الیاف کربن، ساختمان و خواص آن

مقاله الیاف کربن، ساختمان و خواص آن

 

کربن عنصری با چگالی g/cm³ 2.27 است و شکل‌های مختلف بلوری دارد. شکل بلوری مورد نظر در الیاف کربن، ساختار گرافیتی آن است که در آن عناصر کربن به صورت لایه‌های شش ضلعی قرار گرفته‌اند. شکل دیگر و معروف کربن، ساختار کووالانسی الماس است که در آن اتم‌ها، شبکه‌های سه بعدی سخت و انعطاف‌ناپذیر تشکیل می‌دهند. الیاف کربن (که در آمریکا به آن الیاف گرافیت می‌گویند) الیافی به مراتب نازک‌تر از موی انسان (μm 200-100) در قطری بین μm 10-6 می‌باشند. علیرغم حجم بالای استفاده از آنها، قیمت الیاف کربن هنوز نسبتا بالا است. در شکل 1 انواع مختلف الیاف کربن مشاهده می شود.

شکل 1: شکل‌های مختلف الیاف کربن

 

ساختمان الیاف کربن

الیاف کربن از لحاظ ساختمانی متشکل از کربن‌های گرافیتی هستند و از نظر شیمایی شامل %99.9 کربن خالص است. این ساختمان از لایه‌های موازی تشکیل شده است که در آن‌ها اتم‌های کربن به صورت شش وجهی‌های منظم قرار گرفته‌اند. به این لایه‌ها صفحات بنیادی (basal plane) گفته شده و فواصل این لایه‌های ^◦A 3.4 می‌باشد که بزرگ‌تر از فاصله بین اتم‌های مجاور (^◦A 1.42) در هر لایه است (شکل 2). هدایت الکتریکی و حرارتی بالای گرافیت در جهت لایه‌ها به علت تحرک الکترون‌های π در بین لایه‌ها است. این صفحات به وسیله نیروهای ضعیف و اندروالسی در کنار هم قرار گرفته‌اند در حالی که پیوند محکم کووالانسی بین اتم‌های کربن موجود در هر لایه وجود دارد.

لذا الیاف کربن از نظر خواص فیزیکی و مکانیکی رفتاری ناهمسان (anisotropic) از خود نشان می‌دهند. به همین جهت مدول آن‌ها در جهت صفحات بنیادی حدود GPa 1000 و در جهت عمودی بر این صفحات حدود GPa 35 می‌باشد. لذا جهت‌دهی صفحات بنیادی در جهت محور طولی الیاف باعث تولید الیافی با مدول بالا می‌باشد که با توجه به چگالی کم این مواد حدود (g/cm³ 2) در نهایت الیافی با مدول ویژه بسیار بالا حاصل می‌گردد.

شکل 2: ساختار کریستالی گرافیت، a) ساختار متراکم لایه‌ها، b) ساختار شش وجهی گرافیت

 

خواص الیاف کربن

ضریب انبساط حرارتی منفی، یکی از خصوصیات غیر معمول الیاف کربن می‌باشد که منفی بودن آن با ازدیاد مدول بیشتر می شود. این انقباض در الیاف را که ناشی از خمش لایه‌ها می‌دانند، می‌تواند در ترکیب با ضریب انبساط حرارتی مثبت زمینه موادی با ضریب انبساط حرارتی نزدیک به صفر در محدوده زیادی از دما (چند صد درجه سانتیگراد) را فراهم آورد.

ضریب هدایت گرمایی (thermal conductivity) الیاف کربن برابر و یا بیشتر از مس و ضریب هدایت الکتریکی آن‌ها حدود 1/50 مس می‌باشد. لذا در محیط‌هایی با الیاف کربن کار می‌شود بایستی دقت نمود که موتورهای الکتریکی پوشش مناسب داشته باشند زیرا ذرات معلق کربن (مثلا در اثر ماشینکاری و غیره) می‌تواند باعث ایجاد اتصال کوتاه در ابزار آلات برقی شود.

آرایش شبیه به لایه‌های پیاز که در سطح الیاف کربن با مدول بالا به وجود می‌آید، باعث ایجاد پیوند ضعیف بین الیاف و زمینه می‌گردد. صفحات بنیادی با آرایش خوب که مشخصه الیاف با مدول بالا می‌باشند. قابلیت ترشوندگی کمی دارند زیرا هرچه مدول بالاتر رود، سطح لیف یا نوارها صاف‌تر می‌شوند و در نتیجه از درگیر شدن مکانیکی الیاف با زمینه کاسته می‌شود. بررسی‌ها نشان داده است که آرایش بالای لایه‌های سطحی باعث کاهش استحکام برشی نیز می‌گردد. همچنین با آرایش بهتر لایه‌ها تاثیر متقابل یا گره خوردن بین روبان‌ها کاهش می یابد و بنابراین در نیروهای فشاری حتی کم، امکان ظهور ریز کمانش الیاف (microbuckling) بالا می‌رود و لذا استحکام فشاری الیاف افت می‌کنند. این پدیده یکی از معایب الیاف کربن و دیگر الیاف آلی با میزان آرایش بالا است.

الیاف کربن توسط فلزات مذاب تر نمی‌شوند و خیس‌ کردن آن‌ها با رزین نیز مشکل است. روش‌های اصلاح سطحی شامل ازدیاد گروه‌های شیمیایی فعال در سطح و یا زبر کردن سطح الیاف، راه‌هایی هستند که برای بهبود اتصال رزین به الیاف استفاده می‌شوند.

در اصلاح شیمیایی سطح الیاف، گروه‌های فعالی مانند کربوکسیلیک اسید (-COOH)، هیدروکسیل (-OH)، کتون‌ها (-C=O) و غیره را بر روی سطح می‌نشانند و از طریق واکنش شیمیایی رزین‌ با این گروه‌ها و یا تشکیل پیوندهای قوی مانند پیوندهای هیدروژنی، میزان اتصال رزین به الیاف را افزایش می‌دهند.

الیاف کربن تحت تاثیر رطوبت هوا، حلال‌ها بازها و اسیدهای ضعیف، در دمای محیط قرار نمی‌گیرند. اما در دماهای بالا مانند C^◦ 450- 350 امکان ظهور اکسیداسیون می‌تواند مشکل‌ آفرین باشد.

الیاف کربن تجاری تهیه شده از PAN، در صورتی که مدول کمتر از GPa 300 داشته باشند، بالاترین کرنش در شکست را دارند. با توجه به شکننده بودن کامپوزیت‌ها، استفاده از الیاف با کرنش در شکست زیاد، بسیار حائز اهمیت است. لذا در کاربردهای حساس، توصیه می‌شود که از الیاف کربن بر پایه PAN که حدود 2% کرنش در شکست دارند استفاده شود. مزیت عمده الیاف کربن بر پایه قیر، مدول بسیار بالای آن‌ها است؛ بنابراین در کاربردهایی که به مدول بالا نیاز است استفاده می‌شوند. در جدول 1 خواص چند نمونه تجاری از الیاف کربن نشان داده شده است.

 

جدول 1: خواص چند نمونه الیاف کربن تجاری

مزایای الیاف کربن:

• نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن
• نسبت بالای مدول کششی به وزن
• استحکام بالای خستگی (مناسب کاربرد در هواپیما، خودرو، کالاهای ورزشی و آلات موسیقی)
• ضریب انبساط حرارتی بسیار پایین (مناسب استفاده در دستگاه‌های اندازه‌گیری)
• مقاومت بالا در برابر خوردگی (کاربردهای زیست سازگار، صنایع شیمیایی و خطوط لوله)

 

محدودیت های الیاف کربن:

• شکننده بودن
• کرنش کم در شکست
• هادی الکتریکی
• قیمت بالا

به این مقاله امتیاز بده 

[ratings]

---

مقاله قبلی سایت تخصصم اینه را می توانید اینجا بخوانید

همچنین شما دوست عزیز و متخصص نیز می توانید مقالات خود را با اسم خودتون (شرکت، اشخاص و مخترعان) به همراه تبلیغ تخصص، محصولات و خدمات خود در آخر آن در سایت تخصصم اینه به رایگان منتشر نمایید. البته به شرطی که مقاله کپی از سایت های دیگر و حتی خودتون نباشد. مقالات تا همیشه در سایت خواهند ماند.

اینجا کلیک کنید تا شرایط نوشتن و فرستادن مقاله را مشاهده نمایید.

برای تبلیغ خدمات و محصولات تخفیفدار خود در صفحه اول سایت با حداقل هزینه(با لینک فالو به سایت) اقدام نمایید(از اینجا بیشتر مطالعه کنید).

در فرم زیر نیز می توانید ایمیل خود را برای دریافت آخرین مقاله های سایت وارد نمایید.