کامپوزیت فصل ۹ الیاف کربنی

کامپوزیت فصل ۹ الیاف کربنی – irantarjomeh.ir

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

 کتاب کامپوزیت ها

فصل ۹

بخش ۱

الیاف کربنی

۹-۱ مقدمه

الیاف کربنی خواص برجسته واقعی نشان می دهند. همان گونه که در جدول ۹-۱ نشان داده شده، استحکام آنها، s، با محکم ترین فولادها رقابت می کند. آنها صلبیت (سفتی) (stiffness)، E، بیشتری از هر فلز، سرامیک یا پلیمری دارند و می توانند چنان رسانایی های گرمایی و الکتریکی از خود نشان دهند که تا حد زیادی بیشتر از مواد رقیب آنهاست. اگر مقادیر استحکام یا صلبیت آنها به چگالی پایین آنها، r, ~ 1800-2200 تقسیم شود، خواص بسیار ویژه آنها (E/r، s/r) این گروه از مواد را کاملا منحصر به فرد می سازد.

تمام الیاف کربنی که به صورت تجاری خرید و فروش می شوند از پلی آکریلونیتریل (PAN) یا از زغال، نفت خام یا قیر سنتزی ساخته می شوند. الیاف دارای پایه PAN از یک مخلوط حل شده تولید می شوند و به صورت تر یا خشک ریسیده می شوند تا فیبری به ظاهر برای استفاده در صنعت نساجی تولید شود. این فیبر پایدار سازی شده و کربونیزه می گردد یا یک فیبر کربنی تولید شود. از پسمانده الیاف کتان و شاهدانه که محتوی ۳۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰ فیبر هستند، می تواند موادی با درجه هوا فضایی حاصل شود. موادی با کارایی پایین تر معمولا با استفاده از پسمانده الیاف کتان و شاهدانه ای که محتوی تا ۳۲۰۰۰۰ فیبر هستند تشکیل می شود. الیاف کربنی دارای پایه PAN هنگامی که از پسمانده الیاف کتان و شاهدانه تولید می شوند ارزان قیمت تر هستند.

۹-۲ نظر اجمالی

در این فصل، بحث تهیه الیاف کربنی حاصل از PAN یا قیر را به جای جداگانه به صورت ترکیبی انتخاب کرده ایم. همان طور که در شکل ۹-۱ نشان داده شده، از آنجا که روش های به کار رفته برای ساخت الیاف کربنی حاصل از این دو پیش ماده تقریبا یکسان به نظر می رسند، این سبک ارائه به کار گرفته شده است، به عنوان مثال، هر دو روش شامل تهیه (آماده سازی)، ریسندگی و تجزیه حرارتی بعدی پیش ماده های آلی می باشند. اساسا، یک پیش ماده تهیه می شود، به صورت یک شکل فیبری ریسیده می شود، پایدار سازی می شود تا آن را از یک ترموپلاستیک به یک ترموست تغییر دهد و سپس حرارت داده می شود تا تمام عناصر ناخواسته آن خارج شوند. بسته به دمای فرآوری حرارت نهایی، فیبری تولید می شود که اصولا کربنی است. برای تولید هر دو نوع اولیه و واکنش های شیمیایی که در طی پایدار سازی و کربونیزه شدگی در PAN یا قیر صورت می گیرند زیرا آنها خواص نهایی و هزینه الیاف کربنی تولید شده را تعیین می کنند.

۹-۵ تثبیت پلی آکریلو نیتریل

این فرآیند پلیمر ترموپلاستیک تازه ریسیده شده را به ترموست که توانایی نگهداری شکل آن را در طی کربونیزاسیون دارد، تبدیل می کند (لاوین ۱۹۹۲، یوه، کورای و موچیدا ۱۹۹۴). این عملیات برای الیاف با پایه PAN و الیاف با پایه قیر یکسان است. با این وجود، تثبیت قیرهای آنیزوتروپی شامل اتصال عرضی ساده مولکولهای ورقه مانند است در حالیکه تثبیت PAN شامل چند واکنش شیمیایی مختلف می باشد. تثبیت PAN و قیر، هر دو یک فرآیند گرمازاست به طوری که برای کنترل سرعت واکنش و برای جلوگیری از فرار گرمایی که الیاف را ذوب می کند و خطر آتش سوزی را به همراه دارد، مراقبت زیادی باید انجام شود.

تثبیت (پایداری سازی) تجاری به وسیله حرارت دادن الیاف PAN در هوا بین ۲۰۰ و ۲۶۰ درجه سلسیوس برای یک دوره زمانی که بین سی دقیقه و چندین ساعت تغییر می کند، انجام می شود. در طی تثبیت، چندین واکنش شیمیایی وابسته به هم روی می دهد.

۹-۶ تغییرات شیمیایی در طی کربونیزاسیون

کربونیزاسیون PAN و قیر تثبیت شده شامل حرارت دهی کنترل شده تا دمای حدود ۱۵۰۰ درجه سلسیوس می باشد. اکثریت گازهای انتشار یافته از PAN یا قیر قبل از اینکه دما به ۱۰۰۰ درجه سلسیوس برسد، منتشر می شوند و این انتشار اصولا از نواحی تثبیت نشده می باشد (جاین و آلیرمان ۱۹۸۷، لویس ۱۹۸۲).

۹-۸ خواص الکتریکی

مطالعات خصوصیات ریز ساختاری با استفاده از تکنیک هایی که شامل: پراش پرتو X و پراش الکترون، رزونانس اسپین الکترون، قدرت (توان) ترمو الکتریک، مقاومت مغناطیسی، تصویر برداری حاشیه شبکه و غیره می باشند، انجام شده است. تمام نتایج نشان دادن که الیاف کربنی از لایه های توربواستراتیک (turbostratic) گرافیت تشکیل شده اند که در بعضی زوایا نسبت به محور الیاف جهتگیری ترجیحی دارند. افزایش دمای فرآوری حرارتی منجر به کاهش فاصله بین لایه ای، کاهش فضای خالی (تهی جاها)، رشد ضخامت و مساحت کریستالیت های (ریز بلورهای) گرافیتی و افزایش جهتگیری ترجیحی ریز ساختار می شود. تمام این تغییرات مدول کشسانی (الاستیک) و رسانایی الکتریکی و گرمایی را افزایش می دهند. کاهش مربوطه به استحکام کششی نیز به وسیله مکانیسمی که به نقص های محلی بستگی دارد، روی می دهد و این موضوع در بخش قبلی بحث شده است.