الیاف کربن چگونه ساخته می‌شوند؟ راهنمای جامع تولید، کاربردها و آینده فیبر کربنی

الیاف کربن، که به عنوان فیبر گرافیتی یا گرافیت کربن نیز شناخته می‌شوند، از رشته‌های بسیار نازک عنصر کربن تشکیل شده‌اند. این الیاف دارای استحکام کششی بسیار بالا و نسبت به وزن خود فوق‌العاده قوی هستند. در واقع، یکی از انواع الیاف کربن – نانولوله کربنی – به عنوان قوی‌ترین ماده موجود شناخته می‌شود.

کاربردهای الیاف کربن بسیار متنوع هستند و شامل موارد زیر می‌شوند:

• ساخت و ساز
• مهندسی
• صنایع هوافضا
• خودروهای پرسرعت
• تجهیزات ورزشی
• آلات موسیقی

در حوزه انرژی، الیاف کربن در تولید پره‌های توربین بادی، مخازن ذخیره گاز طبیعی و سلول‌های سوختی برای حمل و نقل به کار می‌روند. در صنعت هواپیما، از این الیاف در هواپیماهای نظامی و تجاری و همچنین پهپادها استفاده می‌شود. در اکتشاف نفت، از آن در ساخت سکوها و لوله‌های حفاری در آب‌های عمیق بهره می‌گیرند.

دانستنی‌های جالب درباره الیاف کربن:

• هر رشته از الیاف کربن قطری بین 5 تا 10 میکرون دارد. برای درک بهتر این اندازه، یک میکرون (µm) برابر با 0.000039 اینچ است. یک تار عنکبوت معمولاً بین 3 تا 8 میکرون قطر دارد.
• الیاف کربن دو برابر سفت‌تر و پنج برابر قوی‌تر از فولاد هستند (به ازای واحد وزن). همچنین، از مقاومت شیمیایی بالایی برخوردار بوده و تحمل دمایی بالایی دارند و انبساط حرارتی آن‌ها کم است. این ویژگی‌ها، الیاف کربن را به ماده‌ای ایده‌آل برای کاربردهای گوناگون تبدیل کرده است.

مواد اولیه مورد نیاز برای تولید الیاف کربن

الیاف کربن از پلیمرهای آلی ساخته می‌شوند که این پلیمرها از زنجیره‌های بلند مولکولی تشکیل شده‌اند که توسط اتم‌های کربن به یکدیگر متصل شده‌اند. بیشتر الیاف کربن (حدود 90%) از طریق فرآیند پلی اکریلونیتریل (PAN) تولید می‌شوند. مقدار کمی (حدود 10%) از طریق ریون یا فرآیند قطران نفتی تولید می‌شوند.

گازها، مایعات و سایر مواد مورد استفاده در فرآیند تولید، اثرات، کیفیت‌ها و گریدهای خاصی از الیاف کربن را ایجاد می‌کنند. تولیدکنندگان الیاف کربن از فرمول‌ها و ترکیبات اختصاصی از مواد اولیه برای تولید محصولات خود استفاده می‌کنند و به طور کلی، این فرمولاسیون‌های خاص را به عنوان اسرار تجاری خود تلقی می‌کنند.

الیاف کربن با بالاترین درجه و کارآمدترین مدول (یک ثابت یا ضریب که برای بیان درجه عددی خاصی که یک ماده دارای یک ویژگی خاص مانند خاصیت ارتجاعی است استفاده می‌شود) در کاربردهای سخت مانند هوافضا استفاده می‌شوند.

فرآیند تولید الیاف کربن

تولید الیاف کربن شامل فرآیندهای شیمیایی و مکانیکی است. مواد اولیه، که به عنوان پیش ماده شناخته می‌شوند، به رشته‌های بلند کشیده شده و سپس در محیطی بی‌هوازی (بدون اکسیژن) تا دمای بالا گرم می‌شوند. گرمای شدید باعث می‌شود اتم‌های فیبر به شدت به ارتعاش درآیند و تقریباً تمام اتم‌های غیر کربنی از بین بروند.

پس از اتمام فرآیند کربونیزاسیون، فیبر باقیمانده از زنجیره‌های طولانی و محکم به هم پیوسته اتم‌های کربن با تعداد کمی اتم‌های غیر کربنی یا بدون اتم غیرکربنی تشکیل شده است. این الیاف متعاقباً به پارچه بافته می‌شوند یا با مواد دیگر ترکیب می‌شوند که سپس به صورت رشته‌ای پیچیده شده یا به شکل‌ها و اندازه‌های دلخواه قالب‌گیری می‌شوند.

پنج مرحله زیر در فرآیند PAN برای تولید الیاف کربن معمول است:

1. ریسپنینگ (Spinning): PAN با سایر مواد مخلوط شده و به الیاف تبدیل می‌شود، سپس شسته و کشیده می‌شوند.
2. تثبیت (Stabilizing): الیاف تحت تغییر شیمیایی قرار می‌گیرند تا پیوندها تثبیت شوند.
3. کربونیزاسیون (Carbonizing): الیاف تثبیت شده تا دمای بسیار بالا گرم می‌شوند و کریستال‌های کربنی با پیوند محکم تشکیل می‌دهند.
4. عمل آوری سطح (Treating the Surface): سطح الیاف اکسید می‌شود تا خواص پیوند بهبود یابد.
5. سایزینگ (Sizing): الیاف پوشش داده شده و بر روی قرقره‌ها پیچیده می‌شوند، که روی ماشین‌های ریسندگی بارگذاری می‌شوند و الیاف را به نخ‌های مختلف تبدیل می‌کنند. به جای بافته شدن به پارچه، الیاف همچنین می‌توانند به مواد کامپوزیتی تبدیل شوند و از گرما، فشار یا خلاء برای اتصال الیاف به یک پلیمر پلاستیکی استفاده شود.

نانولوله‌های کربنی از طریق فرآیندی متفاوت از الیاف کربن استاندارد تولید می‌شوند. تخمین زده می‌شود که نانولوله‌ها 20 برابر قوی‌تر از پیش‌سازهای خود هستند و در کوره‌هایی ساخته می‌شوند که از لیزر برای تبخیر ذرات کربن استفاده می‌کنند.

چالش‌های موجود در تولید الیاف کربن

تولید الیاف کربن با چالش‌های متعددی روبرو است، از جمله:

• نیاز به بازیابی و تعمیر مقرون به صرفه‌تر
• هزینه‌های تولید ناپایدار برای برخی کاربردها: به عنوان مثال، حتی با وجود توسعه فناوری‌های جدید، به دلیل هزینه‌های بازدارنده، استفاده از الیاف کربن در صنعت خودروسازی در حال حاضر محدود به خودروهای لوکس و با عملکرد بالا است.
• فرآیند عمل آوری سطح باید به دقت تنظیم شود تا از ایجاد حفره‌هایی که منجر به الیاف معیوب می‌شوند، جلوگیری شود.
• کنترل دقیق مورد نیاز برای اطمینان از کیفیت ثابت
• مسائل مربوط به بهداشت و ایمنی، از جمله تحریک پوست و تنفس
• ایجاد قوس الکتریکی و اتصال کوتاه در تجهیزات الکتریکی به دلیل رسانایی الکتریکی قوی الیاف کربن

آینده الیاف کربن

با ادامه تکامل فناوری الیاف کربن، امکانات استفاده از آن متنوع‌تر و گسترده‌تر خواهد شد. در موسسه فناوری ماساچوست (MIT)، مطالعات متعددی با تمرکز بر الیاف کربن، نویدبخش ایجاد فناوری و طراحی‌های جدید تولیدی برای پاسخگویی به تقاضای نوظهور صنعت هستند.

جان هارت، استاد مهندسی مکانیک و از پیشگامان نانولوله‌ها در MIT، با دانشجویان خود برای دگرگونی فناوری تولید، از جمله بررسی مواد جدید برای استفاده در کنار چاپگرهای سه بعدی تجاری، همکاری می‌کند. هارت توضیح داد: "من از آنها خواستم که کاملاً متفاوت فکر کنند؛ اگر بتوانند یک چاپگر سه بعدی را تصور کنند که قبلاً ساخته نشده است یا یک ماده مفید که با چاپگرهای فعلی قابل چاپ نیست."

نتایج، ماشین‌های نمونه اولیه‌ای بودند که شیشه مذاب، بستنی نرم و کامپوزیت‌های الیاف کربن را چاپ می‌کردند. به گفته هارت، تیم‌های دانشجویی همچنین ماشین‌هایی را ایجاد کردند که می‌توانستند "اکستروژن موازی پلیمرها در سطح وسیع" را انجام دهند و "اسکن نوری درجا" فرآیند چاپ را انجام دهند.

علاوه بر این، هارت با میرچا دینکا، دانشیار شیمی در MIT، در یک همکاری سه ساله که اخیراً با Automobili Lamborghini به پایان رسید، برای بررسی امکانات مواد جدید الیاف کربن و کامپوزیتی همکاری کرد که ممکن است روزی نه تنها "بدنه کامل خودرو را قادر سازد تا به عنوان یک سیستم باتری استفاده شود،" بلکه منجر به "بدنه‌های سبک‌تر و قوی‌تر، مبدل‌های کاتالیزوری کارآمدتر، رنگ نازک‌تر و انتقال حرارت بهتر پیشرانه [به طور کلی]" شود.

با چنین پیشرفت‌های خیره‌کننده‌ای که در پیش رو است، تعجبی ندارد که پیش‌بینی می‌شود بازار الیاف کربن از 4.7 میلیارد دلار در سال 2019 به 13.3 میلیارد دلار تا سال 2029 برسد، با نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) 11.0٪ (یا کمی بالاتر) در طول همان دوره زمانی.