فیبر کربن برای اولین بار در سال 1879 وارد علم شد، زمانی که ادیسون از آن به عنوان یک رشته با استحکام بالا برای روشنایی الکتریکی استفاده کرد. تا اوایل دهه شصت بود که تولید فیبر کربن برای عملیات ارتش و استفاده در هواپیماهای جنگی آغاز شد.
احتمالاً یکی از ضروری‌ترین عملکردهای الیاف کربن در تقویت و جادو کردن سازه‌ها و کامپوزیت‌ها و همچنین در موارد غیرنظامی مشابه هواپیمای مسافربری و باری، خودروسازی و ساخت قطعات تجاری، صنایع پزشکی، صنایع اوقات فراغت، فعالیت‌های ورزشی است. و غیره الیاف کربن در کامپوزیت ها با رزین های اپوکسی یا رزین های مختلف استفاده می شود. کامپوزیت فیبر کربن بهترین گزینه شماست در مواردی که انرژی و سفتی بیش از حد با وزن کم و خواص متمایز مقاومت در برابر خوردگی مورد توجه قرار می گیرد. انرژی مکانیکی در دماهای بیش از حد، خنثی بودن شیمیایی و مقاومت در برابر نفوذ بیش از حد از مزایای مختلف این الیاف است.
ایالات متحده تقریباً 60 p.c از تولید جهانی الیاف را مصرف می کند، در حالی که ژاپن تلاش می کند تا 50 p.c از تولید جهانی را محقق کند. ژاپن با استفاده از شرکت صنعتی توری بزرگترین تولید کننده فیبر کربن در جهان است. ژاپن می تواند بزرگترین تولید کننده فیبر کربن با استفاده از پرایمر قیر باشد.
فیبر کربن:
فیبر کربن الیافی است که کمتر از 90 درصد کربن را در خود جای می دهد و از تجزیه در اثر حرارت مدیریت شده الیاف خاص به دست می آید. دوره زمانی الیاف گرافیت برای الیاف با محتوای کربن بیش از 99٪ استفاده می شود.
تعدادی الیاف به عنوان پیش ساز تولید الیاف کربن وجود دارد که خواص متمایزی دارند. اساساً متداول‌ترین الیاف پس‌زمینه الیاف پلی اکریلونیتریل، الیاف سلولزی (شبیه به ابریشم مصنوعی و پنبه چسبناک)، قیر قطران زغال سنگ و الیاف فنلی خاص هستند.
الیاف کربن از تجزیه در اثر حرارت پس زمینه های طبیعی که می تواند در نوع الیاف باشد ساخته می شود. گرم درمانی قسمت هایی شبیه به اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن را حذف می کند و کربن را در نوع الیاف باقی می گذارد. تحقیقات روی فیبر کربن ثابت کرده است که خواص مکانیکی فیبر کربن با رشد دیپلم کریستالیزاسیون و جهت الیاف زمینه و کاهش عیوب آن بهبود می یابد. ساده‌ترین راه برای دستیابی به فیبر کربن با خواص مناسب، استفاده از احتمالاً جهت‌یافته‌ترین الیاف و مراقبت از آن در فرآیندهای تثبیت و کربن‌سازی با استفاده از کشش در طول دوره است.
خواص فیبر کربن:
الیاف کربن سیاه رنگ، بی بو و نامحلول در آب هستند. آنها در برابر اسیدها، بازها و حلال های طبیعی مصون هستند. آنها غیر ذوب و غیر انفجاری هستند. این الیاف به طور گسترده در تجارت کامپوزیت استفاده می شود. کشش و مدول را افزایش می دهد. الیاف کربن تا حد زیادی در ساخت عناصر کامپوزیت هوا، مخازن استرس و تقویت FRP در ساختمان ها استفاده می شود.
انواع الیاف کربن:
الیاف کربن را می‌توان به تیم‌های کاملاً متفاوتی تقسیم کرد که عمدتاً بر اساس انواع رشته‌ها، مدول یانگر، انرژی و دمای نهایی گرما درمانی و نوع مواد پخته نشده است.
طبقه بندی بیشتر بر اساس ویژگی های بدن:
- فیبر کربن با مدول جوانتر واقعاً بیش از حد بیش از 450 گیگا پاسکال
- مدول فیبر بیش از حد الیاف کربن بین 350 تا 450 گیگا پاسکال
- فیبر کربن یانگ با مدول میانه بین 250 تا 350 گیگا پاسکال
- فیبر کربن با انرژی کششی بیش از حد و مدول یانگ کم، انرژی کششی بیشتر از 3 گیگا پاسکال و مدول یانگ کمتر از 200
- فیبر کربن با انرژی کششی بسیار زیاد، بیش از 5 گیگا پاسکال
- کلاس بر اساس نوع پیش زمینه:
- فیبر کربن با زمینه اکریلیک (پلی اکریلونیتریل).
- الیاف کربن با زمینه قیر صنعتی
- فیبر کربن با زمینه قیر مزوفاز
- فیبر کربن با زمینه قیر همسانگرد
- فیبر کربن با زمینه الیاف ویسکوز ابریشم مصنوعی (ریون)
- فیبر کربن با پس زمینه بخش بنزین
- طبقه بندی عمدتا بر اساس آخرین دمای گرم درمانی:
- الیاف نوع 1، دمای گرما درمانی بالای 2000 درجه سانتیگراد، الیاف HM
- نوع 2 فیبر، دمای گرما درمانی بالای 1500 درجه سانتیگراد، الیاف HS
- نوع 3 فیبر، دمای گرم درمانی بالای 1000 درجه سانتیگراد، الیاف کم انرژی
تقسیم الیاف کربن بر اساس نوع مواد نپخته:
در حال حاضر سه منبع برای تولید این الیاف وجود دارد:
- الیاف کربن تولید شده از محصولات زراعی یا سلولز
- الیاف کربن ساخته شده از قیر یا زمین
- الیاف کربن ساخته شده از نیتریل پلی اکریلیک (PAN)
نوع بافت فیبر کربن:
پارچه کربنی یکی از دستاوردهای ضروری و پرکاربرد بشر در دهه آخر بود. مواد کربنی از الیاف کربن ساخته و بافته می شود که در مقایسه با فایبرگلاس (الیاف شیشه) و کولار (آرامید) ضریب کشسانی بیشتری دارد.
مواد این الیاف در 3 نوع تولید می شود که هر کدام از آنها می باشد.
برای یک ابزار انتخابی در نظر گرفته می شود:
1- بافت ساده:
بافت ساده بهترین و متداول ترین نوع بافت کربنی است که به وسیله آن تارهای تاروپود در یک سمت مقابل قرار می گیرند. این ماده متقارن است و از ثبات ابعادی خوبی برخوردار است. یکی دیگر از ویژگی های این بافت، افتادگی کم مواد در نتیجه بافت متراکم آن است.
2- بافت تویل:
بافت Twill را می توان به عنوان غیرمستقیم به دلیل دیده شدن آن در کف مادی موجدارهای غیرمستقیم شناخته شد. یکی از این بافت ها به توسعه فازهای نخ تار نسبت داده می شود. بافت Twill به دلیل انعطاف پذیری آن نسبت به بافت ساده در سطوح منحنی کامپوزیت بیشتر استفاده می شود.
3- بافت یک طرفه (UD):
به طور مثبت به عنوان مواد فیبر کربنی تک جهتی شناخته می شود که کمتر از 90٪ وزن مواد را در یک مسیر واحد (نخ یا ماده) ندارند. درست در اینجا، نخ های ترموپلاستیک و مذاب در مسیرهای مختلف برای تثبیت آنها در محل خود در نتیجه گرما، نرم شدن و چسبیدن به نخ های کربنی استفاده می شود.
متدولوژی ساخت فیبر کربن:
الیاف اکریلیک به دلیل داشتن بیش از 55 درصد کربن در ساخت آنها موثرترین پیش شرط برای تولید الیاف هستند. ساخت الیاف کربن از پس زمینه الیاف پلی اکریلونیتریل دارای سه مرحله اساسی است:
1- مرحله تثبیت اکسیداسیون: در این مرحله الیاف اکریلیک تحت گرم درمانی اکسیداسیون در دمای 200 تا 300 درجه سانتی گراد به طور همزمان با استفاده از فشار قرار می گیرند. این عملیات پلی اکریلونیتریل را با ساختار نردبانی یا حلقه ای به مخلوط تبدیل می کند.
2- مرحله کربنیزاسیون: پس از اکسیداسیون، چند ساعت در فضایی بی طرف (معمولاً نیتروژن) بدون کشش در دمای 1000 درجه سانتیگراد تحت گرم درمانی کربنیزه قرار می گیرد. در طول این دوره، قطعات غیر کربنی پرتاب می شود و الیاف کربن با ثبات جرمی پنجاه درصد نسبت به اولین الیاف اکریلیک به دست می آیند.
3- مرحله گرافیت: مطابق با نوع الیاف کربن، در مورد ضریب کشسانی و استفاده از این مرحله در دمای 1500 تا 3000 درجه سانتیگراد، دیپلم جهت گیری کریستال های کربن در مسیر حرکت را بهبود می بخشد. محور فیبر و به همین دلیل باعث بهبود خواص می شود.
علاوه بر این، ساخت فیبر کربن از پس‌زمینه‌های مختلف، مراحل اساسی تقریباً یکسانی دارد.
خواص ساختاری الیاف کربن ممکن است توسط میکروسکوپ الکترونی و پراش اشعه ایکس مورد بررسی قرار گیرد. نه مانند گرافیت، ساختار کربن بدون نظم سه بعدی است. در الیاف کربن مبتنی بر پلی اکریلونیتریل، ساخت الیاف از ساختار زنجیره ای خطی به ساخت صفحه در سراسر تثبیت اکسیداسیون و کربنیزاسیون بعدی تغییر می کند. به این ترتیب صفحات اصلی در مسیر محور طولی الیاف در انتهای مرحله کربنیزاسیون قرار می گیرند. تحقیقات پراش اشعه ایکس با زاویه مبدا نشان می‌دهد که با افزایش دمای کربنیزاسیون، قسمت بالای تجمع و مقدار جهت‌گیری صفحات اصلی افزایش می‌یابد.
خواه مرحله تثبیت به درستی تمام شود، پس انرژی کششی و ضریب الاستیسیته با کربنیزاسیون زیر فشار، احتمالاً در آخرین محصول فیبر کربنی به میزان قابل توجهی افزایش خواهد یافت. انرژی الیاف کربن به نوع زمینه، شرایط، دمای گرما درمانی و وجود نقص های ساختاری در الیاف نشان داده می شود.