با هم تماس گرفتن
پارچه کربن خالص: حقیقت کامل
فیبر کربن 100٪ کربن خالص نیست - اما پارچه کربن خالص نزدیک می شود و پس از کربنیزاسیون در دمای بالا به 92 تا 99 درصد کربن می رسد. دوام آن ناشی از شبکه کریستالی گرافیت منحصر به فرد است که در طول این فرآیند شکل می گیرد - یکی از قوی ترین معماری های مولکولی در طبیعت.
آیا فیبر کربن از کربن خالص ساخته شده است؟
فیبر کربن از ابتدا از کربن عنصری خالص ساخته نشده است - از طریق یک فرآیند کنترل شده با دمای بالا به نام کربن سازی به مواد پر کربن تبدیل می شود. ماده پیش ساز تقریباً همیشه پلی اکریلونیتریل (PAN) است، پلیمری که حاوی اتم های کربن، هیدروژن و نیتروژن است. در طی پیرولیز، همه چیز به جز کربن به صورت گاز خارج می شود و ساختار کربن کریستالی و هم تراز را از خود به جای می گذارد.
فیبر حاصل 92 تا 99 درصد کربن جرمی است. 1 تا 8 درصد باقی مانده عمدتاً از اتم های نیتروژن و اکسیژن تشکیل شده است که به طور کامل تبخیر نشده اند. هرچه دمای پردازش بالاتر باشد، فیبر حاصل خالص تر و سفت تر می شود. به همین دلیل است که گریدهای مدول فوقالعاده بالا که در دمای بالای 2500 درجه سانتیگراد پردازش میشوند میتوانند به 99 درصد کربن برسند، در حالی که الیاف مدول استاندارد پردازش شده در حدود 1000 تا 1500 درجه سانتیگراد نزدیک به 92 تا 95 درصد باقی میمانند.
| درجه فیبر | دمای پردازش | خلوص کربن | مدول کششی | کاربرد اولیه |
| مدول استاندارد (SM) | 1000 تا 1500 درجه سانتیگراد | 92-95٪ | 230-240 گیگا پاسکال | کامپوزیت های عمومی، کالاهای ورزشی |
| مدول متوسط (IM) | 1200-1700 درجه سانتیگراد | 95-97٪ | 270-310 گیگا پاسکال | سازه های هوافضا، مخازن تحت فشار |
| مدول بالا (HM) | 2000 تا 2500 درجه سانتیگراد | 97-98٪ | 350-450 گیگا پاسکال | سازه های ماهواره ای، اپتیک دقیق |
| مدول فوق العاده بالا (UHM) | 2500-3000 درجه سانتیگراد | 98-99٪ | 500-900 گیگا پاسکال | کاربردهای فضایی، قطعات حساس سختی |
آیا پارچه ها حاوی کربن هستند؟
تمام الیاف نساجی از ترکیبات آلی ساخته شده اند و تمام ترکیبات آلی طبق تعریف حاوی اتم های کربن هستند. پنبه، پلی استر، نایلون، پشم، ابریشم - هر پارچه معمولی اساساً یک پلیمر حاوی کربن است. با این حال، کربن موجود در این مواد درون مولکولهای با زنجیره بلند پیوند مییابد که به آنها نرمی و انعطافپذیری میدهد، نه سفتی ساختاری یا استحکام کششی.
پارچه فیبر کربن کاملاً متفاوت است. به جای کربن قفل شده در یک ستون فقرات پلیمری، فیبر خود تقریباً به طور کامل کربن است - که در صفحات کریستالی توربواستراتیک یا گرافیتی که به موازات محور فیبر قرار دارند، مرتب شدهاند. این چیزی است که جدا می کند پارچه کربن خالص از هر نساجی دیگری: این فقط یک ماده حاوی کربن نیست، بلکه ماده ای است که کربن است.
پارچه های تقویت شده با کربن: یک دسته در حال رشد
فراتر از الیاف کربن ساختاری، دسته رو به رشدی از منسوجات تقویتشده با کربن، کربن را در سطح پوشش یا ترکیب ترکیب میکنند. اینها شامل پارچههای کربن فعال مورد استفاده در لباسهای حفاظت شیمیایی، پارچههای هوشمند با نانولوله کربنی برای رسانایی و منسوجات با پوشش گرافن برای مدیریت حرارتی هستند. هیچ کدام از اینها با فیبر کربن خالص در عملکرد ساختاری مطابقت ندارند، اما نقش کربن را در صنعت نساجی گسترش می دهند.
| نوع پارچه | محتوای کربن | نقش کربن | عملکرد ساختاری |
| پنبه / Natural fibers | 40-45 درصد جرمی | بخشی از پلیمر سلولزی | هیچ (کربن غیر ساختاری) |
| الیاف مصنوعی (PET، PA) | 60-75 درصد جرمی | بخشی از ستون فقرات پلیمری | هیچ (ساختار پلیمری، نه کربن) |
| پارچه کربن فعال | 80-90 درصد جرمی | سطح جاذب | کم - فیلتراسیون، نه تحمل بار |
| پارچه بافته شده فیبر کربن | 92-99٪ by mass | ساختار کریستالی باربر | استثنایی - ساختاری اولیه |
چرا فیبر کربن بسیار بادوام است؟
دوام فوقالعاده فیبر کربن - و در نتیجه، پارچه کربن خالص - از سه مکانیسم به هم پیوسته ناشی می شود: استحکام پیوندهای کووالانسی کربن-کربن، هم ترازی کریستالی این پیوندها در امتداد محور فیبر، و عدم وجود کامل حالت های شکست که فلزات و پلیمرها را محدود می کند.
پیوند C-C دارای انرژی تفکیک تقریباً 347 کیلوژول بر مول است که یکی از قویترین پیوندهای منفرد بین هر دو اتم است. در فیبر کربن گرافیتی، بسیاری از این پیوندها به صورت sp2 هیبرید می شوند و یک شبکه شش ضلعی مسطح با انرژی پیوند درون صفحه حتی بالاتر (تقریباً 524 کیلوژول بر مول برای سیستم گرافن پی) تشکیل می دهند. این باعث می شود که رشته های فیبر کربنی به طور فوق العاده ای در برابر شکست کششی مقاوم شوند.
صفحات کریستال گرافیت فیبر کربن ترجیحاً در طول ساخت موازی با محور طولانی فیبر قرار می گیرند. هنگامی که بار کششی در امتداد فیبر اعمال می شود، قوی ترین پیوندها در شبکه کریستالی آنهایی هستند که بار را تحمل می کنند. این بهینهسازی جهتی دلیل اصلی استفاده از فیبر کربن در اشکال یک طرفه و بافته است - جهت گیری فیبر تعیین میکند که در کجا استحکام ایجاد شود.
فلزات تحت بارگذاری چرخهای مکرر از طریق فرآیندی به نام انتشار ترک خستگی شکست میخورند - ترکهای میکروسکوپی با هر چرخه بارگذاری تا زمان شکستگی رشد میکنند. کامپوزیتهای فیبر کربن ترکها را به همان روش منتشر نمیکنند. بار از طریق ماتریس و الیاف مجاور به اطراف آسیب منتقل می شود. اجزای فیبر کربن هوافضا به طور معمول به 10 میلیون چرخه بار با 60 درصد استحکام نهایی قبل از نشان دادن تخریب قابل اندازهگیری دست مییابند – عملکردی که هیچ آلیاژ آلومینیومی نمیتواند با وزن معادل آن مطابقت داشته باشد.
بر خلاف فولاد یا آلومینیوم، فیبر کربن در شرایط جوی معمولی اکسیده یا خورده نمی شود. ضریب انبساط حرارتی آن (CTE) در امتداد محور فیبر نزدیک به صفر یا حتی اندکی منفی است - به این معنی که سازههای ساخته شده از پارچه کربن خالص میتوانند تحملهای ابعادی را در عرض میکرومتر در محدوده دمایی حفظ کنند که فولاد را با میلیمتر منبسط میکند. به همین دلیل است که فیبر کربن در آینه های تلسکوپ، سازه های ماهواره ای و اجزای ماشین های دقیق استفاده می شود.
فیبر کربن در مقابل مواد ساختاری رقیب
| مواد | مقاومت کششی (MPa) | چگالی (g/cm³) | قدرت خاص | مقاومت در برابر خوردگی |
| فیبر کربن (T700) | 3500 | 1.80 | 1944 کیلو نیوتن متر بر کیلوگرم | عالی - بی اثر |
| فولاد (AISI 4340) | 1080 | 7.85 | 138 کیلو نیوتن متر بر کیلوگرم | فقیر - زنگ می زند |
| آلومینیوم 7075-T6 | 572 | 2.81 | 204 کیلو نیوتن متر بر کیلوگرم | متوسط - اکسید می شود |
| تیتانیوم (Ti-6Al-4V) | 950 | 4.43 | 214 کیلو نیوتن متر بر کیلوگرم | خیلی خوبه |
| E-Glass Fiber | 3,450 | 2.58 | 1337 کیلونیوتن متر بر کیلوگرم | خوب |
ستون مقاومت ویژه (استحکام کششی تقسیم بر چگالی) مفیدترین مقایسه برای کاربردهای ساختاری است - نشان می دهد که یک ماده در واحد وزن چقدر استحکام دارد. استحکام ویژه فیبر کربن 1944 کیلونیوتن بر کیلوگرم، 14 برابر بیشتر از فولاد ساختاری و تقریباً 10 برابر بیشتر از آلومینیوم درجه هوافضا است.
الگوهای بافت در پارچه کربن خالص
روشی که یدکهای فیبر کربنی بافته میشوند، هم خواص مکانیکی و هم ظاهر بصری پارچه تمام شده را تعیین میکند. هر الگوی بافتی، بین چسبندگی (تا چه اندازه پارچه با قالب های منحنی مطابقت دارد)، استحکام بین لایه ای و کیفیت پرداخت سطح، مبادلات متفاوتی ایجاد می کند.
جایی که از پارچه کربن خالص استفاده می شود
پانل های بدنه، پوست بال ها، سطوح کنترل و ناسل های موتور. بوئینگ 787 از نظر وزن 50 درصد فیبر کربن کامپوزیت است - اولین هواپیمای تجاری که از آن به عنوان ماده اولیه ساختاری استفاده می کند.
مونوکوک های فرمول 1 از سال 1981 از فیبر کربن ساخته شده اند. یک شاسی کامل F1 کمتر از 35 کیلوگرم وزن دارد اما در برابر ضربه های بیش از 50 گرم دوام می آورد - نتیجه ای که فقط با ساخت کامپوزیت کربن قابل دستیابی است.
قاب دوچرخه، راکت تنیس، شفت چوب گلف، و پوسته پارویی. یک قاب دوچرخه جاده کربنی می تواند کمتر از 700 گرم وزن داشته باشد در حالی که استانداردهای استحکام و سفتی UCI را برآورده می کند که فولاد را به عنوان یک گزینه رقابتی حذف می کند.
پلیمر تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) برای تقویت پل ها و ستون های بتنی موجود استفاده می شود. پیچیدن یک ستون بتنی در پارچه CFRP مقاومت لرزه ای آن را 30 تا 200 درصد با حداقل وزن یا ردپای اضافه افزایش می دهد.
آنچه باید در مورد پارچه کربن خالص بدانید
فیبر کربن 92 تا 99 درصد کربن است - نزدیک به خالص اما نه کاملاً، زیرا ردیابی نیتروژن و اکسیژن پس از کربنسازی باقی میماند. همه پارچهها از نظر شیمیایی حاوی اتمهای کربن هستند، اما فقط پارچه فیبر کربن از نظر ساختاری کربن است. دوام آن ریشه در استحکام پیوندهای کربن-کربن و هم ترازی کریستالی دارد که این پیوندها را مستقیماً در راستای بارهای اعمال شده قرار می دهد. هیچ ماده دیگری در وزن معادل استحکام ویژه ای را ارائه نمی دهد. از هوافضا تا زیرساخت های عمرانی، پارچه کربن خالص به ماده ساختاری تعیین کننده مهندسی مدرن تبدیل شده است زیرا فیزیک - نه بازاریابی - آن را به انتخاب بهینه در هر جایی که استحکام، سفتی و وزن همه به طور همزمان اهمیت دارند تبدیل می کند.
+86-13961668677
شماره 61 ، جاده Xingyuan ، دهکده Jiefang ، شهر Gushan ، شهر جیانگین ، استان جیانگسو ، چین.