ماشین آهنی یا کربنی؟

استفاده از قطعات فیبر كربن همواره مورد توجه خودروسازان بوده و هست. چراكه با افزایش استحكام و كاهش وزن كمك بسیاری به اقتصادی بودن و بالابردن راندمان محصولات می كند. هزینه و زمان بری تولید محصولات ساخته شده از فیبر كربن به طور قابل توجهی در چند سال گذشته كاهش پیدا كرده است، به طور مثال خودروی سوپراسپرت مك لارن  MP4-12Cكه كاملأ از قطعات فیبر كربنی ساخته شده می تواند در كسری از زمان و هزینه های خودوری سوپراسپرت مك لارن F-1 كه در دهه 90 ساخته شده تولید شود، این درحالیست كه توانایی های یكسان و مشابهی را داشته با این برتری كه مقررات و استانداردهای ایمنی بالاتر و بیشتری را پشت سر گذاشته است.

به گزارش گروه خودروی هیتنا این كاهش در هزینه ها و سهولت نسبی در پروسه ساخت و تولید محصولات آنها را بسیار جذاب و مورد پسند خودروسازان قرار می دهد تا در خودروهای استاندارد تولید انبوه مورد استفاده قرار گیرند (این درحالیست كه تا به امروز از قطعات فیبر كربن تنها در خودروهای خاص و اسپرت استفاده می شود.) در سال 2010 شركت بی ام و همكاری مشتركی را با گروه SGL آلمان برای تولید قالب ها و مواد تقویت شده فیبر كربن تشكیل داد.

خودروی الكتریكی i3 اولین خودرویی است كه از این تكنولوژی در آن استفاده می شود. ارزش و هزینه یك پوند از این مواد در حال حاضر یك سوم زمانی است كه بی ام و از فیبر كربن در ساخت سقف فیبر كربنی سبك وزن مدل تولید محدود M3 CSL از آن استفاده كرد. بخشی از این كاهش هزینه ها از طریق تولید در مقیاس اقتصادی حاصل شده، از آنجا كه ساخت این قطعات در حال حاضر با همكاری شركت SGL بسیار آسانتر است از سال 2004 هنگامیكه در مدل CSL از این قطعات استفاده شد.

فرآیندی بنام انتقال و قالب ریزی رزین در ساخت اجزاء و قطعات كربنی مورد استفاده قرار می گیرد كه طی آن پارچه و الیاف مصنوعی فیبر كربن در یك قالب قرار گرفته و رزین تحت فشار شدید و دمای بالا بر روی آن پاشیده می شود و كل این فرآیند از زمان شروع تا پایان شكل گیری قطعه كمتر از 10 دقیقه طول می كشد.

استحكام، وزن كم و حالا ارزانتر و آسانتر بودن ساخت و تولید نسبت به گذشته دلیل محكمی است برای استفاده از قطعات فیبر كربنی در خودروها. به نظر می رسد كه شركت بی ام و مطمئنأ آخرین سازنده ای نخواهد بود كه از فیبر كربن در محدوده تولیدات خود استفاده كند. اما با این برنامه راه را برای ورود سایر خودروسازان به استفاده از فیبر كربن در محصولات خود باز كرده است.

ساخت الیاف کربن

در فرهنگ واژگان نساجی آمده است: 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. اصطلاح الیاف گرافیتی درمورد الیافی به کار می رود که کربن آنها بیش از 99 درصد باشد. انواع گوناگونی از الیاف به عنوان پیش زمینه تولید الیاف کربن وجود دارد که دارای ویژگی های انحصاری و مورفولوژی ویژه هستند. پرمصرف ترین الیاف پیش زمینه عبارتند از : الیاف پلی اکریلونیتری(PAN) ، الیاف سلولزی (مانند ریون ویسکوز و پنبه)، قیر حاصل از قطران ذغال سنگ (Coal tar pitch) و نوع ویژه ای از الیاف فنلیک.

الیاف کربن از طریق پیرولیز پیش زمینه های آلی که به شکل الیاف هستند، ساخته می شود. در واقع انجام عملیات حرارتی موجب حذف عناصری مانند اکسیژن، نیتروژن و هیدروژن و باقی ماندن کربن به شکل الیاف می شود. در پژوهش هایی که برروی الیاف کربن انجام شده، مشخص گردیده که ویژگی های مکانیکی الیاف کربن با افزایش درجه تبلور و میزان جهت گیری الیاف پیش زمینه و کاهش نواقص موجود در آنها، بهبود می یابد. بهترین راه برای دست یابی به الیاف کربن با ویژگی های مناسب، استفاده از الیاف پیش زمینه با بیشترین مقدار جهت گیری و حفظ آن در طی فرآیندهای پایدار سازی و کربنیزاسیون از طریق اعمال کشش در طول فرآیند است.

تولید الیاف کربن از پیش زمینه پلی اکریلونیتریل

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

1 - مرحله پایدار سازی اکسیدی: در این مرحله الیاف هم زمان با اعمال کشش مورد عملیات حرارتی اکسیدی در محدوده دمایی 200 تا 300 درجه سانتی گراد قرار می گیرد. این عملیات، PAN  گرما نرم را به ترکیبی با ساختار نردبانی یا حلقه ای تبدیل می کند.

2 - مرحله کربنیزاسیون: بعد از اکسیداسیون، الیاف بدون اعمال کشش در پیرامون دمای 1000 درجه سانتی گراد در محیط خنثی (معمولا ً نیتروژن) برای مدت چند ساعت، مورد عملیات حرارتی کربنیزاسیون قرار می گیرند. درطی این فرآیند، عناصر غیرکربنی آزاد می شود و الیاف کربن با بالانس جرمی 50 درصد به نسبت الیاف PAN نخستین، به دست می آید.

3 - مرحله گرافیتاسیون: بسته به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب کشسانی، و اعمال این مرحله در محدوده دمایی مابین 1500 تا 3000 درجه سانتیگراد، موجب بهبود درجه جهت گیری کریستالیت های کربنی درجهت محور الیاف و بنابراین مایه ی بهبود ویژگی ها می شود.

تولید الیاف کربن از دیگر پیش زمینه ها نیز کمابیش دارای مراحل اصلی است که در مورد تولید از پیش زمینه PAN آورده شد.

ساختار الیاف کربن

مشخصه های ساختاری الیاف کربن بیشتر با دستگاههای میکروسکپ الکترونی و پراش پرتوی ایکس قابل بررسی است. برخلاف گرافیت، ساختار کربن بدون هرگونه نظم سه بعدی است. در الیاف کربن برپایهPAN ، ساختار الیاف در طی عملیات پایدار سازی اکسیدی و متعاقب آن کربنیزاسیون، از ساختار زنجیره ای خطی به ساختار صفحه ای تغییر می کند. به این ترتیب صفحات اصلی در پایان مرحله کربنیزاسیون در جهت محور طولی الیاف قرار می گیرند. بررسی های اشعه X با زاویه تفرق باز (Wide angle X ray)  نشان می دهد که با افزایش دمای عملیات کربنیزاسیون، ارتفاع انباشتگی و مقدار جهت گیری صفحات اصلی، افزایش می یابد.

قطر منوفیلامنت های PAN تأثیر عمده ای بر نفوذ عملیات کربنیزاسیون در الیاف کربن تولیدی دارد، به همین دلیل تغییر در ساختار کریستالوگرافی پوسته و هسته هر منوفیلامنت در الیافی که کاملا ً پایدار شده اند، به وضوح قابل مشاهده است. پوسته از جهت گیری مرجح طولی بالا به همراه انباشتگی زیاد کریستالیت ها برخوردار است درحالی که هسته، جهت گیری کم تر صفحات اصلی و حجم کم تر کریستالیت ها را نشان می دهد.

منابع: هیتنا، آفتاب