الیاف کربنی چیست؟

الیاف کربنی frp

الیاف کربنی رشته الیافی است که از حرارت دادن مواد آلی (ریون) که قسمت عمده ی آن کربن می باشد که با قرار دادن در محیط گازهای بی اثر بدست می اید. الیاف کربن مواد مختلفی از جمله  پلی اکریل نیتریل و قیر و … بدست می آید. الیاف کربن مشکی رنگ، غیر حلال در آب و بدون بو هستند. مقاومت بالایی در برابر اسید ها و باز ها و حلال های آلی دارند. الیاف کربن به شکل رول هایی به عرض ۵/۰ و طول ۱۰۰متر عرضه میشود. این الیاف به صورت یک جهته که در آن فیبر های کربن موازی با راستای صفر و دو جهته که در آن فیبر های کربنی در دو جهت صفر و نود برهم عمودند. الیاف کربن در زمینه‌های متعددی مانند تقویت، مقاوم سازی و تعمیر سازه‌ها، صنایع دفاعی، صنعت خودرو و بسیاری از صنایع مهم دیگر کاربرد دارد. الیافی که در ساخت کامپوزیت کربنی بکار می روند CFRP ها معمولا توسط عناصری به نام رزین‌های اپوکسی به اعضا و المان‌ها متصل شده و می‌توانند ظرفیت بارگذاری و مقاومت برشی و خمشی عناصر مختلف در سازه را افزایش دهند.

 الیاف کربن

الیاف های کربن مقاومت بالایی در برابر حرارت دارند، در نتیجه از جمله الیاف غیر قابل انفجار محسوب می شوند. سبک بودن فیبر کربن باعث می شود مقاومت و مدول داشته باشند که این همین امر سبب شده است که کاربرد گسترده ای در صنعت کامپوزیت و مقاوم سازی داشته باشد. بهترین مزایای الیاف کربنی مقاومت کششی بسیار بالای ان نسبت به وزن است. الیاف کربن در برابر اشعه X نفوذناپذیر است. رشته های الیاف کربن از فیبر کربنی ساخته می شود که در اشکال بلوری گوناگونی ساخته می شود. فیبر کربن ضریب الاستیک بالاتری نسبت به الیاف شیشه و کولار دارد. همچنین ضریب انبساط گرمایی الیاف کربن در دماهای مختلف کم است که این امر باعث میشود که اندازه ی الیاف کربن در دماهای مختلف ثابت و پایدار بماند. این الیاف کربنی با مدول الاستیسیته و مقاومت های کششی مختلف و با بافت های یک جهته و دو جهته برای بکارگیری در کامپوزیت و مقاوم سازی انواع سازه های بتنی تولید می گردد. صنعت هوافضا نخستین و در عین حال اصلی ترین مصرف کننده ی الیاف کربن است. زیرا این صنعت نیازمند موادی با وزن کم، سفتی و سختی زیاد، مقاومت بالا با ضریب انبساط حرارتی کم است.
CFRP بطور کلی، الیاف کربن یا فیبر کربن یکی از مقاوم ترین مصالح ساختمانی است، که مقاومت و مدول کششی فوق العاده  بالایی دارد. این محصول در صنایع فراوانی کاربرد داشته و از مهمترین کاربردها، کاربرد الیاف کربن در مقاوم سازی ساختمان ها و سازه  ها می باشد.
فیبر کربن متشکل از مواد غیر ایزوتراپی است. این بدین معناست که تمامی فیبرها دارای نقطه تلاقی در یک جهت از فشارهستند و اگر عملی غیر از این باشد نتیجه عکس خواهد داشت.برای مثال و درک بهتر باید بگویم که چوب ایزوتراپ نیست یعنی پس از حس کردن نیروی زیاد از هم متلاشی می شود اما آلومینیوم و مس اینگونه نیستند و در خود جمع می شوند و باید بگویم که فیبرکربن ۳ برابر محکمتر و ۴برابر سبک تر از فولاد است! از فیبر کربن برای تقویت مواد پلاستیکی استفاده می شود.این مواد به مناسبت سبکی ، استحکام ، صلابت و مقاومت خود در قبال خستگی وسایل قابل توجه است که یک نوع استفاده از آن در خودرو و نیز در تیونیگ خودروها مورد استفاده قرار می گیرد.

منابع تولید الیاف کربن عبارت است

  • الیاف کربنی ساخته شده از گیاهان یا سلولوزی
  • الیاف کربنی ساخته شده از قیر
  • الیاف کربنی ساخته شده از پلی اکریل نیتریل(PAN)

در حال حاضر پیشروی الیاف کربنی ساخته شده از قیر و پلی اکریل نیتریل (PAN)بیشتر میباشد.

مقایسه ی الیاف کربنی ساخته شده از قیر و پلی اکریل نیتریل

الیاف مصنوعی ساخته شده از پلی اکریل نیتریل (PAN)مقاومت بسیار بالایی دارد ولی از لحاظ هزینه مقرون به صرفه نیست. الیاف ساخته شده از قیر که از تقطیر زغال سنگ بدست می آید نسبت به الیاف مصنوعی ارزان تر است اما از مقاومت و مدول پایین تری برخوردار است. هم چنین الیاف مصنوعی از مدول بالاتری برخوردار است که همین امر سبب می شود تا نسبت به الیاف کربنی ساخته شده از قیر تغییر طولی کمتری داشته باشد.

مراحل و نحوه ی ساخت الیاف کربنی از مواد پلی اکریل نیتریل

  • ریسش و یا Spining

در این مرحله پلی اکریل نیتریل ها را به صورت رشته در می اورند  و سپس در دستگاه های ریسش به صورت فیبر در خواهند امد.

  • اکسیداسیون و یا Oxidation

در این مرحله فیبر ها در زمان حدود ۲ ساعت در حضور هوا و یا گاز های مناسب تحت درجه حرارتی حدود ۲۰۰ الی ۳۰۰ درجه سانتیگراد قرار می گیرند، به این مرحله نیز مرحله ی تثبیت سازی می گویند.

  • کربونیزاسیون و یا Carbonization

در این مرحله فیبر های کربنی باید در محیطی راکد و در حضور گاز نیتروژن در درجه حرارت ۱۰۰۰ تا ۱۷۰۰ قرار می گیرند. بعد از این مرحله خواص فیبر ها از جمله مدول کششی ۲۰۰_۳۰۰ گیگاپاسکال،مقاومت فشاری ۳ گیگاپاسکال و مدول برشی نیز ۱۵ گیگاپاسکال خواهد شد.

  • گرافیتاسیون و یا Graphitation

در این مرحله نیز فیبر هایی که دارای مدول کششی بالایی هستند در کوره های مخصوص در محیطی راکد تحت درجه حرارت ۲۵۰۰_۳۰۰۰ قرار می گیرند. خواص فیبر ها از جمله مدول کششی ۵۰۰_۶۰۰ گیگاپاسکال،مقاومت فشاری ۱۶ گیگاپاسکال و مدول برشی نیز ۱۰ گیگاپاسکال خواهد شد.بعد از این مرحله قطر الی  اف کربن به ۵ الی ۷ میکرون می رسد.

مراحل و نحوه ی ساخت الیاف کربن از  قیر

مهمترین منابعی که از قیر مورد استفاده قرار می گیرد پلی وینیل کلراید،آسفالت و قطران زغال سنگ است.به دلیل ارزان بودن مواد اولیه و بازده ی بالای این روش تولید الیاف کربن از این روش مورد توجه بسیار قرار گرفته است.در این روش قیر به سرعت بالایی ریسیده می شود و همچنین به سرعت سرد می شود (ذوب ریسی) .پایداری الیاف کربن از طریق پیوند های عرضی در محیط اکسیده کننده حاصل می شود.

دسته بندی الیاف کربن

الیاف کربن با توجه به تعداد فیلامنت، استحکام در برابر حرارت و مدول الاستیک تقسیم بندی شده اند.

تقسیم بندی  الیاف کربن بر اساس تعداد فلامنت:

الیاف دارای تعداد فیلامنت کمتر از ۲۴۰۰۰ به اصطلاح TOW  به معنای کوچک و تعداد فیلامنت بیشتر از ۲۴۰۰۰ توو سنگین نام گرفته اند.

تقسیم بندی الیاف کربنی بر اساس مدول یانگ و یا الاستیک از مشخصات مکانیکی است به صورت :

  • الیاف با مدول الاستیسیته بسیار بالا بیشتر از ۵۴۰ گیگاپاسکال
  • الیاف با مدول الاستیسیته بالا بین ۳۵۰ تا ۴۵۰ گیگاپاسکال
  • الیاف با مدول الاستیسیته متوسط بین۲۵۰ تا ۳۵۰ گیگاپاسکال
  • الیاف با مدول الاستیسیته پایین و مقاومت کششی گسیختگی بالا که مدول کمتر از ۲۰۰۰گیگاپاسکال و مقاومت کششی بیشتر از ۳۰۰۰ مگا پاسکال
  • الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا بیشتر از ۵۰۰۰ مگا پاسکال

تقسیم بندی می شود.

تقسیم بندی الیاف کربن بر اساس حرارت

  • الیاف MH   دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سلسیوس
  • الیاف SH  دمای حدود ۱۵۰۰ درجه سلسیوس
  • الیاف TH  دمای کمتر از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس

مزایای الیاف کربن

۱) نفوذ ناپذیر بودن الیاف کربن در برابر اشعه X و افزایش ظرفیت باربری

۲) مقاومت کششی و مدول الاستیسیته ی بسیار بالای الیاف کربن نسبت به وزن

۳) الیاف کربن رسانای برق هستند.

۴) ضریب انبساط گرمایی پایین الیاف کربن و بالا بودن ضریب الاستیک آن

۵) استحکام بالای خستگی الیاف کربن

۶)  تغییر طول بسیار پایین آن حدود ۱/۰

۷)  مقاوم در برابر محیط خورنده ی اسیدی و مواد شیمیایی

۸) الیاف کربن قوی تر از سایر مصالح سنتی مانند فولاد و ۷۰% سبکتر از فولاد است.

۹) الیاف کربن به دلیل وزن کم و دوام بیشتر جایگزین آلومینیوم در صنعت ساخت هواپیما شده اند.

۱۰)  قابلیت بافته شدن و تولید پارچه به دلیل انعطاف پذیر بودن الیاف کربن

۱۱)  الیاف کربن ۴ برابر بیشتر از فولاد و ۸ برابر بیشتر از آلومینیوم در تست کشش مقاومت دارد.

۱۲)  برخلاف سبک تر بودن الیاف کربن نسبت به سایر فلزات خم کردن ان دشوار تر است.

۱۳)  به دلیل بالا بودن انعطاف پذیری الیاف کربن می توان در زمینه ی مقاوم سازی از آن در سطوح منحنی به خصوص ستون دایره ای استفاده کرد.

۱۴)  افزایش ظرفیت باربری و افزایش مقاومت خمشی و برشی سازه

۱۵) الیاف کربن ضریب الاستیک بالایی نسبت به الیاف شیشه و کولار دارند.

معایب الیاف کربن

۱) کربن رسانای الکتریکی است که این امر سبب ایجاد اتصال کوتاه در قطعات غیر عایق می شود.

۲) پایین بودن مقاومت ضربه ای الیاف کربن در برابر ضربه ی ناگهانی

۳) قیمت الیاف کربن

۴) کرنش در شکست

۵) به دلیل تغییر طول محدود (حدود ۱/۰) الیافی ترد به حساب می آیند.

کاربرد الیاف کربن در صنعت عمران

امروزه ، الیاف کربن به عنوان ماده تقویت کننده ای در انواع کامپوزیت ها با زمینه های مختلف نظیر هواپیما های تجاری ، صنایع حمل و نقل ، ساختمان و … جانشین بسیاری از مواد مهندسی مرسوم شود.

یکی از روش ها برای مقاوم سازی و تعمیر ساختمان ها و سازه های بتنی استفاده از  مواد پلیمری است.به گونه ای که استفاده از انواع کامپوزیت ها از اواسط سال ۱۹۸۰ توجه مهندسین را به خود جلب کرده است. این سیستم نیز در سازه های چوبی، فولادی و بنایی کاربرد دارد. سیستم CFRP که از انواع کامپوزیت پر استفاده در صنعت ساختمان سازی است که در آن رشته ی الیافی از جنس کربن است. این سیستم یک جایگزین مناسب برای روش های تقویت سازه ها در قدیم مانند ژاکت فولادی و پوشش های بتنی است به صورتی که علاوه بر مقاوم سازی سازه باعث مقاومت سازه در برابر خورندگی، کاهش وزن سازه می گردد.

برخی از دلایل مقاوم سازی ساختمان عبارت است

  • مقاوم سازی لرزه ای برای رعایت الزامات آیین نامه های موجود
  • آسیب های وارده ناشی از تصادفات و یا شرایط محیطی
  • وجود اشتباه در طراحی اولیه
  • تغییر کاربری سازه
  • افزایش ظرفیت سازه ای

اعضای یک سازه امکان دارد به دلایل مختلفی از جمله نداشتن سختی، کمبود مقاومت، شکل پذیری و ماندگاری نیاز به مقاوم سازی داشته باشد. الیاف کربن و کامپوزیت های آن در مقاوم سازی ساختمان مسلح کاربرد زیادی دارد. استفاده از تیر کربنی باعث نازک شدن دیوار می شود در نتیجه استفاده بهینه از فضا می شود.مخلوط کردن الیاف کربن با آسفالت باعث می شود استحکام و ثبات ابعادی آن افزایش یابد.کربن قطر آسفالت را ۳۵/۰ کاهش می دهد و عمر آن را بیش از ۲ برابر می کند.

موارد کاربرد_الیاف کربن در دیگر صنایع

الیاف کربن در صنایع هوافضا

صنایع هوافضایی از نخستین و در عین حال از اصلی ترین مصرف کنندگان الیاف کربن هستند. در این صنایع، به موادی با وزن کم، سفتی بالا، و مقاومت ویژه زیاد همراه با ضریب انبساط حرارتی کم نیاز است. به عبارت دیگر، در کاربردهای هوافضایی، به علت شرایط خاص و نیاز به کیفیت های بسیار بالا، موادی با خواص ویژه و منحصر به فرد با کارایی بالا را شناسایی و انتخاب می کنند. الیاف کربن یکی از بهترین انتخابها برای این کاربردها هستند و یکی از اجزای کلیدی در مواد کامپوزیتی مورد استفاده در صنایع هوافضایی و دفاعی محسوب می شوند .

  • استفاده ی پرکاربرد در صنعت هوافضا به دلیل وزن کم و دوام بالاتر از آلومینیم
  • استفاده از الیاف کربن در ارتش به دلیل وزن پایین آن در ساخت هواپیما و هلیکوپتر به طوریکه یک قطعه از فیبر کربن یک سوم یک قطعه ی فولادی وزن دارد.

الیاف کربن در صنایع ورزشی

  • استفاده از الیاف کربن و فیبر کربن در ساخت تجهیزات ورزشی مانند راکت تنیس و کمان ها و …

الیاف کربن در صنایع خودروسازی

  • استفاده از الیاف کربن و فیبر کربن در صنعت خودروسازی برای ساخت اتاقک و قالب های صندلی

الیاف کربن در صنایع پزشکی

استفاده از این محصول در صنایع پزشکی و ساختن اندام مصنوعی بدلیل داشتن خاصیت رادیوسنتری بالا

  • استفاده از الیاف های کربنی و فیبر کربنی در توربین های بادی به دلیل استحکام و دوام بالاتر نسبت به الیاف شیشه
  • استفاده از الیاف کربن و فیبر کربن برای کاهش الکتریسیته ی ساکن تولید شده در رایانه های لپ تاب و چاپگر ها به دلیل رسانا بودن الیاف کربن

الیاف کربن در صنایع دفاعی

در صنایع فضایی، کامپوزیت های زمینه فلزی آلومینیوم و منیزیم با تقویت کننده الیاف کربن از مهم ترین موادی هستند که در سازه های فضایی نظیر ایستگاه فضایی فریدام (Freedom) آمریکا به کار برده شده اند. همچنین، کامپوزیت های الیاف کربن با زمینه اپوکسی از دهه ۷۰ میلادی به بعد، در ماهواره های پروب های فضایی و آنتن ها به عنوان جانشین آلیاژهای آلومینیوم به کار رفته اند. علاوه بر این، بسیاری از قطعات موشکها نظیر سپر حرارتی، مخزن سوخت و تقویت کننده ها در موشک فضایی تیتان (Titan) و موشکهای استراتژیک نظیر تریدنت (Trident) و همچنین دماغه و بوستر فضاپیمای شاتل نیز از کامپوزیت های پلیمری با کربنی با تقویت کننده الیاف کربن ساخته شده اند

شرایط نگهداری الیاف کربن

الیاف و فیبر کربن باید در محیطی خشک دمای ۴ تا ۴۰ درجه سانتی گراد و دور از تابش نور خورشید نگهداری شود.

الیاف کربنی چیست؟
5 (100%) 9 vote[s]

12 thoughts on “الیاف کربنی چیست؟

    • امیر محمد بنایی says:

      طبق ضوابط نشریه ۳۴۵ جهت مقاوم سازی ساختمان های بتنی شرایطی محدودیت هایی در جهت استفاده از الیاف FRP وجود دارد از جمله :مقاومت کششی و فشاری بتن کمتر از ۱٫۴ و ۱۷ مگاپاسگال نباید باشد.
      درجه سردی و گرمی هوا بیش از دمای مورد تایید سازنده مواد FRP نباشد.

  1. تهرانی says:

    سلام
    برای تعمیر آسیب های کوچک همانند ترک موضعی و خراشیدگی هایی که بر روی ورق های FRP اتفاق می افتد چه راهکاری وجود دارد ؟

    • امیر محمد بنایی says:

      با سلام واحترام
      آسیب های کوچک مانند ترک و خراشیدگی انسجام ساختار ورق را تحت تاثیر قرار می دهد. میتوان با وصله تکه های FRP تعمیر کرد.

    • امیر محمد بنایی says:

      با سلام و احترام
      الیاف و فیبر کربن به طور کلی به دو روش PAN Base و Pitch Base تولید میشود و فیبر کربن به دست آمده از هر روش دارای ویژگی خاص خود را می باشد به طور مثال فیبر کربن به دست آمد از روش Pitch Base ارزان قیمت بوده و دارای مدول الاستیسیته بالا و هدایت الکتریکی خوب می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر به صفحه الیاف کربن و روش تولید آن مراجعه کنید.

    • امیر محمد بنایی says:

      با سلام و احترام
      مقاوم سازی ستون های بتنی با الیاف FRP ضمن افزایش ظرفیت برشی ستون، مدگسیختگی آن را از حالت برشی به خمشی تغییر داده و شکل پذیری را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

با ما آنلاین گفتگو کنید

+۹۸-۹۱۰۴۹۷۷۸۷۱