الیاف کربن ‍Carbon Fibre

درفرهنگ واژگان نساجی آمده است : الیاف کربن به الیافی گفته می شود که دست کم دارای ۹۰ درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند . اصطلاح الیاف گرافیتی درمورد الیافی به کار می رود که کربن آنها بیش از ۹۹ درصد باشد . انواع گوناگونی از الیاف به عنوان پیش زمینه تولید الیاف کربن وجود دارد که دارای ویژگی های انحصاری و مورفولوژی ویژه هستند . پرمصرف ترین الیاف پیش زمینه عبارتند از : الیاف پلی اکریلونیتریل ( ‏PAN‏ ) ، الیاف سلولزی ( مانند ریون ویسکوز و پنبه ) ، قیر حاصل از قطران ذغال سنگ ( ‏Coal tar pitch‏ ) و نوع ویژه ای از الیاف فنلیک .

الیاف کربن از طریق پیرولیز پیش زمینه های آلی که به شکل الیاف هستند ، ساخته می شود . در واقع انجام عملیات حرارتی موجب حذف عناصری مانند اکسیژن ، نیتروژن و هیدروژن و باقی ماندن کربن به شکل الیاف می شود . در پژوهش هایی که برروی الیاف کربن انجام شده ، مشخص گردیده که ویژگی های مکانیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت گیری الیاف پیش زمینه و کاهش نواقص موجود در آنها ، بهبود می یابد . بهترین راه برای دست یابی به الیاف کربن با ویژگی های مناسب ، استفاده از الیاف پیش زمینه با بیشترین مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدار سازی و کربنیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فرآیند است .
تولید الیاف کربن از پیش زمینه پلی اکریلونیتریل

برای تولید الیاف کربن با کیفیت بالا از پیش زمینه ‏PAN‏ و سه مرحله اساسی وجود دارد :

۱- مرحله پایدار سازی اکسیدی : در این مرحله الیاف ‏PAN‏ هم زمان با اعمال کشش مورد عملیات حرارتی اکسیدی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی گراد قرار می گیرد . این عملیات ، ‏PAN‏ گرما نرم را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می کند .

۲- مرحله کربنیزاسیون : بعد از اکسیداسیون ، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد در محیط خنثی ( معمولا ً نیتروژن ) برای مدت چند ساعت ، مورد عملیات حرارتی کربنیزاسیون قرار می گیرند . درطی این فرآیند ، عناصر غیرکربنی آزاد می شود و الیاف کربن با بالانس جرمی ۵۰ درصد به نسبت الیاف ‏PAN‏ نخستین ، به دست می آید .
‏
۳- مرحله گرافیتاسیون : بسته به نوع الیاف کربن مورد نظر ، از لحاظ ضریب کشسانی ، و اعمال این مرحله در محدوده دمایی مابین ۱۵۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتیگراد ، موجب بهبود درجه جهت گیری‏ کریستالیت های کربنی درجهت محور الیاف و بنابراین مایه ی بهبود ویژگی ها می شود .  تولید الیاف کربن از دیگر پیش زمینه ها نیز کمابیش دارای مراحل اصلی است که در مورد تولید از پیش زمینه ‏PAN‏ آورده شد .
‏

ساختار الیاف کربن
مشخصه های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاههای میکروسکپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است . برخلاف گرافیت ، ساختار کربن بدون هرگونه نظم سه بعدی است . در الیاف کربن برپایه ‏PAN‏ ، ساختار الیاف در طی عملیات پایدار سازی اکسیدی و متعاقب آن کربنیزاسیون ، از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای تغییر می کند . به این ترتیب صفحات اصلی در پایان مرحله کربنیزاسیون در جهت محور طولی الیاف قرار می گیرند . بررسی های اشعه ‏X‏ با زاویه تفرق باز ( ‏Wide angle X-ray‏ ) نشان می دهد که با افزایش دمای عملیات کربنیزاسیون ، ارتفاع انباشتگی و مقدار جهت گیری صفحات اصلی ، افزایش می یابد . قطر منوفیلامنت های ‏PAN‏ تأثیرعمده ای بر نفوذ عملیات کربنیزاسیون در الیاف کربن تولیدی دارد ، به همین دلیل تغییر در ساختار کریستالوگرافی پوسته و هسته هر منوفیلامنت در الیافی که کاملا ً پایدار شده اند ، به وضوح قابل مشاهده است . پوسته از جهت گیری مرجح طولی بالا به همراه انباشتگی زیاد کریستالیت ها برخوردار است درحالی که هسته ، جهت گیری کم تر صفحات اصلی و حجم کم تر کریستالیت ها را نشان می دهد .

عموما ً دیده شده که هرچه استحکام کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد ، ویژگی های کششی الیاف کربن به دست آمده نیز بیشتر می شود . چنان چه مرحله پایدار سازی به صورتی مناسب انجام گیرد ، در آن صورت استحکام کششی و ضریب کشسانی با کربنیزاسیون تحت کشش ، به مقدار بسیار زیادی در محصول کربنی نهایی بالا می رود . بررسی های انجام شده با دستگاههای پراش پرتوی ایکس و پراش الکترونی نشان داده است که در الیاف کربن با ضریب کشسانی بالا ، کریستالیت ها پیرامون محور طولی الیاف قرار گرفته اند . این درحالی است که صفحات لایه ای با بیشترین جهت یافتگی به موازات محور الیاف استقرار یافته اند . به طور کلی استحکام الیاف کربن به نوع پیش زمینه ، شرایط فرآیند ، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف ، ارتباط دارد . در الیاف کربن با پیش زمینه ‏PAN‏ و افزایش دما تا ۱۳۰۰ درجه سانتی گراد مایه ی افزایش استحکام می شود ولی پس از ۱۳۰۰ درجه ، استحکام به آرامی کم می شود . این موضوع در مورد ضریب کشسانی نیز صادق است .

الیاف کربن بسیار ترد هستند . لایه ها در الیاف با اتصالات ضعیف و اندروالسی به هم دیگر متصل شده اند . تجمع فلس مانند لایه ها موجب می شود تا رشد ترک در جهت عمود برمحور الیاف به آسانی صورت بگیرد . در خمش ، الیاف در کرنش های بسیار پایین می شکنند . با تمام این معایب ، الیاف کربن از نقطه نظر مجموع ویژگی های شیمیایی ، فیزیکی و مکانیکی منحصر به فردی که دارد ، در بسیاری از عرصه های مهندسی و علوم در دو دهه اخیر تقریبا ً بدون رقیب مانده است .
‏

کاربردهای الیاف کربن

الیاف کربن در موارد صنعتی گوناگونی به کارمی رود که در این جا نمونه هایی از آن ارایه‏ شده است :

صنعت حمل و نقل

کاربردهای صنعت حمل و نقل بدین گونه اند : مخازن گاز مایع خودروها ، قطعات موتور ، کمک فنر ، شفت های انتقال نیرو ، ملحقات چرخ و جعبه فرمان ، لنت های ترمز ، بدنه ماشین های مسابقه ، بدنه کشتی ها و فنرهای لول .

صنایع ساختمانی و معماری

مواد ساختاری پل ها ، ساز و کار پل های جمع شونده ، تقویت کننده بتن های پرمقاومت ، سازه های باربر ، دیوارهای جداکننده ، سازه های پیش تنیده برای کمک به سازه های بتنی حمل بار ، استفاده در تعمیر ساختمانهای در حال تخریب ، استفاده در جداره داخلی تونل ها برای جلوگیری از ریزش تونل و استفاده در رمپ ها برای جلوگیری از ریزش خاک را می توان از کاربردهای ساختمانی این الیاف دانست .

صنایع هواپیما سازی و هوافضا

سازه های داخلی کابین مسافرین اعم از پانل های جداره صندلی ها و میزها ، پوشش ها ، اجزای سازه ای ماهواره ها ، لبه بال هواپیماهای جنگنده ، نوک هواپیماهای مافوق صوت ، نازل موشک های دوربرد و قطعات حساس موتور هواپیماها نیز می توانند دارای الیاف کربن باشند .

صنایع پزشکی

الیاف کربن در ساخت استخوان مصنوعی ، اجزای تجهیزات پرتوی ایکس ، صندلی های چرخدار ، انواع اجزای مصنوعی بدن برای معلولین و دریچه قلب به کار می روند .

بخش انرژی

از جمله کاربردهای الیاف کربن در بخش انرژی ، می توان بدین موارد اشاره کرد : باتریهای سوختی ، پره های توربین و پره های آسیاب های بادی برای تولید برق از انرژی باد .

صنایع الکترونیک ، تجهیزات الکتریکی و ماشین سازی

این کاربردها عبارتند از : قاب رایانه های همراه ، اجزای رایانه ها ، بازوی ربات های صنعتی ، چرخ دنده ها ، غلتک ها ، چرخدنده های پرسرعت ، قطعات خود روغنکاری شونده ، آنتن ها ، مواد عایق الکتریکی ، مخازن تحت فشار ، غلتک چاپ گرها و قاب تلفن های همراه .