الياف كربن

[azarafrooz 14,221]

شرايط مورد بحث در طول فرآيند پليمريزاسيون تا ساختار گرافيتي، به دقت انتخاب و كنترل مي‌شوند. در طول اين فرآيند عناصر غير كربني بصورت گاز خارج شده، اجزاء كربني باقي مي‌مانند. مهمترين شكل الياف كربن، پارچه است كه در بافتهاي مختلف وجود دارد.

اگرچه اكثر الياف مورد استفاده در صنعت كامپوزيت از جنس شيشه مي‌باشد ولي مدول آن نسبتا پايين است. در سالهاي پيش تلاشهاي زيادي انجام گرفت تا تقويت كننده‌هاي جديدي با تبديل حرارتي الياف آلي به الياف كربن ساخته شود.

الياف حاصل به سرعت كاربرد وسيعي در كامپوزيتهاي فنوليكي به منظور استفاده در عايقهاي فداشونده در صنايع نظامي پيدا كرد. مشخصه الياف كربن، سبكي، استحكام و سفتي بالا مي‌باشد. همه انواع الياف كربن از پيروليز الياف آلي در يك محيط خنثي بدست مي آيد. سه منبع مهم عمده براي ساخت الياف كربن وجود دارد:

پلي اكريلونيتريل (pan) رايون و قير

طرز تهيه:

كوپليمر متيل اكريلات و ايتاكونيك اسيد

اكسيداسيون الياف اكريليك، به منظور تثبيت شكل الياف به هنگام فرآيند كربنيزه كردن است.

 

اولين مرحله در توليد الياف كربن با استفاده از PAN شامل كشش و اكسيداسيون مي‏باشد در اين مرحله ابتدا الياف تحت گرما بين 1300 - 500 درصد كشيده مي‏شوند كه اين امر باعث آرايش‏‏‏يابي بهتر زنجيره‏هاي ملكولي در جهت الياف مي‏شود. سپس در حاليكه هنوز الياف تحت تنش هستند در مجاورت هوا تا دماي°C280 - 200 براي چند ساعتي حرارت داده مي‏شوند اين امر باعث جابجايي درون ملكولي و تشكيل زنجيره‏هاي نردبان مانند مي‏گردد. در اين مرحله عمل اكسيداسيون نيز صورت مي‏گيرد و تقريباً بيشتر گروههاي CH₂ اكسيده مي‏شوند. در مرحله بعد الياف اكسيده شده، با حرارت دادن در دماي°C 1200-900 و در محيط خنثي (تحت گاز نيتروژن يا آرگون) كربونيزه مي‏شوند. تنش وارده به الياف از جمع‏شدگي (shrinkage) آنها جلوگيري مي‏كند و به آرايش ملكولي بهتر كمك مي‏نمايد. در اين مرحله با حذف بيشتر اتمهاي اكسيژن و نيتروژن، الياف عمدتاً حاوي اتمهاي كربن خواهند بود كه در حلقه‏هاي شش وجهي مستقر در صفحات نسبتا موازي قرار گرفته‏اند. الياف حاصل از اين مرحله عمدتا متخلخل‏اند و دانسيته الياف در اين حالت حدود g/cm3 74/1 مي‏باشد. الياف حاصل از اين مرحله داراي مدول نسبتا كم و استحكام بالا مي‏باشند.

در مرحله سوم عمل اصلاح حرارتي (heat treatment) بر روي الياف مرحله دوم در محيط خنثي و در دماي °C2800 صورت مي‏گيرد كه نتيجه آن نظم بيشتر ساختمان كريستالي الياف مي‏باشد. اين مرحله را گرافيته‏كردن مي‏نامند ودر اين مرحله با كاهش ميزان تخلخل الياف دانسيته آنها تا g/cm³2 افزايش مي‏يابد و اليافي با مدول بالا اما استحكام كششي كمتر از مرحله دوم بدست مي‏آيند. راندمان توليد الياف با استفاده از PAN حدود 50% مي‏باشد.

 

شكلهاي مختلف الياف از قبيل رشته، پارچه و الياف كوتاه از اين ماده وجود دارد.

 

[TABLE]

[TR]

[TD][/TD]

[TD][/TD]

[/TR]

[/TABLE]

در ابتدا دو نوع الياف كربن با پايه pan وجود داشت كه استحكام و مدول آنها با هم تفاوت داشت:

الياف كربن با استحكام بالا (strength ( Highيا HSكه از فرآورش در دماي ^OC 1500 بدست مي‌آمد و بعنوان نوع دو درجه‌بندي مي‌شد.

با افزايش دماي فرآورش، مدول نيز افزايش مي‌يافت و نوع مدول بالاي اين الياف (Modulus High ) يا HM كه نوع يك درجه بندي مي‌شد در دماي بالاتر ازدو هزار و پانصد درجه توليد مي‌شد.

با اعمال كمي كشش و افزايش آرايش يافتگي و با كاهش قطر الياف از 7 به 5 ميكرومتر، استحكام و مدول الياف افزايش مي‌يابد. اين الياف، الياف با مدول متوسط (modulus Intermediate) يا IM نام دارد. در جدول زير برخي خواص اين الياف مشاهده مي‌شود.

 

 

 

[TABLE=width: 859]

[TR]

[TD]Properties[/TD]

[TD]Strength, GPa

[/TD]

[TD]Modulus, GPa[/TD]

[TD]Failure Strain[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]High Strength (HS) Type I

[/TD]

[TD]3.0-3.3

[/TD]

[TD]220-240

[/TD]

[TD]1.3-1.4

[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]High Modulus (HM), Type II[/TD]

[TD]2.3-2.6

[/TD]

[TD]330-350

[/TD]

[TD]1.3-1.4

[/TD]

[/TR]

[TR]

[TD]Intermediate Modulus (IM)

[/TD]

[TD]2.9-3.2

[/TD]

[TD]280-300

[/TD]

[TD]1.0

[/TD]

[/TR]

[/TABLE]

 

pitch) itaconic ) يك ماده اوليه توليد الياف كربن مي‌باشد. اين ماده در يك محيط آبي سنتز شده و با *****اسيون جدا مي‌شود. سپس كوپليمر حاصل، با سرعت چرخش و كشش كنترل شده، به روش ريسندگي مرطوب تبديل به ليف مي‌شود. بدينوسيله ميزان آرايش الياف را كنترل مي‌كنند و هرچه بيشتر باشد مدول ليف نهايي بالاتر است.

مراحل توليد الياف كربن در اين روش عبارتند از :كوپليمريزاسيون، اكسيداسيون، كربنيزه كردن و گرافيته كردنc 200 انجام مي‌شود. اين كار اجازه مي‌دهد آرايش القا شده به هنگام كشش در الياف حفظ شود.c 2500 انجام مي‌گيرد.filamant winding )، پلتروژن و فرآيند پاشش رزين (spray up)

2-‌ پيش آغشته (prepreg) تك جهته براي لايه گذاري

3-‌ الياف خرد براي تزريق يا قالبگيري فشاري

4‌-‌ نوار پيوسته براي پلتروژن

5-‌ پارچه بافته براي قالبگيري انتقال رزين (RTM) يا لايه گذاري

دو نوع مختلف الياف كربن در شكل ديده مي‌شود: الياف كربن توليد شده، ذاتا چسبندگي كافي به پليمرها ندارند و اگر به همان صورت استفاده شوند، خواص تقويت كنندگي خوبي نشان نشان نمي‌دهند. بنابراين اصلاح سطح يك مرحله ضروري در آماده سازي الياف مي‌باشد.

روشهاي مختلفي براي اصلاح سطح الياف كربن وجود دارد، ولي معمولا اكسيداسيون آنوديك در يك الكتروليت آبي مانند بي كربنات آمونيم، ترجيح داده مي‌شود. اكسيداسيون پلاسما نيز بكار مي‌رود ولي به لحاظ تجاري رايج نشده است.

معمولاَ الياف كربن موجود در بازار اصلاح شده است ولي در موارد خاص مي‌توان الياف بدون اصلاح سطح نيز تهيه كرد.