخ مرکب سالانه 9 تا 11 درصد رشد کند که عمدتاً ناشی از گسترش انرژی بادی و الزامات سبک وزنی خودروها است که با مقررات انتشار گازهای گلخانه ای مرتبط است.