الیاف كربن

دسته: مکانیک
بازدید: 118 بار
فرمت فایل: doc
حجم فایل: 50 کیلوبایت
تعداد صفحات فایل: 69

الیاف كربن نسل جدیدی از الیاف پر استحكام است این مواد از پرولیز كنترل شده گونه هایی از الیاف مناسب تهیه می شود؛ به صورتی كه بعد از پرولیز حداقل 90 درصد كربن باقی بماند الیاف كربن نخستین بار در سال 1879 میلادی زمانی كه توماس ادیسون از این ماده به عنوان رشته پرمقاومت در ایجاد روشنایی الكتریكی استفاده كرد، پای به عرصه علم وفن آوری گذاشت با این حال د

قیمت فایل فقط 4,900 تومان

الیاف كربن

پیشگفتار

الیاف كربن نسل جدیدی از الیاف پر استحكام است . این مواد از پرولیز كنترل شده گونه هایی از الیاف مناسب تهیه می شود؛ به صورتی كه بعد از پرولیز حداقل 90 درصد كربن باقی بماند. الیاف كربن نخستین بار در سال 1879 میلادی زمانی كه توماس ادیسون از این ماده به عنوان رشته پرمقاومت در ایجاد روشنایی الكتریكی استفاده كرد، پای به عرصه علم وفن آوری گذاشت. با این حال در آغاز دهه 1960 بودكه تولید موفق تجاری الیاف كربن، با اهداف نظامی و به ویژه برای كاربرد در هواپیمای جنگی، آغاز شد. در دهه های اخیر ،الیاف كربن در موارد غیرنظامی بسیاری، همچون هواپیماهای مسافربری و باربری. خودروسازی. ساخت قطعات صنعتی، صنایع پزشكی، صنایع تفریحی-ورزشی وبسیاری موارد دیگر كاربردهای روز افزونی یافته است. الیاف كربن دركامپوزیت های با زمینه سبك مانند انواع رزین ها به كار میرود. كامپوزیت های الیاف كربن در مواردی كه استحكام وسختی بالا و به همراه وزن كم و ویژگی های استثنایی مقاومت به خوردگی مدنظر باشند، یگانه گزینه پیش روست. همچنین نگاهی كه مقاومت مكانیكی در دمای بالا، خنثی بودن از لحاظ شیمیایی و ویژگی ضربه پذیری بالا نیز انتظار برود، باز هم كامپوزیت های كربنی بهترین  گزینه هستند. با توجه به این ویژگی ها ، پهنه گسترده موارد كاربرد این ماده در گستره های گوناگون فن آوری به سادگی قابل تصور است.

میزان تولید الیاف كربن از 1992 تا 1997 رشد200 درصدی در این فاصله 6ساله داشته كه خود نشانگر اهمیت تكنولوژی این ماده است.

هم اكنون ایالات متحده آمریكا نزدیك به 60درصد تولید جهانی الیاف كربن را به مصرف می رساند وا ین در حالی است كه ژاپن تلاش می‌كند به میزان مصرفی برابر با50درصد تولیدات جهانی این محصول دست یابد. ژاپن به واسطه شركت صنتی توری، خود بزرگترین تولید كننده الیافت كربن در جهان است. هم چنین عمده ترین تولید كننده الیاف كربن با استفاده از پیش زمینه قیر، ژاپن است.

پیشگویی برای سال 2013 میلادی..

سال 2013 است خودرویی جدید به نام 100MPG”BLACKBEAUTY” بدلیل این كه ضمن دارا بودن بالاترین كارایی به میزان 100 درصد نیز دوستدار محیط زیست شناخته شده طرفداران بسیاری زیادی دارد. این خودرو پس از انقراض نسل خودروهای فولادی با سازه ای تمام كامپوزیت بر پایه كربن متولد شده است. با استفاده از مواد كربنی در ساخت بدنه و سازه های اصلی این خودرو مانند شاسی موتور و سیستم های انتقال نیرو، كاهش وزن به دست آمده موجب مصرف اندك سوخت شده است.

این مواد پیشرفته به همراه اندكی فلزات سبك كه عمدتا در اتصالات به كار می روند، اقتصاد خودرو را از لحاظ میزان مصرف سالیانه سوخت با انقلابی عظیم مواجه كرده است. این مواد سبك در فریم شاسی، موتور كاتالیتیك با بازده بالا، در باتری های لیتیمی و موتورهای الكتریكی، پانل های بدنه، مخزن سوخت و مواد پیشرفته نگه دارنده متان كه سوخت اصلی خودروست وخلاصه در تمام المان های اصلی كه چنین وسیله نقلیه كم مصرف با توانایی های بسیار بالا را می سازد به كار رفته است. پانل های بدنه از كامپوزیت های كربنی به روش SMC با سطوح بسیار صاف وآماده رنگ كاری ساخته شده است. فیبریل های كربنی در اندازه های زیر میكرون با ویژگی هدایت الكتریكی سطح قطعات پانل های بدنه را به سادگی دارای ویژگی الكترو استاتیك می كنند. از سوی دیگر چون كامپوزیت پلیمری تقویت شده با الیاف كربن از نظر شیمیایی خنثی است به تخریب در برابر پرتو فرابنفش حساس نیست در نتیجه پانل های بدنه به هیچ نوع عملیات پایانی نیاز ندارند. بخش های دیگری كه زیاد به آن ها توجه نمی شود، مانند در موتور، هوزینگ ها وگیربكس ها تماما از كامپوزیت كربنی به روش قالب گیری تزریقی ساخته شده وجایگزین قطعات سنگین ریخته شده فلزی شده اند. مخزن سوخت كامپوزیت كربنی ساخته شده به روش پیچش الیاف است كه مملو از كربن فعال وفیبریل های كربنی است كه موجب افزایش قابلیت نگهداری گاز مایع در فشارهای پایین می شود. موتور كاتالیتیك از كاتالیست های پوشش داده شده بر روی كره ها و لوله های ریز شیاردار كربنی كه به كربن توخالی معروف هستند ودر واقع نوعی از الیاف كربن سوراخ شده هستند، استفاده می‌كند. این واحد مركزی تولید توان الكتریكی كه در واقع قلب سیستم به حساب می آید به دلیل استفاده زیاد از فراورده های الیاف كربن قادر است كارایی خودرا در دماهای بسیار بالایی كه الزاما در اثر كاركرد موتور پدید می آید به خوبی حفظ كند.این دلیل اصلی بالا بودن غیرمعمول بازده چنین خودرویی است. از سوی دیگر مشكلات مربوط به آن دسته از شكست های قطعات كه ناشی از اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی در نسل خودروهای فلزی بود به واسطه استفاده از قطعات كامپوزیتی كربنی به طور كامل از بین رفته است. مهندسین مواد بادست كاری در میزان جهت یافتگی الیاف كربن نوع جدیدی از الیاف راساخته اند كه به طور استثنایی دارای هدایت حرارتی یك بعدی بسیار زیادی بوده و بدین وسیله توانسته اند دستگاههای سرمازا را با بازده بسیار بالا در موتور این خودرو به كار برند.

در سیستم باتری یونی لیتیم/ لیتیم از آندهای كربنی وكاتدهای كامپوزیت كربنی استفاده شده است.

سیستم جدید تهویه هوا با استفاده از رادیاتورهای پلاستیكی تقویت شده با الیاف كربن، محفظه های كربنی وفوم های كربنی عایق، بیشترین شرایط رفاه وآسایش سرنشین را به همراه حذف كامل گازهای ضدازن فراهم آورده است. سیستم GPS تعبیه شده برای ارتباطات ماهواره ای، تلفن همراه،دستگاه دورنگار و رایانه های on-board همگی ضمن رعایت طراحی ارگونومیك از قاب های كامپوزیت كربنی كه هدایت الكتریكی مناسبی دارند بهره می برند.

قراردادن المان های جهت دار كامپوزیتی بر پایه كربن در جهت اعمال لنگر سیستم تعلیق كربنی را در این خودرو به گونه ای ساخته كه موجب حذف بسیاری از قطعات سنگین فلزی شده و همین موضوع خود موجب عملكرد بهتر سیستم تعلیق شده است. روتورهای كربنی ترمز و لنت ترمزهای گرافیتی وزن مجموعه سیستم ترمز را در راستای عملكرد بهتر ترمز كاهش داده است. رینگ های تقویت شده با الیاف كربن ضمن كاهش وزن موجب سرد كار كردن مجموعه ترمز و در نتیجه بالاتر رفتن ضریب امنیت ترمز می شود.تایرهای با فرمالاسیون پیشرفته شامل فیبریل های كربن وبلوك های كربنی جهت دار به همراه الیافت كربن بافته شده به صورت شعاعی ضمن سبكی موجب حذف مقاومت غلطشی تایر و سردماندن آنها در طول حركت می شود. المان های تعلیق رینگهای وتایرهای ساخته شده از الیاف كربن باعث برقراری مطمئن اتصال با زمین و در نتیجه كمینه شدن احتمال آتش سوزی در اثر بارهای الكترواستاتیك وافزایش امنیت وراحتی سرنشین در هنگام سوار وپیاده شدن از خودرو می شود.

با استفاده روز افزون از الیاف كربن در ساخت خودروهای پیشرفته مصرف سالیانه بنزین به سرعت رو به كاهش گذاشته و نیاز به واردات سوخت های فسیلی را كه باعث عدم تعادل تجاری می شود به حداقل می رساند. در عوض به منظور گسترش واحدهای تولید مواد كربنی جدید با كاربردهای رو به رشد در ساخت خودروهای كربنی میلیون ها فرصت شغلی در كشور پدیدار می شود.

الیافت كربن را میتوان براساس مدول الاستیك استحكام و دمای نهایی عملیات حرارتی به گروههای زیر دسته بندی كرد:

دسته بندی براساس ویژگی ها:

      v        الیاف كربن با ضریب كشسانی بسیار بالا؛ بیشتر از 450 گیگاپاسكال

      v        الیاف كربن با ضریب كشسانی بالا؛ بین 350 تا 450 گیگاپاسكال

      v        الیاف كربن با ضریب كشسانی متوسط؛ بین 200 تا 350 گیگاپاسكال

      v        الیاف كربن با استحكام كششی بالا و ضریب كشسانی پایین؛ استحكام كششی بیش از 3 گیگا پاسكال و ضریب كشسانی كمتر از 100

      v        الیاف كربن با استحكام كششی بسیار بالا؛بالاتر از 5/4 گیگاپاسكال

دسته بندی براساس نوع پیش زمینه:

      v        الیاف كربن با پیش زمینه الیاف پلی اكریلونیتریل

      v        الیاف كربن با پیش زمینه قیر صنعتی

      v        الیاف كربن با پیش زمینه قیر مزوفاز

      v        الیاف كربن با پیش زمینه قیر ایزوتروپیك

      v        الیاف كربن با پیش زمینه الیاف ریون( ابریشم مصنوعی)

      v        الیاف كربن با پیش زمینه فاز گازی و

دسته بندی براساس دمای نهایی عملیات حرارتی:

      v        الیاف نوع 1، دمای عملیات حرارتی بالا از 2000 درجه سانتی گراد؛تولید كننده الیاف HM

      v        الیاف نوع 2، دمای عملیات حرارتی حدود 1500 درجه سانتیگراد؛تولید كننده الیاف HS

      v        الیاف نوع 3، دمای عملیات حرارتی كم تر یا حدود 1000 درجه سانتی گراد ؛تولید كننده الیاف با ضریب استحكام پایین

ساختن الیاف كربن:

در فرهنگ واژگان نساجی آمده است:الیاف كربن به الیافی گفته می شود كه دست كم دارای 90 درصد كربن هستند و از پیرولیز كنترل شده الیافی ویژه به دست می آیند. اصطلاح الیاف گرافیتی در مورد الیافی به كار میرودكه كربن آنها بیش از 99 درصد باشد. انواع گوناگونی از الیاف به عنوان پیش زمینه تولید الیاف كربن وجود دارد كه دارای ویژگی های انحصاری و مورفولوژی ویژه هستند. پرمصرف ترین الیاف پیش زمینه عبارتند از: الیاف پلی اكریلونیتریل (PAN)الیاف سلولزی( مانند ریون ویسكوز و پنبه) قیر حاصل از قطران ذغال سنگ (Coal tar pitch) و نوع ویژه ای از الیاف فنلیك

الیاف كربن از طریق پیرولیز پیش زمینه هالی آلی كه به شكل الیاف هستند ساخته می شود. در واقع انجام عملیات حرارتی حذف عناصری مانند اكسیژن ، نیتروژن ، هیدروژن وباقی ماندن كربن به شكل الیاف می شود. در پژوهش هایی كه بر روی الیاف كربن انجام شده مشخص گردیده كه ویژگی های مكانیكی الیاف كربن با افزایش درجه تبلور ومیزان جهت گیری الیاف پیش زمینه وكاهش نواقص موجود در آنها بهبود می یابد. بهترین راه برای دست یابی به الیاف كربن با ویژگی های مناسب استفاده از الیاف پیش زمینه با بیشترین  مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرایندهای پایدارسازی وكربنیزاسیون از طریق اعمال كشش در طول فراینداست.

تولید الیاف كربن از پیش زمینه پلی اكریلونیتریل:

برای تولید الیاف كربن با كیفیت بالا از پیش زمینه PAN و سه مرحله اساسی وجود دارد:

1-مرحله پایدارسازی اكسیدی:

در این مرحله الیاف PAN هم زمان با اعمال كششی مورد عملیات حرارتی اكسیدی در محدوده دمایی 200 تا 300 درجه سانتی گراد قرار میگیرد . این عملیات PAN گرما نرم را به تركیبی باساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می‌كند.

2- مرحله كربنیزاسیون:

بعداز اكسیداسیون الیاف بدون اعمال كشش درپیرامون دمای 1000درجه سانتی گراد در محیط خنثی (معمولا نیتروژن) برای مدت چند ساعت مورد عملیات حرارتی كربنیزاسیون قرار می گیرد. در طی این فرایند عناصر غیركربنی آزاد میشود والیاف كربن با بالانس جرمی 50درصد به نسبت الیاف PAN نخستین به دست می آید.

3-مرحله گرافیتاسیون:

بسته به نوع الیاف كربن مورد نظر، از لحاظ ضریب كشسانی واعمال این مرحله در محدوده دمایی بین 1500تا3000 درجه سانتیگراد موجب بهبود درجه جهت گیری كریستالیت های كربنی در جهت محور الیاف وبنابراین مایه ی بهبود ویژگی می شود.

تولید الیاف كربن از دیگر پیش زمینه ها نیز كمابیش دارای مراحل اصلی است كه در مورد تولید از پیش زمینه PAN آورده شد.

ساختار الیاف كربن:

مشخصه های ساختاری الیاف كربن بیشتر با دستگاههای میكروسكوپ الكترونی و پراش پرتوی ایكس قابل بررسی است. برخلاف گرافیت ساختار كربن بدون هر گونه نظم سه بعدی است. در الیاف كربن برپایه PAN ساختار الیاف در طی عملیات پایدارسازی اكسیدی ومتعاقب آن كربنیزاسیون از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای تغییر می‌كند. به این ترتیب صفحات اصلی در پایان مرحله كربنیزاسیون درجهت محور طولی الیاف قرار می گیرد. بررسی های اشعه X با زاویه تفرق باز( Wide angle X –ray) نشان می‌دهد كه با افزایش دمای عملیات كربنیزاسیون ارتفاع انباشتگی ومقدار جهت گیری صفحات اصلی افزایش می یابد. قطر منوفیلامنت های PAN تاثیر عمده ای بر نفوذ عملیات كربنیزاسیون در الیاف كربن تولیدی دارد به همین دلیل تغییر در ساختار  كریستالوگرافی پوسته وهسته هر منوفیلامنت در الیافی كه كاملا پایدار شده اند به وضوح قابل مشاهده است. پوسته از جهت گیری مرجح طولی بالا به همراه انباشتگی زیاد كریستالیت ها برخوردار است در حالی كه هسته جهت گیری كم تر صفحات اصلی وحجم كم تر كریستالیست ها را نشان می‌دهد.

عموما دیده شده كه هر چه استحكام كششی الیاف پیش زمینه بیشتر باشد ویژگی های كششی الیاف كربن به دست آمده نیز بیشتر می شود. چنان چه مرحله پایدارسازی به صورتی مناسب انجام گیرد در آن صورت استحكام كششی وضریب كشسانی با كربنیزاسیون تحت كشش به مقدار بسیار زیادی در محصول كربنی نهایی بالا می رود. بررسی های انجام شده با دستگاههای پراش پرتوی ایكس وپراش الكترونی نشان داده است كه در الیاف كربن با ضریب كشسانی بالا كریستالیستها پیرامون محور طولی الیاف قرار گرفته اند.این درحالی است كه صفحات لایه ای با بیشترین جهت یافتگی به موازات محور الیاف استقرار یافته اند. به طور كلی استحكام الیاف كربن به نوع پیش زمینه شرایط فرآیند و دمای عملایت حرارتی ووجود نواقص ساختاری در الیاف ارتباط دارد. در الیاف كربن با پیش زمینه PAN و  افزایش دما تا 1300 درجه سانتیگراد مایه ی افزایش استحكام می شود ولی پس از 1300درجه استحكام به آرامی كم میشود. این موضوع در مورد ضریب كشسانی نیز صادق است.

جهت دریافت فایل الیاف كربن لطفا آن را خریداری نمایید

قیمت فایل فقط 4,900 تومان

برچسب ها : الیاف كربن , طرح توجیهی الیاف كربن , دانلود الیاف كربن , الیاف , کربن , مکانیک , ساختن الیاف كربن , تولید الیاف كربن از پیش زمینه پلی اكریلونیتریل , دانلود طرح توجیهی , پروژه دانشجویی , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , پایان نامه , دانلود پروژه