ALPHAsanat

الیاف کربن

وبلاگ

۱۴ خرداد ۱۳۹۹ 30 بازدید
ALPHAsanat
الیاف کربن

الیاف کربن

الیاف کربن (Carbon Fibers)، الیافی به ضخامت ۵ تا ۱۰ میکرومتر است و عمدتا از اتم های کربن تشکیل شده است. الیاف کربن دارای مزایایی مانند سختی بالا، مقاومت کششی زیاد، وزن کم، مقاومت شیمیایی زیاد، تحمل حرارت بالا و انبساط گرمایی پایین است. این ویژگی ها، الیاف کربن را در صنایع فضایی، مهندسی عمران، صنایع نظامی و … به ماده ای پرکاربرد تبدیل کرده است. با این حال الیاف کربن نسبت به دیگر الیاف ها مانند الیاف شیشه یا الیاف پلاستیکی گران تر می باشد.

معمولا الیاف کربن با دیگر مواد ترکیب می شوند و کامپوزیت ها را شکل می دهند. هنگامی که الیاف کربن با پلاستیک آغشته می گردد، در اتوکلاو در معرض حرارت قرار می گیرد و به پلیمر تقویت شده با الیاف کربن تبدیل می شود که دارای نسبت مقاومت به وزن بالایی است و علیرغم ترد بودن آن، بسیار سخت می باشد. همچنین الیاف کربن با مواد دیگر مانند گرافیت ترکیب می گردد تا الیاف کربن تقویت شده با تحمل گرمای بالا را شکل دهد.

تاریخچه الیاف کربن

جوزف سوان (Joseph Swan) در سال ۱۸۶۰ برای اولین بار الیاف کربن را به منظور استفاده در لامپ تولید کرد. در سال ۱۸۷۹، توماس ادیسون (Thomas Edison) نخ های کتان را در معرض حرارت بالا قرار داد تا برای استفاده در لامپ، به رشته های الیاف کربن تبدیل گردند.

راجر بیکن (Roger Bacon) در سال ۱۹۵۸ با حرارت دهی به ابریشم مصنوعی، الیاف کربنی با عملکرد بالا ساخت. این فرآیند ثابت کرد که به دلیل وجود تنها ۲۰ درصد کربن و در این الیاف ضعف در ویژگی های قدرت و سختی، ناکارآمد است. در دهه ۶۰ میلادی دکتر آکیو شیندو (Akio Shindo) با استفاده از پلی اکریلونیتریل (Polyacrylonitrile) به عنوان ماده خام الیاف کربنی تولید کرد که حاوی تقریبا ۵۵ درصد کربن بود. در سال ۱۹۶۰ ریچارد میلینگتون (Richard Millington) با استفاده از ابریشم مصنوعی الیاف کربنی با ۹۹ درصد کربن تولید کرد که برای تقویت کامپوزیت هایی با ویژگی های قدرت و وزن بالا و مقاوم در برابر گرما (مدول الاستیسیته و مقاومت کششی بالا) کافی بود.

در سال ۱۹۶۳ گروهی از دانشمندان نیروی هوایی سلطنتی بریتانیا در شهر فارن بورو، همپشایر، الیاف کربنی با بالاترین قدرت ممکن را اختراع کردند. امتیاز این اختراع به نام وزارت دفاع بریتانیا ثبت گردید و سه شرکت رولز-رویس، مورگانیت و کورتالدز تحت لیسانس بنگاه توسعه پژوهش ملی بریتانیا (British National Research Development Corporation)، تولید الیاف کربن را آغاز کردند. پیش از این نیز شرکت رولز-رویس تولید الیاف کربن را آغاز کرده بود. طی چند سال بعد، پس از موفقیت استفاده الیاف کربن هایفیل در تیغه فن موتور هواگرد رولز-رویس کانوی (Rolls-Royce Conway) جت ویکرز وی سی ۱۰ (Vickers VC10)، رولز-رویس از این موقعیت استفاده کرد و با استعمال الیاف کربن در تیغه فن موتور هواگرد رولز-رویس آربی ۲۱۱ (Rolls-Royce RB211)، بازار آمریکا را در دست گرفت، اما این تیغه ها در برابر برخورد پرندگان آسیب پذیر بودند. این مشکل و دیگر مسائل سبب شد تا رولز-رویس به شرکت کوچک تری تبدیل گردد.

از طرف دیگر شرکت مورگانیت تصمیم گرفت تا تولید الیاف کربن را به عنوان بخشی حاشیه ای از کسب و کار خود لحاظ کند و بدین ترتیب شرکت کورتالدز به بزرگترین تولید کننده الیاف کربن بریتانیا تبدیل شد. فرآیند غیر ارگانیک مبتنی بر آب شرکت کورتالدز، الیاف کربنی را تولید کرد که در برابر ناخالصی، مستعد بود و بدین ترتیب، این شرکت هم در سال ۱۹۹۱، تولید الیاف کربن را متوقف کرد.

در دهه ۶۰ میلادی در آزمایشگاه با فراوری نفت خام، الیاف کربنی تولید گردید که حاوی ۸۵ درصد کربن و دارای مقاومت خمشی بالا بود. همچنین در این زمان دولت ژاپن از توسعه الیاف کربن در شرکت های بزرگی مانند تورای (Toray)، نیپون کربن (Nippon Carbon)، توهو رایان (Toho Rayon)، میتسوبیشی (Mitsubishi) و حتی خانه ها حمایت کرد. از اواخر دهه ۷۰ میلادی انواع بیشتری از الیاف کربن وارد بازار جهانی شد که دارای مدول های الاستیسیته و مقاومت کششی بالا بودند.

کاربرد های الیاف کربن

در سال ۲۰۱۲ تقاضای جهانی برای الیاف کربن ۷/۱ میلیارد دلار بود. این رقم از ۲۰۱۲ تا ۲۰۱۸، سالانه با رشد ۱۰ تا ۱۲ درصدی مواجه بود. بیشتر تقاضای الیاف کربن به صنایع هوایی و فضایی، انرژی بادی و خودرو تعلق دارد.

اشتراک گذاری Telegram Facebook WhatsApp Twitter
برچسب‌ها: