پارچه فیبر کربن: چگونه ساخته می شود، بافته می شود و استفاده می شود

پارچه فیبر کربن چیست؟

پارچه فیبر کربن یک منسوجات با کارایی بالا است که از رشته‌های فیبر کربن بافته شده است - قطر هر رشته تقریباً 5 تا 10 میکرون است که تقریباً 10 برابر نازک‌تر از موی انسان است. نتیجه یک ماده است که است 5 برابر قوی تر از فولاد هنوز وزن دارد 40 درصد کمتر . این ترکیبی از سختی شدید، وزن کم و مقاومت عالی در برابر گرما و خوردگی است و آن را به یکی از مهندسی‌شده‌ترین مواد موجود امروزی تبدیل می‌کند.

پارچه فیبر کربن چگونه ساخته می شود؟

فرآیند تولید معمولاً با یک ماده پیش ساز آغاز می شود پلی اکریلونیتریل (PAN) که بیش از 90 درصد از تولید فیبر کربن تجاری را تشکیل می دهد. این فرآیند شامل چندین مرحله دقیق کنترل شده است:

1. چرخش: PAN حل می شود و از طریق یک نخ ریسی به رشته های ریز اکسترود می شود، شبیه به نحوه ساخت منسوجات مصنوعی.
2. تثبیت (اکسیداسیون): رشته ها کشیده شده و در هوا در دمای 200-300 درجه سانتیگراد به مدت 30-120 دقیقه گرم می شوند. این مرحله زنجیره های پلیمری را به هم متصل می کند و آنها را برای کربن سازی آماده می کند.
3. کربن سازی: الیاف تثبیت شده در اتمسفر نیتروژن بی اثر در دمای بین 1000 تا 1500 درجه سانتیگراد گرم می شوند. در این مرحله، اتم های غیر کربن (هیدروژن، نیتروژن، اکسیژن) خارج می شوند و فیبری باقی می ماند که بیش از 92 درصد کربن خالص دارد.
4. گرافیت سازی (اختیاری): برای الیاف با مدول فوق العاده بالا، دما می تواند به 2000 تا 3000 درجه سانتی گراد برسد و اتم های کربن را در یک شبکه گرافیت مانند منظم تر برای سفتی بیشتر تراز کند.
5. درمان سطحی: سطح از نظر شیمیایی اچ شده و با یک عامل اندازه (معمولاً سازگار با اپوکسی) پوشانده می شود تا در هنگام استفاده در کامپوزیت ها چسبندگی بهبود یابد.
6. قرقره و بافندگی: بسته‌های یدک‌کش تمام‌شده (به عنوان مثال، 3K = 3000 رشته، 12K = 12000 رشته) روی بوبین‌ها پیچیده می‌شوند و برای بافندگی به دستگاه‌های بافندگی وارد می‌شوند.

کل فرآیند از PAN خام تا پارچه فیبر کربن نهایی معمولاً چندین ساعت در هر دسته طول می کشد و به تجهیزات صنعتی کاملاً کنترل شده نیاز دارد.

فیبر کربن چگونه بافته می شود؟

مانند منسوجات معمولی، پارچه فیبر کربنی بر روی بافندگی صنعتی تولید می شود. الگوی بافت به طور قابل توجهی بر خواص مکانیکی، روکش و ظاهر پارچه نهایی تأثیر می گذارد. رایج ترین سبک های بافت عبارتند از:

این 2×2 تویل قابل تشخیص ترین است - الگوی نمادین مورب شاه ماهی مرتبط با خودروهای اسپرت با عملکرد بالا و کالاهای مصرفی ممتاز را تولید می کند. پارچه های بافته شده معمولاً بر حسب وزن بر حسب گرم بر متر مربع (gsm) فروخته می شوند. وزن های رایج از 100 گرم در متر (سبک، پرده خوب) به 600 گرم در متر (کاربرد ساختاری سنگین) .

آیا پارچه فیبر کربن ضد آب است؟

پارچه فیبر کربن برهنه است ذاتا ضد آب نیست . پارچه خام بافته شده متخلخل است و آب را جذب می کند. با این حال، کامپوزیت های فیبر کربن - جایی که پارچه با یک سیستم رزین (اپوکسی، وینیل استر یا پلی استر) تزریق یا لمینت می شود - پس از پخت به طور موثر ضد آب می شوند.

نکات کلیدی در مورد رفتار رطوبت:

• پارچه فیبر کربن خشک به راحتی آب را جذب می کند و باید در بسته بندی در بسته نگهداری شود تا از آلودگی قبل از چیدمان جلوگیری شود.
• کامپوزیت های فیبر کربن پخته شده / اپوکسی جذب آب بسیار کمی دارند - معمولا کمتر از 1 درصد وزنی حتی پس از غوطه وری طولانی، به مراتب بهتر از فایبرگلاس است.
• خوردگی گالوانیکی یک نگرانی است: فیبر کربن رسانای الکتریکی است و در صورت وجود رطوبت می تواند خوردگی را در بست های آلومینیومی یا فولادی تسریع کند. جداسازی مناسب در کاربردهای دریایی و هوافضا حیاتی است.
• قرار گرفتن طولانی مدت در معرض اشعه ماوراء بنفش می تواند ماتریکس رزین (نه خود الیاف کربن) را تخریب کند و باعث گچ شدن سطح شود. پوشش رویی یا ژل مقاوم در برابر اشعه ماوراء بنفش این مشکل را برای استفاده در فضای باز برطرف می کند.

برای استفاده دریایی، قطعات کامپوزیتی فیبر کربن در بدنه، دکل‌ها و سکان قایق‌های مسابقه‌ای رایج است، دقیقاً به دلیل ترکیبی از وزن کم و جذب آب کم.

پارچه فیبر کربن برای چه مواردی استفاده می شود؟

این global carbon fiber market was valued at approximately 4.7 میلیارد دلار در سال 2023 و پیش بینی می شود بیش از آن باشد 9 میلیارد دلار تا سال 2030 ، که توسط تقاضا در صنایع مختلف هدایت می شود.

هوافضا و دفاع

این بزرگترین و خواستارترین برنامه است. بوئینگ 787 Dreamliner تقریباً از کامپوزیت های فیبر کربنی استفاده می کند 50 درصد وزن ساختاری آن از جمله بدنه و بالها. ایرباس A350 به طور مشابه برای بیش از 50 درصد از بدنه هواپیما خود به فیبر کربن متکی است. این ماده در مقایسه با هواپیماهای آلومینیومی سنتی تا 20 درصد در مصرف سوخت صرفه جویی می کند.

خودرو

فیبر کربن در ساخت شاسی فرمول 1 استاندارد است، جایی که کل مونوکوک یک کامپوزیت فیبر کربنی است. در خودروهای تولیدی، در پانل های سقف، کاپوت ها، سپرها و تزئینات داخلی ظاهر می شود. بی‌ام‌و i3 و i8 از سلول مسافری پلاستیکی تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) استفاده می‌کردند که نقطه عطف مهمی در پذیرش جریان اصلی خودرو است. ابرخودروهایی مانند فراری SF90 و مک لارن سنا از بدنه فیبر کربن گسترده ای برای حفظ وزن زیر 1500 کیلوگرم با وجود پیشرانه های هیبریدی قدرتمند استفاده می کنند.

انرژی باد

پره های توربین بادی با طول بیش از 60 متر برای حفظ استحکام ساختاری تحت بارگذاری چرخه ای به کلاهک های فیبر کربنی نیاز دارند. تنها یک پره توربین دریایی می تواند حاوی بیش از حد باشد 1 تن فیبر کربن . بخش انرژی بادی تقریباً 30000 تن فیبر کربن در سال 2022 مصرف کرد.

کالاهای ورزشی

فیبر کربن در تجهیزات ورزشی با عملکرد بالا در همه جا وجود دارد:

• قاب دوچرخه جاده ای (وزن معمولی: 700-900 گرم برای یک مجموعه کامل)
• راکت تنیس، شفت چوب گلف، چوب هاکی
• پاروهای پارویی و پاروهای کایاک
• پروتزهای مسابقه (به عنوان مثال، تیغه های دویدن)

مهندسی عمران و ساخت و ساز

ورق‌ها و نوارهای پلیمری تقویت‌شده با فیبر کربن (CFRP) برای تقویت سازه‌های بتنی قدیمی - پل‌ها، ستون‌ها و پارکینگ‌ها - با چسباندن آنها به سطح بیرونی استفاده می‌شوند. این روش ظرفیت بار را بدون اضافه کردن وزن قابل توجه یا نیاز به تخریب سازه افزایش می دهد.

تجهیزات پزشکی

رادیولوسنسی فیبر کربن (اشعه ایکس را مسدود نمی کند) آن را برای میزهای جراحی، اجزای ایمپلنت ارتوپدی و تجهیزات تصویربرداری ایده آل می کند. همچنین در اندام های مصنوعی ظاهر می شود، جایی که نسبت سفتی به وزن آن دقیقاً شبیه خواص مکانیکی استخوان است.

Fabric vs. پیش بارداری: انتخاب فرم مناسب

فیبر کربن به دو شکل اصلی برای ساخت کامپوزیت فروخته می شود:

• پارچه خشک: پارچه بافته شده ساده که نیاز به تزریق رزین جداگانه دارد (آرایش مرطوب یا تزریق خلاء). هزینه کمتر، ماندگاری طولانی تر در دمای اتاق، برای قطعات بزرگ و مغازه های سفارشی ترجیح داده می شود.
• Prepreg: پارچه از پیش آغشته به رزین نیمه پخته شده. به ذخیره سازی در یخچال (معمولاً در دمای 18- درجه سانتیگراد) نیاز دارد، اما نسبت فیبر به رزین سازگارتر را ارائه می دهد و در تولید هوافضا استاندارد است.

برای کاربردهای ساختاری که خواص مکانیکی دقیق باید تایید شود، پیش‌آب‌سازی با پخت اتوکلاو استاندارد صنعتی است. برای قطعات آرایشی و ساخت سفارشی، پارچه خشک با لایه‌بندی دستی یا تزریق خلاء بسیار در دسترس‌تر و مقرون به صرفه‌تر است.