فیبر کربن (الیاف کربن) رشته الیافی است که از حرارت دادن مواد عالی که قسمت عمده ی آن کربن می باشد در محیط گاز های بی اثر به دست می آید. الیاف کربن به الیافی گفته می شود که دست کم دارای 90 درصد کربن هستند و از پیرولیز کنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند. فیبر کربن مشکی رنگ، غیر حلال در آب و بدون بو بوده که مقاومت بسیار بالایی در برابر مواد خورنده مثل اسیدها، بازها و مواد عالی دارا می باشند. این الیاف به صورت تک جهته که در آن فیبر کربن موازی با راستای صفر درجه و دو جهته که در آن فیبر کربن به صورت دو راستای صفر و عمود بر آن (90 درجه) قرار گرفته اند موجود می باشد. فیبر کربن در زمینه های متعددی مانند مقاوم سازی ساختمان ها، صنایع دفاعی، خودرو سازی، و بسیاری از صنایع مهم دیگر کاربرد دارد. الیافی که در ساخت فیبر کربن یا همان CFRP ها مورد استفاده قرار می گیرد معمولا توسط عناصری مثل رزین اپوکسی به المان ها و اعضای باربر در سازه ها اضافه شده و ظرفیت برشی، خمشی و محوری اعضا را بهبود می بخشند.

فیبر کربن مقاومت بالایی در برابر حرارت دارند که باعث می شود آن ها را در دسته الیاف غیر قابل انفجار دسته بندی کرد. هم چنین سبک بودن آن ها و مقاومت بالایشان سبب استفاده گسترده از آن ها در صنعت کامپوزیت FRP و بهسازی لرزه ای سازه ها شده است. یکی از مهم ترین مزیت های فیبر کربن در کنار سبک وزن بودن آن ها مقاومت کششی بسیار بالای این الیاف است.

فیبر کربن یکی از پرکاربرد ترین الیاف در صنعت مقاوم سازی و کامپوزیت است. این الیاف بیشترین مقدار ضریب ارتجاعی را نسبت به الیاف شیشه و کولار دارد. ضریب انبساط گرمایی خطی این نوع الیاف در دماهای بالا و پایین بسیار کم می باشد که این مساله باعث پایداری ابعادی الیاف کربن در دماهای متفاوت می‌گردد. در بین مزایای مختلف الیاف کربن، برجسته ترین آنها مقاومت کششی فوق العاده نسبت به وزن آن است (کربن تقریبا یک سوم فولاد وزن و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت دارد). علاوه بر آن الیاف و فیبر کربن  مقاومت خوبی در برابر خستگی دارند. دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعه x از بارزترین خصوصیات فیبر کربن به شمار می‌رود. همچنین فیبر کربن رسانایی الکتریکی بسیار خوبی دارد و قابلیت بافت و تولید پارچه، ساخت کامپوزیت‌ های سبک و مستحکم CFRP و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می‌سازد. فیبر کربن عنصری با دانسیته  ۲٫۲۷g/cm3 است و اشکال بلوری مختلفی دارد. رشته الیاف کربن که از فیبر کربن تشکیل می‌گردد، به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری می‌باشند. قیمت بالای الیاف کربن با توجه به عمر مفید بالای آنها ” و تامین مقاومت بالا برای اعضای سازه در طول زمان به صرفه و اقتصادی ” است.

الیاف و فیبر کربن در مدول های الاستیسیته و مقاومتهای کششی مختلف و با بافتهای الیاف یک جهته و دو جهته توسط شرکت افزیر برای تولید مصالح کامپوزیتی صنایع مختلف و مقاوم سازی انواع سازه های بتنی عرضه می گردند. با توجه به نیاز صنعتهای مختلف کشور ایران، الیاف کربن در طیف گسترده ایی از انواع فیبر از 3K تا 24K و با وزن و عرضهای مختلف ارائه می‌شوند.

دسته بندی انواع فیبر کربن

فیبر کربن معمولا بر اساس تعداد فیلامنت، مقاومت کششی، مدول الاستیسیته، و دمای نهایی عملیات حرارتی دسته‌بندی می‌گردند.

الیاف کربن بر اساس تعداد فیلامنت به رشته الیاف کمتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که توو (TOW) کوچک یا سبک و رشته الیاف بیشتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که اصطلاحاً توو بزرگ یا سنگین نامیده می‌شوند، دسته‌بندی می‌گردند.

الیاف کربن بر اساس مشخصات مکانیکی نیز به صورت الیاف یا فیبر کربن با مدول الاستیسیته بسیار بالا ( بیشتر از ۵۴۰ GPa)، فیبر کربن با مدول یانگ بالا (۳۵۰-۴۵۰ GPa) و فیبر کربن با مدول متوسط (۲۵۰-۳۵۰ GPa) و همچنین فیبر کربن با مقاومت کششی گسیختگی بالا و مدول پایین (مقاومت کششی بیشتر از ۳۰۰۰ مگا پاسکال و مدول کمتر از ۲۰۰۰ گیگا پاسکال) و الیاف و فیبر کربن با استحکام کششی بسیار بالا (بیشتر از ۵۰۰۰ MPa) دسته بندی می‌گردند.

همچنین الیاف کربن بر اساس مبنای زمینه به صورت فیبر کربن با مبنای الیاف اکریلیک (پلی اکریلونیتریل)، الیاف کربن با مبنای قیر صنعتی، فیبر کربن با مبنای قیر مزو فاز، فیبر کربن با مبنای قیر ایزوتروپیک، فیبر کربن با مبنای الیاف ویسکوز ریون (ابریشم مصنوعی) و فیبر کربن با مبنای فاز گازی دسته بندی می‌گردند. در مجموع در این حالت الیاف کربن را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد که عبارتند از: الیاف کربن با مبنای الیاف مصنوعی، که با نام شیمیایی پلی آکریلونیتریل (PAN) شناخته می‌شوند، مقاومت بسیار زیادی دارند (بیش از MPa 3700)؛ ولی قیمت این نوع از CFRP گران است. فیبر کربن با مبنای قیری، که از تقطیر زغال سنگ به دست می‌آیند و از الیاف کربن PAN ارزان‌تر هستند؛ ولی مقاومت و مدول الاستیسیته کم‌تری دارند.

CFRP بر اساس دمای نهایی عملیات حرارتی نیز به الیاف MH (دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سلسیوس)؛ الیاف SH (دمای حدود ۱۵۰۰ درجه) و الیاف TH (دمای کمتر از ۱۰۰۰ درجه با استحکام پایین کاربرد)

الیاف کربن CFRP
الیاف کربن FRP

مزیت های فیبر کربن و الیاف کربنی CFRP

  • وزن کم فیبر کربن
  • مقاومت کششی بالا فیبر کربن
  • ضریب الاستیک بالاتر نسبت به الیاف شیشه
  • ضریب انبساط گرمایی کم فیبر کربن که باعث ثابت ماندن طول فیبر کربن در دماهای مختلف می‌شود
  • مقاومت بالا فیبر کربن در برابر مواد خورنده
  • غیر قابل انفجار بودن فیبر کربن
  • استحکام فیبر مربن در برابر خستگی

کاربرد کامپوزیت CFRP و فیبر کربن

فیبر کربن در صنایع مختلف کاربردهای گوناگونی دارند که عبارتند از:

کاربرد الیاف کربن و فیبر کربن در صنعت ساختمان

مقاوم سازی ساختمان و تقویت سازه ها با کامپوزیت CFRP، ساخت صفحات، ورقها و لمینیت کربن، الیاف تقویت کننده بتن‌های مقاومت بالا، ساخت دیوارهای با مقاومت بالا و سبک کربنی، ساخت سازه های پس کشیده و پیش تنیده کربنی در سازه های بتنی، استفاده در جداره داخلی تونل ها.

کاربرد الیاف و فیبر کربن در صنعت خودرو

مخازن سوخت کربنی خودروها، ساخت سپرهای کربنی خودروها، شفت های انتقال نیرو، قطعات موتور، کمک فنر، ملحقات چرخ و جعبه فرمان، لنت ترمز،بدنه ماشین مسابقه، بدنه کشتی ها، فنرهای لول و…

کاربرد فیبر کربن در صنایع هوا فضا و هواپیما سازی

اجزای سازه ای ماهواره ها، سازه های داخلی هواپیماهای مسافرین اعم از پنل صندلی های کربنی، میزهای کربنی و سایر پوشش های کربنی، نوک هواپیماهای مافوق صوت، قطعات حساس موتور هواپیماها و …

کاربرد الیاف کربن در صنایع پزشکی

ساخت اجزای تجهیزات پزشکی کربنی، صندلی چرخدار کربنی، استخوان مصنوعی و انواع اجزای مصنوعی بدن و …

کاربرد الیاف کربن در بخش انرژی

  • ساخت پره توربین های کربنی و آسیاب های بادی جهت تولید برق از انرژی باد، ساخت و تولید باتری‌های سوختی و…
  • کاربرد الیاف کربن در صنایع تجهیزات الکتریکی، الکترونیک و ماشین سازی
  • ساخت چرخ دنده های کربنی، غلتک های کربنی، چرخ دنده های پرسرعت کربنی، قطعات خود روغنکاری شونده، آنتن های کربنی، مخازن تحت فشار کربنی، قاب تلفن های همراه و …
ترمیم و بهسازی سازه های بتنی با چسب اپوکسی و الیاف کربن
بهسازی دال بتنی با الیاف کربن و چسب اپوکسی FRP از روی کف در سازه بتنی

 تولید فیبر کربن CFRP

 تولید فیبر کربن CFRP بر مبنای الیاف پلی اکریلونیتریل شامل سه فاز زیر می‌باشد:

فاز پایدارسازی اکسیداسیونی: در این مرحله الیاف اکریلیک همزمان با اعمال کشش تحت عملیات حرارتی اکسیداسیونی در محدوده دمایی ۲۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سلسیوس قرار می‌گیرد.

فاز کربونیزاسیون: پس از فاز پایدارسازی اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس در محیط خنثی برای مدت چند ساعت، تحت عملیات حرارتی کربونیزاسیون قرار می گیرند.

فاز گرافیتاسیون: با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب ارتجاعی و اعمال این مرحله در محدوده دمایی ۳۰۰۰ – ۱۵۰۰ درجه سلسیوس، موجب بهبود درجه جهتگیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و سایر ویژگی‌های مکانیکی می‌شود.

فرآیند تولید الیاف کربن CFRP بر مبنای سایر پیش‌زمینه‌ها نیز، مشابه مراحل فوق است. مشخصه های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاه‌های میکروسکوپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است. در ساخت CFRP بر پایه پلی اکریلونیتریل، ساختار الیاف در طی عملیات پایدار سازی اکسیداسیونی و متعاقب آن کربونیزاسیون، از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای تغییر می‌کند.

هر چه مقاومت کششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد، مشخصات کششی کامپوزیت CFRP بدست آمده بیشتر خواهد شد. هرگاه مرحله پایدارسازی به شکلی مناسب صورت گیرد، مقاومت کششی و ضریب ارتجاعی با کربونیزاسیون تحت کشش، به مقدار بسیار زیادی در محصول الیاف کربنی نهایی بالا می‌رود. در مجموع مقاومت نهایی و گسیختگی CFRP به نوع الیاف مبنای پیش زمینه، شرایط فرآیند، دمای عملیات حرارتی و وجود نواقص ساختاری در الیاف، مرتبط است.

راهکارهای مرتبط