تهیه و طبقه بندی الیاف کربن با کارایی بالا

تهیه و طبقه بندی الیاف کربن با کارایی بالا

الیاف کربن به دلیل داشتن نسبت مقاومت به وزن و سفتی بالا به طور گسترده در صنایع هوافضا، خودرو و سایر کاربردهای با کارایی بالا استفاده می شود. تهیه و طبقه بندی این الیاف شامل چندین فرآیند پیچیده است که نیاز به تجهیزات و تخصص تخصصی دارد.

تهیه الیاف کربن:

الیاف کربن معمولاً از مواد پیش ساز مانند پلی اکریلونیتریل (PAN)، زمین یا ریون تهیه می شوند. مواد پیش ساز از طریق فرآیندی به نام پیرولیز به الیاف تبدیل می شوند که شامل حرارت دادن مواد تا دمای بالا در غیاب اکسیژن است.

الیاف کربن مبتنی بر PAN:

الیاف کربن مبتنی بر PAN به دلیل خواص برتر، پرمصرف ترین نوع الیاف کربن هستند. فرآیند تولید الیاف کربن مبتنی بر PAN شامل مراحل مختلفی از جمله اکسیداسیون، تثبیت و کربنیزاسیون است.

مرحله اول، اکسیداسیون، شامل حرارت دادن الیاف PAN در هوا برای بهبود پایداری حرارتی و حذف هرگونه ناخالصی است. این فرآیند ماده ای به نام PAN اکسید شده (OPAN) ایجاد می کند که سپس برای تولید PAN تثبیت شده (SPAN) پردازش می شود.

در مرحله دوم، تثبیت، الیاف SPAN تا حدود 250 درجه در یک اتمسفر بی اثر گرم می شوند تا باعث ایجاد اتصالات عرضی شیمیایی و تثبیت الیاف شود. ماده به دست آمده به عنوان پیش ساز فیبر کربن شناخته می شود.

Finally, in the third stage, carbonization, the precursor fibers are heated to high temperatures (>1000 درجه ) در غیاب اکسیژن برای تبدیل آنها به الیاف کربن.

الیاف کربن مبتنی بر پیچ:

الیاف کربن پایه با حرارت دادن قطران نفتی یا زغال سنگ در دمای بالا در غیاب هوا تهیه می شوند. سپس ماده به دست آمده به الیاف اکسترود شده و کربنیزه می شود. این الیاف دارای خواص مکانیکی عالی هستند اما تولید آنها در مقایسه با الیاف کربن مبتنی بر PAN گران تر است.

طبقه بندی الیاف کربن:

الیاف کربن بر اساس استحکام کششی و مدول آنها طبقه بندی می شوند. استحکام کششی حداکثر تنشی است که یک ماده قبل از شکستن می تواند تحمل کند، در حالی که مدول به سفتی ماده اشاره دارد.

سیستم طبقه بندی مورد استفاده برای الیاف کربن بر اساس مدول کششی است و توسط سازمان بین المللی استاندارد (ISO) ایجاد شده است. استاندارد ISO الیاف کربن را به گریدهای مختلف طبقه بندی می کند که هر کدام دارای محدوده مدول کششی خاصی هستند.

رایج ترین گریدهای الیاف کربن عبارتند از:

- مدول استاندارد (SM): مدول کششی 34-38 MSI.

- مدول متوسط ​​(IM): مدول کششی 38-42 MSI.

- مدول بالا (HM): مدول کششی 42-75 MSI.

- مدول فوق العاده بالا (UHM): مدول کششی 75-145 MSI.

نتیجه:

تهیه و طبقه بندی الیاف کربن با کارایی بالا نیاز به دانش و تجهیزات تخصصی دارد. الیاف کربن مبتنی بر PAN به دلیل خواص برتر و مقرون به صرفه بودن پرکاربردترین نوع هستند. الیاف کربن بر اساس استحکام کششی و مدول آنها طبقه بندی می شوند و درجات مختلفی برای کاربردهای خاص موجود است. انتظار می رود تحقیق و توسعه مداوم در فناوری فیبر کربن منجر به بهبود بیشتر در خواص آنها و هزینه کمتر شود و آنها را به طور فزاینده ای در صنایع مختلف محبوب کند.