فیبرکربن
ماده مرکبی کار آمد، ارزشمند و پرمصرف


مرجع تخصصی خودرو و تیونینگ | پارس تیونینگ

با اینکه نخستین کاربرد ماده مرکب فیبر کربن به بیش از 50 سال پیش ( دهه 1960) در موتور و مخازن سوخت موشک ها باز می گردد اما همچنان ماده ای عجیب، مرموز و گران بها بشمار می آید که ساده ترین نوع آن قیمتی حدود 10 دلار برای هر پاوند (453گرم) داد.
قبل از مشهور شدن فیبرکربن، این ماده به عنوان یکی از پلیمر های آلی حاصل از اتصال اتم های کربن به یکدیگر با رشته های طولانی مولکولی به Polyacrylonitrile معروف بود، ماده ای شبیه به همان مواد اکریلیک معروف که در بافت لباس و فرش به کار می رود با این تفاوت که بر خلاف اکریلیک، می تواند به ماده ای محکم تر و سبک تر از فولاد و البته با قیمتی گرانتر بدل میگردد!
شاید بهای سه دلار برای هر پوندکربن، چندان در خور توجه نباشد ولی در مباحث صنعتی و تولیدات انبوه، همین عدد کوچک، بسیار چشمگیر خواهید بود. از آنجایی که برای تولید هرمقدار فیبرکربن، باید نیمی از مواد اکریلیک مانند آن دور ریخته شوند، محصول نهایی دو برابر ماده اولیه قیمت دارد. در واقع بیش از احتساب هزینه های انرژی و تجهیزات به کار گرفته شده در تولیدات این ماده، قیمت هر 453 گرم آن به 5 دلار می رسد!

پس از این مرحله، جداسازی اتم های غیر کربن با زیر فشار قرار دادن اکریلیک بوسیله دستگاه های بسیار بزرگی صورت میگیرد که به گرمای زیادی نیز نیاز داشته و شامل دو مرحله مهم می شود. در نخستین گام، برای تثبیت ماده از راه Oxidation (ترکیب با اکسیژن)، فیبرها با چند صد درجه حرارت و طول 20 تا 30 متر، عبور می کنند که این فرآیند ساعت ها زمان برده و انرژی زیادی را هدر می دهد. اکنون مواد وارد چرخه دیگری با عنوان Carbonization (زغالی شدن) می گردند که اگر چه کوره های این مرحله درازای کمتری داشته و مدت عبور مواد از آنها نیز کوتاه تر است اما در شروع، دمایی نزدیک به هزار درجه سیلیسیوس دارند که تا انتهای کار بسیار بالاتر هم می رود.
نکته اینجاست که برخی از الیاف مورد بحث در کوره ها دوام نیاورده و باید از چرخه تولید خارج شوند. همچنین گازهای فرآیند تولید فیبرکربن بسیار سمی است و تمام این آلاینده ها باید به شکلی تغییر یابند تا محیط زیست آلوده نشود. از سوی دیگر پرداخت بهای دوستدار محیط زیست بودن ارزان نبوده و نیازمند تجهیزات پیشرفته، فضای کافی و انرژی زیادی است تا فاکتور قیمت این محصول باز هم بالاتر رود.
مرجع تخصصی خودرو و تیونینگ | پارس تیونینگ

هنوز برای دستیابی به ماده ای با نمای زیبا و استحکام بالا، بسیار سبک و با ساختاری متفاوت راه زیادی در پیش از زیرا تا این مرحله تنها رشته های کربن تولید شده و اکنون باید بافتی از آنها با یکدیگر پیوند داده شوند تا استحکام لازم و مورد نظر پدید آید. برای دستیابی به این هدف میبایست تمام رشته های تولید شده به طور موازی و هم اندازه کشیده شده و درون ماده زمینه یا رزین کنار هم قرار گیرند چرا که هر رشته موج دار در این بافت، موجب وارد آمدن فشار اضافی به رشته های دیگر شده و در نهایت شکست آنها را به دنبال خواهد داشت. بنابراین جهت جلوگیری از هرگونه خسارت احتمالی ناشی از بافت معیوب، تولید کنندگان مجبورند تا 10درصد بیش از نیاز عملیاتی، فیبرها را کشیده و صاف کنند.
برای دستیابی به ماده ای بسیار سخت، الیاف کربن که به عنوان تقویت کننده در کامپوزیتها پایه پلیمری شناخته شده و حکم میل گردهای درون بتون را دارند. در این رزینهای ویژه ای که می توان آنها را با خود بتون مقایسه کرد، قرار گرفته و حرارت داده می شوند. ترکیب این دو ماده ساختار کامپوزیت مستحکم مورد نظر را اینجاد می کند. رزین یا ماده زمینه که عملکردی همانند بتون در بتون مسلح شده با میلگرد دارد. به دو دسته گرماسخت و گرمانرم تقسیم می شوند. رزین های گرما سخت پس از حرارت شکل نهایی خود را گرفته و فرآینده مذکور بازگشت پذیر نیست ولی رزین گرمانرم پس از شکل نهایی با اعمال حرارت مشخصی، دوباره به حالت اولیه خود باز میگردد مشکل اینجاست که وقتی ماده مرکب حاصل از تلفیق فیبرکربن و رزین گرماسخت شکل گرفت دیگر نمی توان حالت و هندسه ایجاد شده را بدون پشت سر گذاشتن یک مرحله حرارت دهی کامل، تغییر داد و بدون شک هر اشتباه کوجکی در این چرخه تولید، هدر دادن وقت و هزینه را در پی دارد این فرآیند گاهی تا یک ساعت نیز زمان می برد که در خط تولیدی مانند ساخت قطعات اتومبیل که به سرعت و به طور مداوم کار می کنند، چنین وقفه ای زمان زیادی محسوب می شود.
با این تفاسیر، روشن است که تولید و استفاده از ماده مرکب فیبرکربن نه تنها به افرادی با تجربه و متبحر در مدیریت و راهبری این فرایند احتیاج دارد، بلکه نیازمند دستگاه های پر تعداد و پیچیده ای است که موانعی بزرگ در کاهش قیمت فیبرکربن محسوب می شوند. در حال حاظر الیاف مصرفی در تولید مواد کامپوزیت یا همان مرکب شامل پنج گروه می شوند که عبارتند از :

  1. شیشه
  2. کربن
  3. آرامید ( که به اشتباه و به نام نخستین سازنده آن به اسم کولار شناخته می شود)
  4. بازالت
  5. فیبرهای طبیعی همچون لیگنین یا الیاف درخت خرما ( معروف به کامپوزیت سبز)

که بر مبنای نوع رزین و الیاف به کار گرفته شده، مشخصات، کاربری و قیمت های متقاوتی دارند.
نافته نماند استفاده از الیاف طبیعی در تولید کامپوزیت ها و همچنین تکیه بر فرآیند جایگزینی معروف به مبادله حرارتی جهت به کارگیری گرمای پلاسما از جمله راه های جدید کاهش هزینه و زمان تولید به شمار می آیند.
با اینکه هنوز روشی برای ترکیب کربن و رزین در یک فرآیند شیمیایی بدست نیامده است اما پیش بینی های انجام شده، نشان از 60 تا 70 درصد کاهش در هزینه دارند. تفاوت بزرگ این روش، آن است که مواد قابل ارتجاع و حرارت دیده را می توان خیلی سریع برای چند باز ذوب کرد تا اصلاح خطا های تولید در کوتاهترین زمان و با پائین ترین هزینه صورت بگیرد که نتیجه آن صرفه جویی چشمگیر در بهای تمام شده خواهد بود.
مواد مرکب و در راس آنها کامپوزیت فیبرکربن، موجب گشوده شدن افق های تازه ای در بخش های مختلف و متنوع صنعت و فن آوری شده اند تا جایی که هم اکنون در بزرگترین هواپیمای بزرگ مسافربری جهان یعنی ارباس A380 ماده مورد بحث به خوبی جایگزین آلمینیون شده و در خودرو های سوپر اسپرت یا ساخت انواع لوازم ورزشی و... نیز جایگاه خود را یافته است بدون شک در آینده کاربرد این محصول هرچه بیشتر گسترش میابد و در بخش های مخت
لف، عمومیت زیادتری خواهد یافت.

نویسنده : مهندس جواد علیپور صدری
منبع : مجله ماشین
تدوین و تایپ : علیرضا .