الیاف کربن Carbon fibers

الیاف کربنی Carbon fibers به شکل طناب­های طولانی و پیوسته که شامل دسته­های 1000 تا 160000 تائی از تارهای موازی است ساخته می­شوند.

الیاف کربن یکی از پرکاربردترین الیاف صنعت هستند و در تولید انواع کامپوزیت‌ها استفاده می‌شود.

این الیاف ضریب الاستیک نسبتاً بالایی درمقایسه با الیاف شیشه و کولار دارند.

این الیاف مقاومت و سختی ویژه بالائی از خود نشان می­دهند و به صورت کلی هرچه مدول الاستیسیته افزایش می یابد مقاومت کششی نهائی و نیز کشیدگی گسیختگی کاهش می­یابد.

از آنجائی که گرافیت مدول کششی بالاتری از کربن دارد، الیاف کربنی مدول بالا با استفاده از گرافیتی سازی Graphitization ساخته می­شوند.

مدول کششی و مقاومت الیاف کربن در مقابل افزایش دما پایدار بوده و در برابر محیط های خیلی خورنده نیز بسیار مقاوم است.

Carbon fibers نیز در برابر بار کششی به صورت خطی رفتار نموده و به صورت کششی گسیخته می­شوند.

مهم­ترین عیب Carbon fibers، هزینه بالای آنها است.

این الیاف 10 تا 20 برابر E-glass گرانتر هستند که این مساله به علت قیمت بالای مصالح اولیه و نیز مدت طولانی فرآیند کربنی سازی و گرافیت سازی ایجاد می­گردد.

علاوه­بر این الیاف کربنی به راحتی توسط ماتریس رزینی خیس نشده و بنابراین  اصلاح سطحی قبل از خواباندن آن­ها در ماتریس امری ضروری است.

مزایای الیاف کربن

• نسبت بسیار زیاد استحکام به وزن – مقاومت کششی بالا دراصل مقاومت کششی فوق‌العاده نسبت به وزن آن معادل تقریبی یک سوم فولاد وزن و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت دارد.
• نسبت بالای مدول کششی الاستیسیته به وزن
• استحکام مناسب در برابر خستگی
• ضریب انبساط حرارتی بسیار پائین (کامپوزیت‌های سبک و مستحکم و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می‌سازد)
• قابلیت بافت و تولید پارچه با کمک این نوع الیاف
• مقاومت بالا در برابر خوردگی که در نتیجه دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعه X از بارزترین خصوصیات آن به‌شمار می‌رود.

معایب

• کرنش گسیختگی بسیار کم و شکننده بودن
• کربن هادی الکتریکی است. هدایت الکتریکی بالا ممکن است سبب ایجاد اتصالات کوتاه در قطعات غیر عایق الکتریکی گردد.
• کرنش کم در لحظه شکست
• قیمت بالا
• مقاومت ضربه‌ای کم

خواص الیاف کربن Carbon fibers

این خواص از انتخاب ماده خام پلیمر اولیه، شرایط کربنیزاسیون و عملیات حرارتی و همچنین افزودنی‌های خاص متأثر می‌شود.

مدول الاستیک  این الیاف می‌تواند در 2 گروه باشد

• مدول پایین
• مدول بالا

مدول می‌تواند به اندازه 157 گیگاپاسکال برای الیاف کربن بر پایه قیر، پایین و تا  383 گیگاپاسکال برای الیاف بر پایه PAN بالا می‌باشد.

استحکام کششی نیز از 1367 مگاپاسکال برای الیاف بر پایه PAN تغییر می‌کند. تغییر طول الیاف کم (حدود 1%) است.

الیاف مدول بالاتر دارای طول تغییر کمتری نسبت به الیاف مدول پایین‌تر می‌باشند. از این رو کامپوزیت‌های فایبر کربنی به دلیل تغییر طول محدود الیاف ترد می‌باشند.

به طور متوسط Carbon fibers هدایت دهنده‌های خوبی از الکتریسیته هستند.

الیاف قیر دارای هدایت الکتریکی بهتری نسبت به الیاف بر پایه PAN  می‌باشند.

ضریب انبساط حرارتی (طولی) الیاف کربن اندکی منفی است و با افزایش مدول منفی‌تر می‌شود.

این انقباض می‌تواند با ضریب مثبت انبساط حرارتی زمینه ترکیب شده و یک ضریب انبساط حرارتی نزدیک صفر را حاصل کند.