دیلوت شور ینبرک یاه ربیف±وش تولید...42 هرامش - دیلوت و...
TRANSCRIPT
42ره
ما ش
- ید
تول و
تاخ
سسی
ندمه
ی فن
لهمج
| w
ww
.irm
pm.co
m
285
مقدمهفيبر کربن ماده ای است با طول زياد و ضخامت خيلی کم که به قطری فواصل با و اند تشکيل شده کربن های اتم از عمده طور اتم های کربن اند. تابيده شده به هم متر ميلی تا 0.010 0.005اصلی محور در جهت که ميکروسکوپيکی های کريستال بصورت فيبر های کربن قرار گرفته اند به هم متصل شده اند.جهت گيری کريستال، فيبرها را به طور خارق العاده ای قدرتمند می کند. هزاران هزار فيبر کربن به هم تابيده می شوند تا يک رشته نخ کربنی بوجود بيابد که می توان از آن به طور مستقل يا بافتن در يک ماده ی ديگر استفاده کرد. يک تک رشته ی فيبر کربن يا ماده ای که فيبرکربن در آن بافته شده را با رزين اپوکسی مخلوط می کنند و توسط روش کامپوزيتی مواد تا شوند می داده شکل درهم تنيدن يا قالبگيری
مختلفی از آنها بدست بيايند.مواد تقويت شده با فيبر کربن را در صنايع هوايی و فضايی، بدنه ی خودرو های مسابقه ای، دسته ی چوب گلف، بدنه دوچرخه، چوب ماهيگيری، کمک فنر خودرو، بدنه قايق ها و بسياری از وسايل که
نياز به سبک وزن بودن و استحکام باال دارند، بکار می برند.فيبرهای کربن اولين بار در دهه ی 50 به عنوان تقويت کننده برای قطعات پالستيکی تزريقی با دمای باال در توليد جنگ افزار ها بکار ابريشم اوليه، رشته های فيبر های توليد برای زمان آن برده شد. به صورت و شده کربونيزه تا دادند می حرارت آنقدر را مصنوعی
فيبر در بيايند اما اين فرآيند اصال کارآمد نبود، زيرا فيبر های حاصله تنها شامل 20درصد کربن بودند و استحکام و سختی پايينی داشتند. در اواخر دهه ی 60 فرآيندی که در آن از پلی آکرونيتريل به عنوان ماده ی خام اوليه استفاده می کردند، بکار برده شد. فيبر کربن توليد شده با استفاده از اين روش تقريبا 55درصد کربن داشت و در نتيجه خواص و ويژگی های برتری نسبت به فرايند قبلی داشت. اين ويژگی ها باعث شده که اين فرآيند به سرعت تبديل به روش پايه برای توليد
فيبر های کربنی بشود.در اواسط دهه ی 70، آزمايشات بسياری برای پيدا کردن مواد خام از آمده بدست قير معرفی به نتيجه در که گرفت انجام جايگزين تقطير نفت خام به عنوان ماده ی خام اوليه انجاميد. اين فيبر ها با داشتن ميزان 85درصد کربن بهترين استحکام پيچشی را دارا بودند تاييد مورد محدود فشاری استحکام داشتن دليل به متاسفانه که
صنعتگران قرار نگرفتند.امروزه فيبرهای کربن بخش مهم بسياری از محصوالت را تشکيل می دهد و کاربردهای آن هر ساله گسترش می يابد. اياالت متحده آمريکا ، ژاپن و اروپای غربی توليد کننده های انحصاری اين مواد
می باشند.طبقه بندی فیبر های کربنی
فيبر های کربنی را بر اساس مقاومت کششی آنها طبقه بندی می کنند. برابر در را فيبر يک مقاومت که است معياری کششی مقاومت نيروی کششی خارجی تا قبل از شکست و پاره شدن بيان می کند. فيبرهای کربن با مقاومت کششی زير 240 گيگا پاسکال را در دسته
روش تولید فرزان صیرفي فیبر های کربنی
مهندس مكانیك ساخت و تولید
شرکت فنون گستر استوار
42اره
شم -
د ولی
و تت
اخ س
سیند
مهی
فنله
مج |
ww
w.ir
mpm
.com
286
فيبرهای با مقاومت پايين طبقه بندی می کنند. نوع ديگری از آن را بصورت صعودی بر اساس مقاومت کششی در دسته های جدا گانه ای با عنوان “ مقاومت استاندارد” ، “ مقاومت متوسط”
، “ مقاومت زياد” و “ مقاومت فوق زياد” طبقه بندی می کنند.فيبر های کربن با مدول فوق زياد دارای مقاومت کششی بين 500 گيگا تا 1 ترا پاسکال می باشند. در مقايسه آن با فوالد که مقاومت کششی 200 گيگا پاسکال دارد، واضح است که فيبر
های کربنی 5 برابر فوالد استحکام دارند!فيبرهای گرافيتی ذکر شده از نوع فيبرهای کربن با مدول فوق زياد می باشند که از قير بدست می آيند. ساختار داخلی اين فيبرها طوری است که در آن کريستالها در سه جهت بخصوص قرار گرفته اند که شکل خاصی از کربن خالص که گرافيت ناميده می شود ، می باشند. انتقال فيبرهای اين خاصيت از به همين خاطر بيشتر است. از مس به مراتب فيبرها اين حرارتی
گرافيتی نسبت به خواص مکانيکی آن استفاده می شود.مواد خام
ماده خام مورد استفاده برای ساخت فيبرهای کربنی را پيش ماده می نامند. تقريبا 90درصد فيبر های کربن موجود از پلی آکرونيتريل ساخته می شوند. 10درصد باقی مانده از ابريشم مصنوعی يا قير نفتی ساخته می شوند. تمام اين مواد پليمر های طبيعی هستند که از رشته های بلند مولکولی که توسط اتم های کربن به هم متصل شده، تشکيل می شوند. ترکيب دقيق پيش ماده برای هر کمپانی به صورت انحصاری و
سری می باشند.در طی فرآيند توليد از گازها و مايعات مختلفی استفاده می شود. بعضی از اين مواد طوری طراحی شده اند تا در واکنش با فيبر ها اثر مورد نظر را ايجاد کنند. ديگر مواد طوری طراحی شده اند که با فيبر ها واکنش ندهند يا حتی از هر واکنشی با آن جلوگيری کنند. مثل پيش ماده ها که ترکيب دقيق مواد بسياری از اين فرآيندها به صورت سری و انحصاری برای شرکت های
توليد کننده ی آنها می باشند.فرآيند تولید
فرآيند توليد فيبر های کربنی شامل دو بخش شيميايی و مکانيکی می باشد. پيش ماده به صورت رشته های بلند يا فيبری کشيده می شوند سپس با دمای خيلی باال حرارت داده می شوند بدون اينکه با اکسيژن در تماس باشد. فيبر بدون اکسيژن نميسوزد ولی با حرارت دهی تا دمای خيلی باال اتم های کربن در جای خود ارتعاش کرده تا تقريبا تمامی اتم های غير کربنی خارج شوند. اين فرآيند را کربونيزه کردن می نامند و در نهايت، فيبرهای تشکيل شده از زنجيره های بلند
، محکم و در هم تنيده ی اتم های کربن و مقدار ناچيزی از مواد غير کربنی باقی می ماند. در ادامه به شرح مراحل کلی در توليد فيبر کربن از پلی آکريلونيتريل می پردازيم:
ريسندگی1- پودر پالستيک آکرونيتريل با يک پليمر ديگر مثل متيل آکريالت يا متيل متا آکريالت مخلوط می شود سپس با کاتاليزور طی يک فرآيند پليمريزاسيون محلول برای فرم و شکل
دهی پالستيک پلی آکرونيتريل ،واکنش داده می شود.2- سپس ترکيب پليمر بدست آمده به همراه فيبرها به روش های مختلفی در هم بافته و تنيده می شود. در بعضی روش ها پالستيک با مواد شيميايی خاصی مخلوط شده و بوسيله ی پمپ های جت کوچکی به داخل يک حوضچه حاوی مواد شيميايی يا محفظه سخت کاری که پالستيک در آنجا جامد شده و شکل اوليه خود را می گيرد، پمپ می شود. اين فرآيند شبيه فرآيندی است که برای توليد الياف فيبرهای آکرونيتريل بکار برده می شود. در روش ديگر مخلوط پالستيک پس از حرارت دهی و توسط پمپ های کوچک جت به داخل محفظه ای که محلول تبخير شده و فيبر جامد باقی می ماند،رانده می شود. مرحله ريسندگی به علت
42ره
ما ش
- ید
تول و
تاخ
سسی
ندمه
ی فن
لهمج
| w
ww
.irm
pm.co
m
287
اينکه ساختارهای اتمی فيبرها در طی اين فرآيند شکل می گيرند، اهميت بسزايی دارد.
شوند. می کشيده مختلف قطرهای به و شده فيبرها شستشو -3فرآيند کشش کمک می کند مولکول ها در طول فيبر جهت گيری از پس کربن کوچک کريستالهای دهی شکل و داشته مناسبی
کربونيزاسيون را فراهم می سازد.تقويت کردن
4- قبل از اينکه فيبرها کربونيزه شوند الزم است تا از نظر ساختار اتمی و مولکولی، پيوند اتمی خطی به يک پيوند پلکانی مستحکم تر تبديل شود، اين واکنش با حرارت دهی تا دمای بين 200 تا 300 اين شود. می کامل دقيقه 30 تا 20 مدت برای سلسيوس درجه عمليات باعث می شود که فيبرها مولکولهای اکسيژن را از هوا گرفته و آرايش مولکولی خود را دوباره تغيير دهد. واکنش های ثابت شده شيميايی، پيچيده و شامل چندين مرحله می باشند که بعضی از آنها بسيار شبيه هم هستند. در طی اين واکنش ها گرمای زيادی ايجاد می شود که بايد کنترل گردد تا بيش از اندازه حرارت فيبرها را باال نبرند. از لحاظ اقتصادی و تجاری عمليات تقويت وابسته به تجهيزات در ها فيبر ها فرآيند بعضی در باشد. بسياری می تکنيک های و طول يک سری محفظه حرارتی کشيده می شوند و در بعضی ديگر فيبرها در بستر مواد رقيق که بصورت معلق توسط جريان داغ هوا نگاه داشته می شوند، بوسيله ی غلتک های داغ عبور داده می شوند.
بعضی فرآيندها از مخلوط هوای گرم با گاز های خاصی که فرآيند تقويت را سرعت می بخشد استفاده می کنند.
کربونیزه کردنتا دمای 1000 تا و مستحکم شدند، تقويت فيبرها هنگاميکه -53000 درجه سانتيگراد برای چند دقيقه در کوره ای که حاوی گازی خالی از اکسيژن است حرارت داده می شوند. نبود اکسيژن از سوختن فيبرها در حرارت های باال جلوگيری می کند. فشار گاز داخل کوره باالتر از فشار هوای خارج آن است و نقاطی که فيبرها به کوره داخل يا خارج می شوند کامال آب بندی می شوند تا اکسيژن به آن وارد دست از به شوند، شروع می داده حرارت فيبرها هنگاميکه نشود.
از اتم های کربن به دادن اتم های غير کربنی به عالوه ی کمی صورت گازهای مختلفی از قبيل بخار آب ، آمونياك ، مونو اکسيد کربن ، کربن دی اکسيد، هيدروژن، نيتروژن و غيره می کند. وقتی که اتمهای غير کربنی آزاد شدند اتم های کربنی باقی مانده بصورت به موازات آيند که کريستال های به هم چسبيده محکمی در می
محور فيبرها جهت گيری کرده اند. در بعضی فرآيند ها برای کنترل بهتر نسبت خنک شدن در طی فرآيند
کربونيزه شدن از دو کوره با دو دمای متفاوت استفاده می شود.
عمل آوری و آماده سازی سطح فیبرهاآسانی به است که فيبر ها طوری از کربونيزه کردن سطح 6-بعد می استفاده کامپوزيتی مواد در که موادی ساير و ها اپوکسی با شود اتصال برقرار نمی کند يا به اصطالح نمی چسبند. بدين منظور های اتم کردن اضافه کنند. می اکسيده اندکی را ها فيبر سطح زبری می و کردن اچ و بهبود چسبندگی باعث به سطح اکسيژن شود. اکسيداسيون می تواند با فرو بردن فيبر ها در گاز های مختلفی مثل هوا ، کربن دی اکسيد يا ازن حاصل شود. يا با فرو بردن فيبر يا نيتريک اسيد حاصل شود. ها در مايعاتی مثل سديم هيپوکلرايد فيبر ها می توانند با قرار گرفتن به عنوان قطب مثبت در محفظه ای که در آن مواد رسانای الکتريکی مختلفی قرار گرفته است به صورت الکترواستاتيکی اکسيده شوند..در اين فرآيند بايد توجه شود که اثرات
نامطلوب سطحی مثل ايجاد حفره در سطح در فيبرها ايجاد نشود.
شکل 1 پالستيک به شکل رشته های بهم تابيده ی بلند يا فيبرها کشيده می شوند سپس در معرض حرارت بسيار باال بدون اينکه در تماس اکسيژن باشند، قرار می گيرند. بدون اکسيژن فيبرها نميسوزند اما دمای باال باعث می شود تا اتم ها در جای خود شروع به ارتعاش
شديدی کرده تا اينکه اتمهای غير کربنی از آنها خارج شوند.
42اره
شم -
د ولی
و تت
اخ س
سیند
مهی
فنله
مج |
ww
w.ir
mpm
.com
288
سايز کردن7- پس از عمل آوری الزم برای فيبرها سطح است اينکه از آسيب ديدن هنگام دهی هوا و بافت عمليات باشند پوشش دهی امان در سايز را پروسه اين شود. می دهی اندازه يا کردن دهنده پوشش مواد نامند. شوند می انتخاب طوری استفاده مورد چسب با که جهت شکل دهی کامپوزيت . مواد پوشش باشند سازگار پلی از عبارتند رايج دهی استر، نايلون، اورتان و غيره .
فيبرهای بعد مرحله در -8دور به شده دهی پوشش
ماسوره ها پيجانده می شوند و اين ماسوره ها در دستگاه چرخش قرار گرفته و فيبرها به شکل نخ در ابعاد مختلف از آن جدا می شوند.
کنترل کیفیتفيبر های کربن بسيار نازك اين امکان را به ما نمی دهد که بتوانيم ابعاد آنها را حين توليد کنترل کنيم لذا به جای آن می توانيم پارامتر های مختلف توليد را مثل زمان، دما، دبی گاز و ترکيب شيميايی را
در هر مرحله از توليد کنترل نماييم.البته فيبر های کربن پس از توليد در معرض آزمايش های گوناگونی مثل سنجش چگالی، استحکام، مقدار سايز کردن و غيره قرار می گيرد. در دهه 90 ميالدی توليد کنندگان فيبر های کربنی استاندارد هايی را
برای استفاده صنايع در اين زمينه تعريف کردند.مالحظات بهداشتی و ايمنی
در توليد فيبر های کربن 3 فاکتور ذيل بايد مورد توجه قرار بگيرند: 1- پراکندگی گرد و غبار 2- حساسيت پوستی 3- تاثير فيبر ها روی
تجهيزات الکتريکی.و شکسته کربنی های فيبر های تکه است ممکن توليد حين در در هوا بصورت ذرات ريز پراکنده شوند. تحقيقات بهداشتی صنعتی نشان می دهد که به جز بعضی فيبر های آزبستی، ذرات فيبر های کربن آنقدر بزرگ هستند که نمی توانند برای سالمتی انسان خطرناك
باشند البته آنها می توانند ها چشم سوزش باعث در که کسانی لذا شوند می کار ها محيط اين کنند بايد از ماسک های
محافظ استفاده کنند.فيبرهای کربن می توانند
باعث حساسيت های پوستی نيز بشوند مخصوصا در پشت دست ها و مچ ها. استفاده از لباس های محافظ و کرم های محافظ پوست حين کار در اين محيط ها توصيه می شود. مواد مورد استفاده در فرآيند سايز کردن که برای پوشش دهی فيبر ها استفاده می شوند حاوی ترکيباتی هستند که می توانند باعث واکنش های ناهنجار پوستی بشوند در حين
اين فرآيند نيز الزم است که اصول ايمنی را رعايت کنيم.عالوه بر قدرت و استحکام زياد، فيبر های کربن رساناهای الکتريکی خوبی هستند. در نتيجه گرد های ريز کربن در هوا می تواند باعث جدا امکان اگر بشوند. الکتريکی تجهيزات در جرقه و آرك ايجاد کردن اين تجهيزات از محلی که گرد و غبار در آن زياد است وجود نداشت، می توان آنها را در محفظه های آب بندی شده ای قرار داد
تا با گرد و غبار مذکور در تماس قرار نگيرند.آينده و تكنولوژی
نازك های لوله کربنی های فيبر توليد زمينه در پيشرفت آخرين کربنی هستند که نانو لوله ناميده می شوند. اين لوله های تو خالی دارای خواص منحصر و متر هستند ميلی به کوچکی قطر 0.001 الکتريکی می باشند که برای ساخت فيبر های به فرد مکانيکی و جديد با استحکام بسيار باال، لوله های فوق ميکروسکوپی، يا مواد نيمه رسانای جديد برای مدارهای مجتمع ) IC(، مورد استفاده قرار
می گيرند.