فیبر کربن چیست؟ خواص، فرآیند تولید و برنامه های کاربردی

فیبر کربن چیست؟

فیبر کربن ماده ای با کارایی بالا است که از رشته های نازک اتم های کربن که در یک ساختار کریستالی به موازات محور طولانی فیبر به هم متصل شده اند، ساخته شده است. هر رشته جداگانه بین قطر 5 و 10 میکرومتر - تقریباً یک دهم عرض یک موی انسان - اما این ماده به دلیل ارائه استحکام کششی و سختی استثنایی در کسری از وزن فلزات شناخته شده است.

در بیشتر کاربردهای صنعتی و تجاری، از فیبر کربن به عنوان فیلامنت لخت استفاده نمی شود. هزاران رشته از این رشته ها به صورت بکسل بسته بندی می شوند، که سپس به پارچه بافته می شوند یا در ورقه ها قرار می گیرند و با یک ماتریس رزین پلیمری - معمولاً اپوکسی - ترکیب می شوند تا پلیمر تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) تولید شود. فیبر استحکام کششی و سفتی را فراهم می کند. رزین الیاف را به هم متصل می کند و بارها را بین آنها منتقل می کند. ماده کامپوزیتی به دست آمده از نظر استحکام به وزن بر اکثر فلزات برتری دارد.

یدک‌های استاندارد تجاری فیبر کربن بر اساس تعداد رشته‌ها طبقه‌بندی می‌شوند: 1K (1000 رشته)، 3K، 6K، 12K، 24K و بزرگتر. یدک کش های کم شمار در کاربردهای هوافضا و کالاهای ورزشی با عملکرد بالا استفاده می شود. یدک کش های با تعداد بیشتر در زمینه های صنعتی و ساختمانی استفاده می شود که در آن کارایی هزینه بیشتر از پرداخت سطح اهمیت دارد.

خواص فیبر کربن توضیح داده شده است

خواص فیبر کربن به طور قابل توجهی به مواد پیش ساز و فرآیند تولید بستگی دارد، اما فیبر کربن مبتنی بر PAN استاندارد (به زیر مراجعه کنید) مجموعه ثابتی از ویژگی‌ها را نشان می‌دهد که جذابیت آن را مشخص می‌کند:

• استحکام کششی بالا: فیبر کربن مدول استاندارد به استحکام کششی 3500-7000 مگاپاسکال دست می یابد که به طور قابل توجهی بیشتر از فولاد سازه ای (معمولاً 400-550 مگاپاسکال) است.
• سفتی بالا (مدول الاستیک): مدول استاندارد فیبر کربن دارای مدول الاستیک در حدود 230 GPa است. نمرات مدول فوق العاده بالا به 600-900 گیگا پاسکال می رسد که بسیار بیشتر از فولاد (200 گیگا پاسکال) و آلومینیوم (70 گیگا پاسکال) است.
• چگالی کم: چگالی فیبر کربن تقریباً 1.75-1.85 g/cm³ است، در مقایسه با 7.85 g/cm³ برای فولاد و 2.7 g/cm³ برای آلومینیوم. کامپوزیت های CFRP معمولاً 1.5-1.6 g/cm³ هستند.
• پایداری حرارتی: فیبر کربن خواص مکانیکی خود را در دمای بیش از 2000 درجه سانتیگراد در اتمسفر بی اثر حفظ می کند. در محیط های اکسید کننده، تخریب سطح بالاتر از 400-500 درجه سانتیگراد شروع می شود.
• انبساط حرارتی کم: ضریب انبساط حرارتی فیبر کربن در امتداد محور فیبر نزدیک به صفر یا کمی منفی است، و باعث می شود CFRP از نظر ابعادی در سراسر محدوده دما پایدار باشد - یک ویژگی مهم در هوافضا و ابزار دقیق.
• هدایت الکتریکی: بر خلاف فایبرگلاس، فیبر کربن رسانای الکتریسیته است. این در برخی از کاربردها (محافظ EMI، حفاظت در برابر صاعقه) و در برخی دیگر از نظر طراحی (خوردگی گالوانیکی در تماس با فلزاتی مانند آلومینیوم) سودمند است.
• حساسیت کم به خستگی: کامپوزیت های CFRP در مقایسه با فلزات مقاومت بسیار خوبی در برابر بارگذاری چرخه ای از خود نشان می دهند که آنها را برای قطعاتی که در معرض تنش مکرر قرار دارند مناسب می کند.

محدودیت اولیه شکنندگی است: فیبر کربن دارای کرنش تا شکست کم (معمولاً 1.5-2٪) و مقاومت ضعیف در برابر ضربه عمود بر جهت فیبر است. بر خلاف فلزات، CFRP قبل از شکست تغییر شکل پلاستیکی نمی دهد - اغلب بدون علائم هشدار دهنده قابل مشاهده در سطح ماده می شکند.

فیبر کربن چگونه ساخته می شود: فرآیند تولید

تولید فیبر کربن یک فرآیند تبدیل حرارتی و شیمیایی چند مرحله ای است که یک پیش ساز پلیمری را به یک رشته کربن تقریبا خالص تبدیل می کند. پیش ساز غالب پلی اکریلونیتریل (PAN) است که بیش از آن را تشکیل می دهد 90 درصد تولید جهانی فیبر کربن . تولید باقیمانده از زمین (مشتقات قطران نفت یا زغال سنگ) یا در کاربردهای تخصصی از ریون استفاده می کند.

تبدیل فیبر پیش‌ساز PAN به فیبر کربن نهایی از پنج مرحله متوالی عبور می‌کند: تثبیت، کربن‌سازی، گرافیت‌سازی (برای درجه‌های مدول بالا)، عملیات سطحی و اندازه‌گیری.

فرآیند تثبیت توضیح داده شده است

تثبیت اولین مرحله تبدیل حرارتی و زمان برترین مرحله در فرآیند است. فیبر پیش ساز PAN از یک سری کوره های اکسیداسیون در دماهای بین عبور داده می شود 200 درجه سانتیگراد و 300 درجه سانتیگراد در یک جو هوا این فرآیند بسته به نوع فیبر و طراحی کوره 30 تا 120 دقیقه طول می کشد.

در طول تثبیت، زنجیره های پلیمری خطی در PAN تحت واکنش های چرخه ای و پیوند متقابل قرار می گیرند و ساختار ترموپلاستیک را به یک پلیمر نردبانی پایدار حرارتی تبدیل می کنند. این تغییر ساختاری ضروری است: بدون تثبیت، فیبر در طول مرحله کربنیزاسیون در دمای بالا که به دنبال آن می‌آید ذوب می‌شود یا می‌سوزد. با ادامه تثبیت، فیبر از سفید به قهوه ای طلایی تا سیاه تیره می شود. کشش برای جلوگیری از انقباض فیبر و حفظ جهت گیری مولکولی حفظ می شود.

فرآیند کربنیزاسیون توضیح داده شده است

پس از تثبیت، فیبر وارد کوره‌های کربن‌سازی می‌شود 1000 تا 1500 درجه سانتی گراد در یک جو نیتروژن بی اثر. در این دماها، اتم‌های غیر کربن - عمدتاً هیدروژن، نیتروژن و اکسیژن - به صورت گاز (HCN، CO2، H2O، NH3، و غیره) خارج می‌شوند. محتوای کربن فیبر از تقریباً 65٪ در PAN تثبیت شده به بیش از افزایش می یابد 92-95٪ در محصول کربن دار

مرحله کربن‌سازی معمولاً به دو ناحیه تقسیم می‌شود: یک منطقه با دمای پایین (تا 700 درجه سانتی‌گراد) که در آن بیشتر محصولات فرّار آزاد می‌شوند و یک منطقه با دمای بالا (بالای 1000 درجه سانتی‌گراد) که در آن ساختار گرافیت توربواستراتتیک شروع به توسعه می‌کند. هم ترازی کریستالی به دست آمده در این مرحله تا حد زیادی خواص مکانیکی نهایی را تعیین می کند. کربن‌سازی تحت کشش انجام می‌شود تا تراز فیبر حفظ شود و جهت‌گیری کریستالوگرافی ترجیحی در امتداد محور فیبر به حداکثر برسد.

فرآیند گرافیت سازی توضیح داده شده است

گرافیت سازی یک مرحله اختیاری در دمای بالا است که برای تولید گریدهای فیبر کربن با مدول بالا و مدول بسیار بالا استفاده می شود. فیبر کربنی شده تا دمای بین حرارت می‌یابد 2500 درجه سانتیگراد و 3000 درجه سانتیگراد در یک جو آرگون بی اثر. در این دماهای شدید، ساختار کربن توربواستراتتیک (تا حدی مرتب شده) به یک ساختار کریستالی شبیه گرافیت منظم‌تر سازمان‌دهی می‌شود و صفحات کربنی شش ضلعی بزرگ‌تر می‌شوند و کاملاً با محور فیبر همسو می‌شوند.

نتیجه افزایش چشمگیر مدول الاستیک است - از حدود 230 گیگا پاسکال برای فیبر مدول استاندارد به 400 تا 900 گیگا پاسکال برای درجات مدول فوق العاده بالا. با این حال، این افزایش سفتی به قیمت استحکام کششی و کرنش تا شکست است: الیاف گرافیتی سفت‌تر اما شکننده‌تر هستند. همه برنامه ها نیاز به گرافیت سازی ندارند. الیاف مدول استاندارد و متوسط ​​مورد استفاده در بیشتر کاربردهای ساختاری هوافضا، گرافیتیزه نمی شوند.

درمان سطح در فیبر کربن

فیبر کربنی که در این زمان تولید می‌شود، دارای سطح شیمیایی خنثی است که با رزین‌های پلیمری پیوند ضعیفی دارد. عملیات سطحی - معمولاً اکسیداسیون الکترولیتی - با وارد کردن گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن (کربوکسیل، هیدروکسیل، کربونیل) روی سطح الیاف، این مشکل را اصلاح می‌کند. این فرآیند فیبر را از طریق یک حمام الکترولیت عبور می دهد در حالی که یک جریان الکتریکی کنترل شده اعمال می شود.

نتیجه یک سطح زبر و فعال شیمیایی با به طور قابل توجهی چسبندگی به اپوکسی و سایر سیستم های رزین بهبود یافته است . مقاومت برشی بین لایه ای - مقاومت کامپوزیت در برابر لایه برداری بین لایه ها - ویژگی اولیه ای است که با عملیات سطح بهبود می یابد. بدون آن، کامپوزیت های ساخته شده از فیبر کربن، چسبندگی الیاف ماتریس ضعیفی را نشان می دهند و عملکرد مکانیکی را کاهش می دهند، به ویژه تحت بارگذاری برشی.

فرآیند اندازه گیری فیبر کربن

اندازه‌گیری آخرین مرحله قبل از اینکه الیاف روی بوبین‌ها پیچیده شود یا پردازش شود، است. یک پوشش نازک - معمولاً 0.5 تا 5 درصد وزنی - از یک عامل اندازه‌گیری (معمولاً یک پلیمر سازگار با اپوکسی) از یک حمام امولسیونی مبتنی بر آب روی سطح الیاف اعمال می‌شود.

سایزبندی چندین کارکرد دارد: از الیاف در برابر سایش در حین عملیات دست زدن و بافندگی بعدی محافظت می‌کند، رشته‌ها را برای پردازش آسان‌تر به هم متصل می‌کند و سازگاری بیشتری با سیستم رزین مورد استفاده در کامپوزیت نهایی را افزایش می‌دهد. فرمول اندازه گیری معمولاً با رزین مورد نظر مطابقت دارد - اندازه اپوکسی برای کامپوزیت های اپوکسی، اندازه گیری سازگار با ترموپلاستیک برای کامپوزیت های زمینه ترموپلاستیک. عدم تطابق اندازه می تواند عملکرد مکانیکی کامپوزیت را با تداخل با پیوند فیبر-ماتریس کاهش دهد.

PAN در مقابل فیبر کربن Pitch

دو ماده پیش ساز اصلی برای فیبر کربن - PAN (پلی اکریلونیتریل) و زمین - الیافی با مشخصات خصوصیات متمایز و مناسب برای کاربردهای مختلف تولید می کنند.

فیبر کربن مبتنی بر PAN بر بازار تسلط دارد زیرا فرآیند تولید به خوبی تثبیت شده است، کیفیت فیبر ثابتی را به همراه دارد و محصولی قوی و همه کاره تولید می کند. فیبر PAN بهترین ترکیب از استحکام کششی و سفتی را برای کاربردهای ساختاری به دست می آورد. فیبر PAN مدول استاندارد (به عنوان مثال، گرید Toray T300) نیروی کار صنایع هوافضا، خودروسازی و کالاهای ورزشی است.

فیبر کربن مبتنی بر پیچ از زمین همسانگرد یا مزوفاز - محصول جانبی فرآوری قطران نفتی یا زغال سنگ - تولید می شود. الیاف Pitch را می توان برای دستیابی به مدول الاستیک فوق العاده بالا (تا 900 گیگا پاسکال) و هدایت حرارتی استثنایی (تا 1000 W/m·K در مقایسه با حدود 10 W/m·K برای فیبرهای مبتنی بر PAN) گرافیتی کرد. این ویژگی‌ها فیبر مبتنی بر گام را در ساختارهای ماهواره‌ای، اجزای مدیریت حرارتی و سیستم‌های نوری دقیق که در آن سختی و پایداری ابعادی در دما بیشتر از استحکام کششی اهمیت دارد، ارزشمند می‌سازد.

فیبر کربن در مقابل فایبرگلاس

فیبر کربن و فایبرگلاس (پلیمر تقویت‌شده با الیاف شیشه یا GFRP) دو ماده تقویت‌کننده کامپوزیت پرکاربرد هستند و اغلب با هم مقایسه می‌شوند، زیرا کاربردهای همپوشانی با قیمت‌های بسیار متفاوت دارند.

فایبرگلاس دارای مدول کششی تقریباً است 70-85 گیگا پاسکال - تقریباً یک سوم فیبر کربن استاندارد. به طور قابل توجهی سفت کمتر است، به این معنی که اجزای GFRP تحت بارهای معادل بیشتر منحرف می شوند. با این حال، فایبرگلاس نسبت به CFRP دارای کرنش تا شکست بالاتر (حدود 3-4٪) و مقاومت در برابر ضربه بهتر است و هزینه آن نیز هزینه می شود. 5 تا 10 برابر کمتر در هر کیلوگرم در سطوح عملکردی قابل مقایسه برای برنامه های کاربردی کمتر.

فایبرگلاس همچنین از نظر الکتریکی نارسانا و شفاف در برابر رادار و فرکانس‌های رادیویی است - ویژگی‌هایی که آن را برای رادوم‌ها، بدنه‌های دریایی، تیغه‌های توربین بادی و تجهیزات ورزش‌های آبی مصرفی انتخاب می‌کنند. رسانایی الکتریکی فیبر کربن آن را از برنامه هایی که در آن شفافیت RF مورد نیاز است، حذف می کند.

تصمیم بین فیبر کربن و فایبرگلاس معمولاً به وزن و سختی مورد نیاز نسبت به بودجه بستگی دارد. در جایی که حداقل وزن و حداکثر سختی حیاتی است - مانند موتور اسپورت رقابتی، سازه های هواپیما با عملکرد بالا و دوچرخه های مسابقه - فیبر کربن انتخاب واضحی است. در جایی که هزینه، تحمل ضربه یا شفافیت RF اهمیت بیشتری دارد، فایبرگلاس ماده غالب باقی می ماند.

فیبر کربن در مقابل فولاد

مقایسه بین کامپوزیت های فیبر کربن و فولاد بر اساس مقاومت ویژه (استحکام در واحد وزن) و سختی خاص بسیار معنی دار است. در این معیارها، CFRP به طور قابل ملاحظه ای بهتر از فولاد ساختاری است: فیبر کربن دارای یک استحکام کششی ویژه تقریباً 5 تا 10 برابر بیشتر از فولاد است و سفتی خاص 3 تا 4 برابر بیشتر است.

به طور مطلق، فولاد با استحکام بالا می تواند به استحکام کششی بالاتر از 2000 مگاپاسکال دست یابد - قابل رقابت با برخی از گریدهای فیبر کربن - اما در چگالی بیش از چهار برابر بیشتر. برای کاربردهای مهم وزن، جایگزینی یک جزء فولادی با یک طراحی معادل CFRP معمولاً به این نتیجه می‌رسد. کاهش وزن 40 تا 60 درصد .

فولاد مزایای مهمی را حفظ می کند. انعطاف پذیر است - قبل از شکستگی به طور قابل مشاهده تغییر شکل می دهد و هشدار و جذب انرژی را ارائه می دهد. CFRP شکننده است و می تواند بدون تغییر شکل سطح قابل مشاهده به طور فاجعه باری از کار بیفتد. فولاد همچنین بسیار ارزان‌تر است، به راحتی جوش داده می‌شود و تعمیر می‌شود و در مهندسی سازه به خوبی قابل درک است. برای کاربردهایی که جذب انرژی ضربه ای، قابلیت تعمیر یا هزینه محرک اصلی طراحی است، جابجایی فولاد دشوار است. مزایای فیبر کربن در کاربردهایی که وزن مستقیماً به عملکرد یا هزینه عملیاتی ترجمه می شود - هواپیما، ماهواره، وسایل نقلیه با کارایی بالا و تجهیزات ورزشی رقابتی، قطعی ترین است.

فیبر کربن در هوافضا

هوافضا صنعتی است که در آن ترکیب فیبر کربن از نسبت استحکام به وزن بالا، سفتی، مقاومت در برابر خستگی و پایداری حرارتی واضح ترین ارزش را ارائه می دهد. هر کیلوگرم حذف شده از سازه هواپیما مستقیماً به صرفه جویی در سوخت، ظرفیت بار یا برد معطوف می شود - اقتصاد به نفع مواد درجه یک به روشی است که کاربردهای زمینی به ندرت انجام می دهند.

بوئینگ 787 دریم لاینر که در سال 2011 معرفی شد، اولین هواپیمای تجاری با ساختار اصلی اکثریت ترکیبی بود: تقریباً 50 درصد از وزن بدنه هواپیما CFRP است از جمله بدنه، بالها و دم. در مقایسه با طراحی متداول آلومینیومی، 787 تقریباً 20 درصد راندمان سوخت بهتری دارد. ایرباس A350 XWB از طراحی ترکیبی غالب مشابهی استفاده می کند که CFRP حدود 53 درصد از وزن ساختاری را شامل می شود.

در هوانوردی نظامی، فیبر کربن در ساختار هواپیماهای جنگنده از زمان F-16 و F/A-18 در دهه 1970 و 1980 استاندارد بوده است. جنگنده های مدرن مانند F-22 و F-35 از CFRP برای اکثر ساختار بدنه خود استفاده می کنند. کاربردهای فضایی از فیبر کربن برای پانل‌های ساختاری ماهواره‌ای، بسترهای آرایه خورشیدی و محفظه‌های موتور موشک استفاده می‌کنند، جایی که ترکیبی از وزن کم، سختی بالا و انبساط حرارتی نزدیک به صفر غیرقابل جایگزینی است.

فیبر کربن در خودرو

استفاده از فیبر کربن در خودرو مسیر مشخصی را دنبال کرده است: از مسابقات فرمول 1 در اوایل دهه 1980، تا تولید سوپراسپرت در دهه‌های 1990 و 2000، تا استفاده گسترده‌تر در تولید حجم در دهه‌های 2010 و پس از آن.

مک لارن اولین شاسی مونوکوک فیبر کربنی را در فرمول 1 در سال 1981 معرفی کرد. بهبود عملکرد تصادف فوری و قابل توجه بود - ترکیبی از جذب انرژی بالا (از طریق خرابی کنترل شده) و استحکام وان، محافظت از راننده را فراهم می کند که مونوکوک های آلومینیومی نمی توانند مطابقت داشته باشند. امروزه هر شاسی، پانل بدنه، کف و بال فرمول 1 از CFRP ساخته شده است.

در خودروهای جاده‌ای، مدل‌های i3 و i8 بی‌ام‌و (معرفی 2013-2014) اولین خودروهای تولید انبوه با سلول‌های مسافری پلیمری تقویت‌شده با فیبر کربن را نشان می‌دهند که با استفاده از فرآیند قالب‌گیری انتقال رزین با حجم بالا تولید شده‌اند. ماژول زندگی CFRP BMW i3 تقریباً وزن داشت 130 کیلوگرم کمتر از یک سازه فولادی معادل ، بخش قابل توجهی از جریمه وزن باتری را جبران می کند.

هزینه همچنان مانع اصلی برای پذیرش گسترده تر خودرو است. قیمت مواد خام فیبر کربن تقریباً 20 تا 30 دلار در هر کیلوگرم (برای درجه استاندارد) است، در حالی که فولاد کلاس خودرو کمتر از 1 دلار در هر کیلوگرم است. زمان چرخه برای اجزای CFRP پخت شده با اتوکلاو - ساعت در هر قسمت - با تولید با حجم بالا بدون سرمایه گذاری قابل توجه در فرآیند ناسازگار است. قالب گیری تراکمی فیبر کربن خرد شده و فرآیندهای خارج از اتوکلاو این موانع را کاهش می دهد و محتوای فیبر کربن در خودروهای با عملکرد متوسط ​​به طور پیوسته در حال افزایش است.

فیبر کربن در تجهیزات ورزشی

تجهیزات ورزشی یکی از اولین بازارهای تجاری فیبر کربن در خارج از هوافضا بود که توسط ورزشکاران و تولیدکنندگانی که مایل به پرداخت حق بیمه برای افزایش عملکرد بودند هدایت می شد. مزیت سفتی به وزن این ماده مستقیماً توسط کاربر احساس می شود به گونه ای که دستیابی به آن با هر ماده جایگزین دشوار است.

در دوچرخه‌سواری رقابتی، قاب‌های فیبر کربنی از دهه 1990 بر پلوتون حرفه‌ای تسلط داشتند. یک قاب مسابقه جاده ای سطح بالا اکنون زیر وزن است 700 گرم - در مقایسه با 1.2 تا 1.5 کیلوگرم برای معادل های آلومینیومی - در حالی که سفتی برتر برای انتقال قدرت و انطباق قابل تنظیم در جهات خاص برای راحتی سوار را فراهم می کند. چرخ‌های فیبر کربنی، دسته‌ها، پایه‌های صندلی و میل لنگ باعث کاهش بیشتر وزن می‌شوند.

در تنیس، فریم‌های راکت فیبر کربن سختی بالاتری را برای انتقال نیرو با وزن کمتر نسبت به آلمینیومی یا کامپوزیت‌های جایگزین ارائه می‌دهند. شفت‌های گلف در فیبر کربن، پروفیل‌های انعطاف‌پذیر منسجم‌تر و میرایی ارتعاش بهتری نسبت به شفت‌های فولادی ارائه می‌کنند و در عین حال وزن راننده را کاهش می‌دهند. در قایقرانی، پاروها و صدف های فیبر کربنی جایگزین تجهیزات چوبی و فایبرگلاس در سطح نخبگان شده است.

فیبر کربن نیز در پروتزها و تجهیزات ورزشی تطبیقی ​​نقش اساسی دارد. تیغه دویدن Össur Cheetah - پروتز فیبر کربنی که توسط دوندگان پارالمپیک استفاده می‌شود - از ذخیره انرژی الاستیک این ماده برای تکرار عملکرد تاندون آشیل استفاده می‌کند و سرعت دویدن را با ورزشکاران توانمند مقایسه می‌کند. تیغه انرژی را در هنگام ضربه پا ذخیره می کند و آن را در هنگام باز کردن انگشت آزاد می کند، عملکردی که به ترکیب دقیق سفتی، انعطاف پذیری و استحکامی نیاز دارد که کامپوزیت های فیبر کربن به طور منحصر به فرد ارائه می کنند.