الیاف کربن (CFRP) چیست؟

الیاف فیبر کربن نخستین بار در سال 1879 میلادی زمانی که ادیسون از این ماده به عنوان رشته پر مقاومت در ایجاد روشنایی الکتریکی استفاده کرد، پای به عرصه علم گذاشت. در آغاز دهه 1960 بود که تولید موفق تجاری الیاف FRP، با برای کاربرد در هواپیمای جنگی آغاز شد.در حقیقت اولین کاربرد الیاف کربن در صنایع نظامی بود.

از مهم‌ترین کاربردهای الیاف کربن در مقاوم‌سازی و بهسازی سازه‌ها و ساخت کامپوزیت‌ها بوده و همچنین در  موارد غیرنظامی مانند هواپیماهای مسافربری و باربری خودروسازی و ساخت قطعات صنعتی، صنایع پزشکی، صنایع تفریحی، ورزشی و… کاربرد دارد. الیاف کربن در کامپوزیت‌ها به همراه رزین اپوکسی یا سایر رزین‌ها استفاده می‌شود. کامپوزیت الیاف کربن در مواردی که استحکام و سختی بالا به همراه وزن کم و ویژگی‌های استثنایی مقاومت در برابر خوردگی مدنظر باشند، بهترین گزینه موجود است. مقاومت مکانیکی در دمای بالا، خنثی بودن از لحاظ شیمیایی و ویژگی ضربه‌پذیری بالا نیز از دیگر مزایای این الیاف می‌باشد.

آمریکا نزدیک به 60 درصد تولید جهانی این الیاف را به مصرف می‌رساند در حالی که ژاپن تلاش می‌کند به میزان مصرفی برابر با 50 درصد تولیدات جهانی این محصول دست یابد. ژاپن به واسطه شرکت صنعتی توری، خود بزرگ‌ترین تولیدکننده الیاف کربن در جهان است. هم‌چنین عمده‌ترین تولیدکننده الیاف کربن cfrp با استفاده از پیش‌زمینه قیر، ژاپن است.

الیاف کربن:

الیاف کربن (CFRP) چیست؟ فیبر کربن به الیافی گفته می‌شود که دست کم دارای 90 درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می‌آیند. اصطلاح الیاف گرافیتی در مورد الیافی به کار می‌رود که کربن آن‌ها بیش از 99 درصد باشد .

انواع گوناگونی از الیاف به‌عنوان پیش‌زمینه تولید فیبر کربن وجود دارد که دارای ویژگی‌های انحصاری هستند. پرمصرف‌ترین الیاف پیش‌زمینه عبارتند از : الیاف پلی اکریلونیتریل ، الیاف سلولزی (مانند ریون ویسکوز و پنبه) ، قیر حاصل از قطران ذغال سنگ و نوع ویژه‌ای از الیاف فنلیک .

الیاف کربن (CFRP) از طریق پیرولیز پیش‌زمینه آلی که به شکل الیاف هستند، ساخته می‌شود. انجام عملیات حرارتی موجب حذف عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن و باقی ماندن کربن به شکل الیاف می‌شود. در پژوهش‌هایی که بر روی الیاف کربن انجام‌شده مشخص گردیده که ویژگی مکانیکی فیبر کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت‌گیری الیاف پیش‌زمینه و کاهش نواقص موجود در آن بهبود می‌یابد. بهترین راه برای دست‌یابی به الیاف کربن با ویژگی‌های مناسب، استفاده از الیاف پیش‌زمینه با بیشترین مقدار جهت‌گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدارسازی و کربنیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فرآیند است.

آشنایی با پارچه کربن: خواص، ویژگی ها و کاربردهای آن

کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با الیاف کربن، موادی فوق العاده مستحکم و بسیار با دوام هستند و به صورت خارجی برای تقویت سازه های بتنی استفاده می شوند. ترمیم و تقویت سازه با استفاده از این نوع تقویت کننده، به هیچ گونه تخریب و یا تعویض ساختاری در سازه های موجود مانند جایگزینی تیرهای بتنی، دال های معلق و ستون های سازه ای، نیازی ندارد. این روش، یک روش کاملا مقرون به صرفه برای تقویت سازه هایی است که دارای بارهای اضافی هستند و یا طراحی نامناسبی دارند.

تقویت کننده های الیاف فیبر کربن، یک پارچه بافته شده کربنی در ماتریس رزین پلیمری هستند که خواص و ویژگی آن ها، به نوع و ساختار ماتریس و همچنین به نسبت پلیمر به الیاف در آن ها بستگی دارد. این نوع تقویت کننده ها نسبت استحکام به وزن بسیار بالایی دارند.

زمینه های کاربردی الیاف FRP عبارتند از:

• تعمیر ستون ها و تیرهایی که کمی آسیب دیده اند.
• تقویت و ترمیم خوردگی و آسیب دیدگی پل ها، راهروها، ستون ها و تیرها
• تعمیر آثار تاریخی، گنبد و مناره های مساجد
• تقویت سازه هایی که تغییر کاربری داده اند.
• ترمیم مکان هایی که کیفیت بتن آن ها پس از انجام پروژه استاتیک، دچار مشکل شده است.

مزایای الیاف کربن (CFRP) کدام است؟

• تقویت کننده های CFRP که در خاموت ستون استفاده می شود، به عنوان یک خاموت اضافی عمل کرده و موجب تقویت ستون می شود.
• ظرفیت تنش برشی ستون را افزایش می دهد.
• زمانی که از تقویت کننده های CFRP در ستون های استوانه ای استفاده می شود، ظرفیت باربری عمودی ستون را افزایش می دهد.
• همچنین زمانی که از تقویت کننده های CFRP در دیوارها استفاده می شود، از متلاشی شدن آن ها در برابر ضربه و انفجار جلوگیری می کند.
• اما زمانی که تقویت کننده های الیاف فیبر کربن به طور کامل دور ستون پیچیده می شوند، قابلیت کششی ستون را به میزان بسیار زیادی افزایش داده و در نتیجه در تنش های بزرگ تر، ستون دچار شکست نمی شود.
• بارزترین مزیت روش تعمیر با استفاده از تقویت کننده های CFRP این است که چندین برابر روش های متداول می تواند موجب استحکام سازه شود. حتی اگر تنها چند میلی متر ضخامت داشته باشد!
• در عین حالی که از فولاد سبک تر است، استحکام بیشتری نیز دارد. مشکل خوردگی ندارد و به راحتی می توان آن را شکل داد.

ویژگی الیاف کربن (CFRP) چیست؟

الیاف کربن به رنگ سیاه، بدون بو بوده و قابل حل در آب نمی‌باشند، در مقابل اسیدها، بازها و حلال‌های آلی مقاوم، ذوب نشدنی و غیرقابل انفجار هستند .این الیاف کاربرد گسترده‌ای در صنعت کامپوزیت دارد که علاوه بر سبکی در قطعات به آن‌ها استحکام کششی و مدول بالا می‌دهد. بیشترین کاربرد الیاف کربن در ساخت قطعات کامپوزیت هوایی، مخازن تحت‌فشار و مقاوم‌سازی با FRP  در ساختمان‌ها می‌باشد.

انواع الیاف FRP:

الیاف کربن (CFRP) را می‌توان بر اساس تعداد فیلامنت و مدول یانگ و استحکام و دمای نهایی عملیات حرارتی و نوع ماده اولیه به گروه‌های مختلفی تقسیم‌بندی کرد.

دسته‌بندی بر اساس خصوصیات فیزیکی:

الیاف کربن با مدول یانگ بسیار بالا بیشتر از 450 گیگاپاسکال

الیاف کربن با مدول یانگ بالا بین 350  تا 450 گیگاپاسکال

الیاف کربن با مدول یانگ متوسط بین 250 تا 350 گیگاپاسکال

الیاف کربن با استحکام کششی بالا و مدول یانگ پایین ، استحکام کششی بیش از 3 گیگاپاسکال و مدول یانگ کمتر از 200

الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا ، بیشتر از 5 گیگاپاسکال

دسته بندی انواع فیبر کربن بر اساس نوع پیش زمینه:

الیاف کربن (CFRP) با پیش زمینه الیاف اکریلیک (پلی اکریلونیتریل)

الیاف کربن با پیش زمینه قیر صنعتی

الیاف کربن با پیش زمینه قیر مزو فاز

الیاف کربن (CFRP) با پیش زمینه قیر ایزوتروپیک

الیاف کربن با پیش زمینه الیاف ویسکوز ریون (ابریشم مصنوعی)

الیاف کربن با پیش زمینه فاز گازی

دسته‌بندی بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی:

الیاف نوع 1 ، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 2000 درجه سانتی‌گراد ،الیاف HM

الیاف نوع 2، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 1500 درجه سانتی‌گراد ،الیاف  HS

الیاف نوع 3 ، دمای عملیات حرارتی بالاتر از 1000 درجه سانتی‌گراد، الیاف با استحکام پایین

تقسیم‌بندی الیاف کربن برحسب نوع ماده اولیه :

در حال حاضر سه نوع منبع برای تولید این الیاف وجود دارد :

• الیاف کربن ساخته‌شده از گیاهان یا سلولزی
• الیاف کربن ساخته‌شده از قیر یا  pitch
• الیاف کربن ساخته‌شده از پلی اکریل نیتریل ( PAN )

در ادامه برای آشنایی بیشتر با مقاومت الیاف کربن مطالعه مقاله “فیبر کربن  CFRP” را پیشنهاد می کنیم.

نوع بافت الیاف کربن (CFRP):

پارچه کربن یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین دستاوردهای بشر در دهه گذشته بود. پارچه کربن از الیاف کربن تهیه و بافته می‌شود که در مقایسه با فایبرگلاس (الیاف شیشه) و پارچه کولار (آرامید) از ضریب الاستیسیته بهتری برخوردار است.

پارچه‌های این الیاف در 3 نوع تولید می‌شود که هرکدام از این نوع بافت‌ها برای یک کاربرد خاص موردتوجه قرار می‌گیرد:

1- بافت ساده (plain) :

بافت تافته یا Plain ساده‌ترین و رایج‌ترین نوع بافت پارچه کربن است، بطوریکه نخ‌های تاروپود یک‌درمیان رو و زیر قرار می‌گیرند .پارچه متقارن بوده و از ثبات ابعادی خوبی برخوردار است. از ویژگی‌های دیگر این بافت افتادگی کم پارچه به دلیل بافت متراکم آن است.

2- بافت کجراه (Twill) :

به بافت Twill کجراه نیز اطلاق می‌شود چون در سطح پارچه راه‌راه های اریبی مشهود است. این نوع بافت در اثر پیشروی مرحله‌ای نخ‌های تار به وجود می‌آید. بافت Twill به دلیل انعطاف‌پذیری نسبت به بافت Plain  بیشتر در ساخت سطوح منحنی کامپوزیتی بکار می‌رود.

3- بافت تک جهته (UD) :

طبق تعریف به پارچه‌ای الیاف کربن تک جهته یا Uni-Directional carbon fiber اطلاق می‌شود که حداقل 90 % وزن پارچه در یک‌جهت (تار یا پود) باشد. اینجا از نخی ترموپلاست و قابل ذوب در جهت دیگر استفاده می‌شود تا در اثر حرارت و نرم شدگی و اتصال به نخ‌های کربن، آن‌ها را در موقعیت خود تثبیت نماید.

تمامی انواع الیاف کربن ذکر شده در انواع و گرماژهای متفاوت عرضه می گردند از جمله :

پارچه الیاف کربن ۲۰۰ گرمی حصیری

پارچه الیاف کربن 200 گرمی دو جهته

پارچه الیاف کربن 200 گرمی تک جهته

الیاف کربن دو جهته ۳۰۰ گرم

پارچه کربنی 200 گرمی

الیاف کربن تک جهته ۳۰۰ گرم

روش تولید الیاف کربن:

الیاف اکریلیک به دلیل دارا بودن بیش از 55% کربن در ساختار خود یکی از بهترین پیش زمینه‌ها جهت تولید الیاف می‌باشند. طرز تهیه الیاف کربن از پیش‌زمینه الیاف پلی اکریلونیتریل دارای سه مرحله اساسی است:

1- مرحله پایدار سازی اکسیداسیونی: در این مرحله الیاف اکریلیک هم زمان با اعمال کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی 200 تا 300 درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد. این عملیات پلی اکریلونیتریل را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه‌ای تبدیل می‌کند.

2- مرحله کربونیزاسیون: بعد از اکسیداسیون ، بدون اعمال کشش در پیرامون دمای 1000 درجه سانتی‌گراد در محیط خنثی ( معمولاً نیتروژن ) برای مدت چند ساعت  تحت عملیات حرارتی کربونیزاسیون قرار می‌گیرد. در طی این فرایند، عناصر غیر کربنی آزاد می‌شود و الیاف کربن با بالانس  جرمی 50 درصد به نسبت الیاف اکریلیک اولیه به دست می‌آید.

3- مرحله گرافیتاسیون: با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر ، از لحاظ ضریب کشسانی ، و اعمال این مرحله در محدوده دمایی 1500 – 3000 درجه سانتی‌گراد  موجب بهبود درجه جهت‌گیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و بنبراین باعث بهبود ویژگی‌ها می‌شود.

تولید الیاف کربن از دیگر پیش‌زمینه‌ها نیز کمابیش دارای مراحل اصلی است مشابه مراحل فوق است.

مشخصه‌های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاه‌های میکروسکوپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است. بر خلاف گرافیت، ساختار کربن بدون هرگونه نظم سه بعدی است. در الیاف کربن بر پایه پلی اکریلو نیتریل، ساختار الیاف در طی عملیات پایدارسازی اکسیداسیونی  و متعاقب آن کربونیزاسیون، از ساختار زنجیره‌ای خطی به ساختار صفحه‌ای تغییر می‌کند. به این ترتیب صفحات اصلی در پایان مرحله کربونیزاسیون در جهت محور طولی الیاف قرار می‌گیرند. بررسی‌های پراش پرتو ایکس با زاویه باز نشان می‌دهد که با افزایش دمای عملیات کربونیزاسیون ، ارتفاع انباشتگی و مقدار جهت‌گیری صفحات اصلی، افزایش می‌یابد.

چنانچه مرحله پایدارسازی به صورتی مناسب انجام گیرد، در آن صورت استحکام کششی و ضریب کشسانی با کربونیزاسیون تحت کشش، به مقدار بسیار زیادی در محصول الیاف کربنی نهایی بالا می‌رود. استحکام الیاف کربن به نوع پیش زمینه، شرایط فرایند، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف، ارتباط دارد.

کاربرد فیبر کربن

• مقاوم‌سازی ساختمان با FRP، تقویت و تعمیر ساختمان‌ها و بهسازی لرزه‌ای سازه
• استفاده در صنعت خودروسازی. مانند ساخت قطعات موتور، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز، بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی‌ها، فنرهای لول و… . [خودرو McLaren F1 نخستین خودروی تولید شده در سال 1996 میلادی می‌باشد که تمامی بدنه آن از جنس فیبر کربن است.]
• استفاده در صنعت هواپیماسازی؛ ساخت اجزای سازه‌ای ماهواره‌ها، سازه‌های داخلی هواپیماهای مسافرین مانند پنل صندلی‌های کربنی، میزهای کربنی، نوک هواپیماهای مافوق صوت، قطعات حساس موتور هواپیماها. هواپیمای فین ایر که توسط کمپانی ایرباس ساخته شده است ۳۵درصد مواد مصرف شده در آن از جنس الیاف کربن می‌باشند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد کاربرد پارچه کربن مقاله “الیاف کربن؛ از صنایع هوایی تا صنعت ساختمان” را مطالعه بفرمایید.

استفاده از فیبر کربن در صنعت خودرو

درست است که صنایع هوافضا و تولیدات صنعتی نیز از مزایای قطعات فیبر کربنی بهره می برند، اما این صنعت خودروسازی است که فرمان پیشرفت های اخیر کامپوزیت های الیاف FRP را در دست دارد. فیبر کربن را تقریبا می توان به هر شکلی در آورد و صنعت خودروسازی از این قابلیت الیاف کربنی برای ساخت قطعات پیچیده، مستحکم و در عین حال سبک، استفاده کرده که منجر به افزایش سرعت و بهبود آیرودینامیک و بهره وری سوخت در خودرو ها شده است.

با وجود اینکه در حال حاضر، غالبا از قطعات کامپوزیت FRP در خودروهای اسپرت سطح بالا و ابرخودروهای اروپایی استفاده می شود، اما برخی از این قطعات کامپوزیتی را می توان در بازار قطعات یدکی خودرو نیز یافت. به دلیل ویژگی های منحصر به فرد و ظاهر شیک کامپوزیت های الیاف کربنی، از فیبر کربن در قطعاتی مانند قسمت های مختلف بدنه، چرخ ها، رینگ ها و روکش های داخلی استفاده می شود.

استفاده از فیبر کربن در هوافضا

هوافضا صنعتی پر از نوآوری و تغییر است و تلاش مهندسان هوافضا برای ایمن تر کردن و پایدار کردن تجربه پرواز، آنها را به سوی استفاده از کامپوزیت های الیاف FRP در هواپیماها، هلیکوپترها و حتی شاتل های فضایی سوق داده است.

فیبر کربن ماده منحصر به فردی است که در ترکیب با اپوکسی تقریبا به هر شکلی در می آید؛ اشکال پیچیده ای که با فلزات نمی توان به آن ها دست یافت یا بدون جوش دادن چندین قطعه و ایجاد نقاط اتصال ضعیف، نمی توان آن ها را تولید نمود. به همین دلیل، از فیبرهای کربن به عنوان یک ماده همه کاره یاد می شود و در تمامی کاربردهای هوافضا از صندلی ها گرفته تا بدنه، استفاده می شود.

از الیاف فیبر کربن تقریبا در تمام وسایل هوانوردی و به ویژه هواپیماها استفاده می شود. به عنوان مثال، 50 درصد وزنی هواپیمای مسافربری بوئینگ 787 دریم لاینر را مواد کامپوزیتی تشکیل داده است که بیشتر مواد کامپوزیتی آن فیبرهای کربنی و  ساندویچ پانل های الیاف کربنی هستند.

استفاده از فناوری کامپوزیت های CFRP در کاربردهای پزشکی

ایمپلنت های لگن و زانو، یکی از شگفت انگیزترین اختراعات پزشکی هستند که موجب بهبود تحرک و کیفیت زندگی بیماران شده است. اما همین قطعات مفید، در گیت های بازرسی فرودگاه دردسرهای بزرگی ایجاد کرده اند. چگالی فلزات نسبت به استخوان بالاتر است و علاوه بر این، اشعه ایکس به راحتی از آن عبور نمی کند و همین مسئله موجب به وجود آمدن صف های بازرسی بدنی طولانی در فرودگاه می شود.

اما ایمپلنت های کامپوزیتی فیبر کربن، می تواند اوضاع را تغییر دهد. گرچه پیش بینی می شود کاربرد این محصول در پزشکی تاثیرات مثبت چشمگیری داشته باشد، اما همچنان تحقیقات بر روی جایگزینی ایمپلنت های فیبر کربن برای مفاصل لگن و زانو ادامه دارد.

فیبر کربن در کفش های ورزشی چه نقشی دارد؟

فیبر و الیاف کربن یکی از محبوب ترین انتخاب های تجهیزات ورزشی هستند چرا که در عین سبکی، دوام بالایی دارند. به طور کلی فیبر کربن، در کفش های ورزشی، سطح صلب زیر کفش را تشکیل می دهد. معمولا به یک فوم سبک به فرم کفی کفش و پاشنه کفش که شکل آن از کفشی به کفش دیگر متفاوت است، متصل می شود.

پنج مورد از پرکاربردترین موارد فیبر کربن در ورزش

علاوه بر اینکه فیبر کربن یکی از مواد محبوب در ساخت هواپیما و قطعات خودرو است، در دنیای ورزش نیز جایگاه ویژه ای را به خود اختصاص داده است. در اینجا 5 مورد از پرکاربردترین موارد استفاده از فیبرهای کربن در ورزش را به شما معرفی خواهیم کرد.

• تنیس

در تنیس از الیاف کربن برای ساخت راکت هایی با شکل منحصر به فرد و سبک تر استفاده می شود. به این ترتیب، بازیکنان می توانند سریع تر به توپ ضربه بزنند. علاوه بر این، راکت را بهتر دست می گیرند و نسبت به راکت های فلزی و آلومینیومی، کنترل بهتری بر روی آن دارند.

• دوچرخه سواری

در مسابقات دوچرخه سواری، زمان همه چیز است. شما به عنوان یک دوچرخه سوار حرفه ای مجبور هستید از تمام محدودیت ها عبور کنید و تمام تکنیک ها را در چارچوب قوانین بکار بگیرید تا اول شوید. امروزه دوچرخه سواران بجای دوچرخه های آلومینیومی، دوچرخه های تمام فیبر کربنی را انتخاب می کنند. چرا که بسیار سبک تر و در عین حال مستحکم تر هستند. در نتیجه می توانند در برابر ضربه های شدید مقاومت خوبی داشته باشند و در عین حال، شما را سریع تر به خط پایان برسانند.

• گلف

امروزه چوب های گلف به گونه ای طراحی شده اند که دارای اجزای تطبیق پذیری باشند، یعنی می توانید چوب گلفی با دسته الیاف کربن داشته باشید که سر آن چوبی باشد.

از جمله مزیت های این ابزارهای جدید این است که بازیکنان می توانند بسیار سریع تر ضربه بزنند، راحت بوده و می توانند دقیق تر آن را به چرخش درآورند. سبک تر بوده و به شما توانایی کنترل بهتری می دهند. به اندازه ای مستحکم هستند که حتی در برابر سخت ترین ضربه های توپ، دچار فرورفتگی و یا ترک نمی شوند.

• اسکی و اسنوبرد

شاید تجهیزات ورزشی فصول گرم از مزایای فیبر کربن بهره برده باشند، اما، این تخته های اسکی و اسنوبردهای الیاف کربنی هستند که موجب رشد فوق العاده این کامپوزیت در ورزش شده اند. در حال حاضر، بسیاری از این افرادی که به دنبال مهارت آموزی در اسکی و اسنوبرد هستند، اگر تا به حال از  تخته های اسکی لانه زنبوری ساخته از چوب و الیاف معمولی استفاده می کردند، با اطلاع از مزایای تجهیزات ساخته شده از فیبرهای FRP، تغییر رویه داده اند و به سوی این تخته های سبک و در عین حال سخت روی آورده اند.

• ورزش های آبی

چه واتلر پلو، چه قایق سواری و کانو-کایاک سواری و چه اسکی روی آب، همه از مزایای کامپوزیت های فیبر کربن بهره می برند. از کلاه ایمنی بازیکنان ورزش های آبی تا تجهیزات قایقرانی و اسکی روی آب، همگی از جمله کاربردهای الیاف کربن در ورزش های آبی هستند.

ویژگی های منحصر به فرد الیاف کربن مانند استحکام کششی، مقاومت شیمیایی و تحمل دما بالا، موجب جذابیت کاربرد این الیاف در تولید تجهیزات ورزش های آبی شده است.

آیا فیبر کربن قابل بازیافت است؟

درست است که فیبرهای کربن استحکام بالا و دوام بی نظیری دارند، اما آنها نیز در نهایت فرسوده می شوند و لازم است که تعویض شوند. حتی ممکن است، حین تولید قطعات فیبر کربن نیز ضایعاتی تولید شود که کاربردی ندارند. و می دانیم که تولید فیبر کربن ممکن است پرهزینه باشد، حال سوال اینجاست که آیا می توان پس از پایان عمر قطعات فیبر کربنی و لمینیت کربن، آنها را بازیافت نمود؟

اما پاسخ این است که بازیافت این محصول بادوام، آنقدرها که به نظر می آید، آسان نیست. حتی ممکن است  در فرآیندهای شکل دهی قطعات، یک حجمی الیاف آسیب دیده حاصل شود که کارایی چندانی ندارند. به هر حال، تخمین زده شده است حدود 30 درصد از فیبرهای کربن تولید شده در حین فرآیند تولید قطعات، به عنوان زباله دور ریخته خواهد شد. بنابراین یافتن راه حلی برای بازیافت و استفاده مجدد از این زباله ها، امری بسیار حیاتی است.

و یا از سوی دیگر، پس از استفاده و پایان عمر قطعات تولید شده، از فیبر کربنی با حجمی از الیاف آغشته به رزین مواجه هستیم که برای جدا کردن الیاف کربن و حذف رزین، به یک فرایند کارآمد نیاز داریم. در اغلب این فرایندها از مواد شیمیایی قوی یا دمای بسیار بالا برای حذف رزین استفاده می شود که در نتیجه به انرژی بسیار زیادی نیاز دارد. در نهایت هم، رزین حذف شده به عنوان ضایعات دور ریختنی خواهد بود.

تفاوت بین فایبرگلاس و فیبرکربن

الیاف فیبر کربن و فایبرگلاس هر دو جزء دسته مواد همه کاره هستند که در موارد بسیاری از جمله بدنه خودروها و قایق ها استفاده می شوند. حتی در برخی زمینه های کاربردی از هر دو محصول استفاده می شود. درست است که فیبرهای کربن و فایبرگلاس در برخی خواص مانند استحکام و دوام نقطه مشترک دارند، اما در واقع دو ماده کاملا متفاوت با ویژگی های خاص هستند.

• ماده اولیه

الیاف فیبر کربن از رشته های نازک متشکل از اتم های کربن ساخته شده است، تا ماده ای فوق العاده با دوام و سبک ایجاد شود. در حالی که فایبرگلاس از الیاف شیشه یا سیلیکون تشکیل شده است.

• کاربردها

به دلیل استحکام بالا و طول عمر زیاد فیبر کربن و فایبرگلاس، از هر دو در ساخت بدنه کشتی استفاده می شود. با این حال هر کدام با توجه به ویژگی هایشان، کاربردهای متفاوتی نیز دارند. مثلا، با توجه به اینکه فیبرهای کربن 10 برابر قوی تر از فولاد هستند، از آنها برای ساخت چوب گلف استفاده می شود. در حالی که از فایبرگلاس برای عایق کردن منازل و ساختمان ها استفاده می شود.

• سلامتی

به طور کلی فیبر کربن هیچ مشکل بهداشتی ندارد، اما فایبرگلاس از آنجایی که از ذرات ریز شیشه تولید شده است، چنانچه با رزین به خوبی آغشته نشده باشد، از نظر بهداشتی می تواند پوست را تحریک کند. در واقع ذرات ریز شیشه پوست را خراش داده و موجب التهاب آن می شوند. و در صورت استنشاق فایبرگلاس، پوشش ریه دچار آسیب شده و مشکلات تنفسی ایجاد می کند.

• اپوکسی

الیاف کربنی تنها با در کنار هم قرار گرفتن الیاف کربن تک جهته ویا  بافته شدن یک پارچه کربن دو جهته، به استحکام و دوام مورد نظر می رسند و فیبر کربن به رزین اپوکسی یا پوشش نیازی ندارد. در حالی در فایبرگلاس برای حفظ استحکام و دوام باید از یک رزین به عنوان ماتریس، استفاده نمود. فایبرگلاس بدون پوشش رزینی، به راحتی از هم جدا می شود.

• قیمت و بازار

فیبرها و الیاف کربنی به تازگی راه خود را به صنعت هوافضا باز کرده اند. در واقع، ویژگی های منحصر به فرد این محصول موجب شده است که از کاربرد در تجهیزات ورزشی و عمرانی راه خود را به صنعت خودروسازی و بعد از آن هوافضا باز کند. در سال های اخیر، تقاضا برای خرید فیبر کربن افزایش یافته است که نوید دهنده چشم انداز روشنی برای خرید و قیمت الیاف کربن است.

اما با این حال، از آنجایی که قیمت فایبرگلاس به مراتب کمتر از قیمت فروش الیاف کربن است، توسعه بازار الیاف کربنی با مانع روبرو شده است و نتوانسته است به طور کامل بر یک صنعت تسلط بیابد.

سهم بازار فیبر کربن در صنعت خودروسازی

در سال 2020، ارزش بازار و فروش الیاف کربن به 20 میلیارد دلار رسید و انتظار می رود در دوره پیش بینی شده 2021 تا 2026، با CAGR حدود 11 درصد، به مقدار 33 میلیارد دلار برسد.

استفاده از فیبر کربن در خودروها، در عین کاهش وزن، موجب افزایش استحکام، بهبود خواص ساختاری و عملکردی و همچنین زیبایی ظاهری آن می شود. تامین کننده های پیشگام در صنعت الیاف فیبر کربن، تمام نیازها و انتظارات تولیدکننده های تجهیزات اصلی خودرو، تامین کننده های سیستم و مشتریان را در نظر گرفته اند تا خودروهایی سبک تر، پاک تر، ایمن تر و مقرون به صرفه تر تولید شود.

و در این میان، بسیاری از شرکت های خودروسازی مانند BMW، Audi، GM، Honda و Polestar، با تولید کننده های الیاف و فیبر کربن قرارداد تولید انبوه منعقد کرده و در حال سرمایه گذاری و حمایت از تولید ارزان قیمت فیبرهای کربن هستند.

انتظار می رود اروپا به دلیل حضور خودروسازهای بسیار و بزرگ مانند فراری، لامبورگینی، کونیگ زگ، پاگانی و غیره، بزرگترین مصرف کننده و بازار خرید فیبر کربن باشد. پس از اروپا و با فاصله بسیار نزدیک به آن آمریکای شمالی و آسیا و اقیانوسیه قرار دارند. و در آسیا دو کشور چین و ژاپن دو بازار عمده این محصول هستند.

مزایای CFRP:

• نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن – مقاومت کششی بالا
• نسبت بالای مدول کششی الاستیسیته به وزن
• استحکام مناسب در برابر خستگی
• ضریب انبساط حرارتی بسیار پائین
• قابلیت بافت و تولید پارچه
• مقاومت فیبر کربن در برابر خوردگی

معایب CFRP:

• کرنش گسیختگی بسیار کم و شکننده بودن
• کربن هادی الکتریکی است.
• کرنش کم در لحظه شکست
• مقاومت ضربه‌ای کم

خواص الیاف کربن:

مدول الاستیک  این الیاف می‌تواند در 2 گروه باشد: مدول پایین و مدول بالا. مدول می‌تواند به اندازه 157 گیگاپاسکال برای الیاف کربن بر پایه قیر، پایین و تا  383 گیگاپاسکال برای الیاف بر پایه PAN بالا می‌باشد. استحکام کششی نیز از 1367 مگاپاسکال برای الیاف بر پایه PAN تغییر می‌کند. تغییر طول الیاف کم ( حدود 1% ) است. الیاف مدول بالاتر دارای طول تغییر کمتری نسبت به الیاف مدول پایین‌تر می‌باشند. از این رو کامپوزیت‌های فایبر کربنی به دلیل تغییر طول محدود الیاف ترد می‌باشند.

به طور متوسط الیاف کربن (CFRP) هدایت دهنده‌های خوبی از الکتریسیته هستند. الیاف قیر دارای هدایت الکتریکی بهتری نسبت به الیاف بر پایه PAN  می‌باشند. ضریب انبساط حرارتی (طولی) الیاف کربن اندکی منفی است و با افزایش مدول منفی‌تر می‌شود. این انقباض می‌تواند با ضریب مثبت انبساط حرارتی زمینه ترکیب شده و یک ضریب انبساط حرارتی نزدیک صفر را حاصل کند.

 

سوالات متداول

چند درصد الیاف کربن را کربن خالص تشکیل می دهد؟

دست کم دارای 90 درصد کربن هستند همچنین الیاف گرافیتی در مورد الیافی به کار می‌رود که کربن آن‌ها بیش از 99 درصد باشد.

مزیت های الیاف کربنی کدام است؟

مقاومت کششی (حدود5000 مگاپاسکال) و مدول الاستیسیته ی بسیار بالا ، ضریب انبساط گرمایی پایین، مقاوم در برابر محیط خورنده ی اسیدی و مواد شیمیایی، دارای مقاومت کششی بسیار بالاتر از فولاد و ۷۰% سبکتر از آن از ویژگی های الیاف کربن است.

کاربرد الیاف کربن در صنعت ساخت و ساز چیست؟

جهت مقاوم سازی و بهسازی لرزه ای سازه های بتنی نظیر ساختمانها، سدها، سیلوها، پلها و سایر سازه ها مورد استفاده قرار می گیرد.

انواع مختلف الیاف کربن چیست؟

بصورت ورق یا شیت های یک جهته یا دوجهته ، لمینت ، انکر و اسپایک، نخ، آرماتور و تسمه های کربنی می باشند.