دانلود مقاله الیاف کربن

الياف كربن نسل جديدي از الياف پر استحكام است . اين مواد از پروليز كنترل شده گونه هايي از الياف مناسب تهيه مي شود؛ به صورتي كه بعد از پروليز حداقل 90 درصد كربن باقي بماند. الياف كربن نخستين بار در سال 1879 ميلادي زماني كه توماس اديسون از اين ماده به عنوان رشته پرمقاومت در… پیشنهاد می کنیم ادامه این مطلب مفید و ارزشمند را در مقاله الیاف کربن دنبال نمایید. این فایل شامل 92 صفحه و در قالب word ارائه شده است.

مشخصات فایل الیاف کربن

عنوان: الیاف کربن
فرمت فایل : word (قابل ویرایش)
تعداد صفحات : 92
حجم فایل : 48 کیلوبایت

بخشی از  مقاله الیاف کربن را در ادامه مشاهده خواهید نمود.

دسته بندي براساس ويژگي ها:

• v الياف كربن با ضريب كشساني بسيار بالا؛ بيشتر از 450 گيگاپاسكال
• v الياف كربن با ضريب كشساني بالا؛ بين 350 تا 450 گيگاپاسكال
• v الياف كربن با ضريب كشساني متوسط؛ بين 200 تا 350 گيگاپاسكال
• v الياف كربن با استحكام كششي بالا و ضريب كشساني پايين؛ استحكام كششي بيش از 3 گيگا پاسكال و ضريب كشساني كمتر از 100
• v الياف كربن با استحكام كششي بسيار بالا؛بالاتر از 5/4 گيگاپاسكال

دسته بندي براساس نوع پيش زمينه:

• v الياف كربن با پيش زمينه الياف پلي اكريلونيتريل
• v الياف كربن با پيش زمينه قير صنعتي
• v الياف كربن با پيش زمينه قير مزوفاز
• v الياف كربن با پيش زمينه قير ايزوتروپيك
• v الياف كربن با پيش زمينه الياف ريون( ابريشم مصنوعي)
• v الياف كربن با پيش زمينه فاز گازي و

دسته بندي براساس دماي نهايي عمليات حرارتي:

• v الياف نوع 1، دماي عمليات حرارتي بالا از 2000 درجه سانتي گراد؛توليد كننده الياف HM
• v الياف نوع 2، دماي عمليات حرارتي حدود 1500 درجه سانتيگراد؛توليد كننده الياف HS
• v الياف نوع 3، دماي عمليات حرارتي كم تر يا حدود 1000 درجه سانتي گراد ؛توليد كننده الياف با ضريب استحكام پايين

ساختن الياف كربن:

در فرهنگ واژگان نساجي آمده است:الياف كربن به اليافي گفته مي شود كه دست كم داراي 90 درصد كربن هستند و از پيروليز كنترل شده اليافي ويژه به دست مي آيند. اصطلاح الياف گرافيتي در مورد اليافي به كار ميرودكه كربن آنها بيش از 99 درصد باشد. انواع گوناگوني از الياف به عنوان پيش زمينه توليد الياف كربن وجود دارد كه داراي ويژگي هاي انحصاري و مورفولوژي ويژه هستند. پرمصرف ترين الياف پيش زمينه عبارتند از: الياف پلي اكريلونيتريل (PAN)الياف سلولزي( مانند ريون ويسكوز و پنبه) قير حاصل از قطران ذغال سنگ (Coal tar pitch) و نوع ويژه اي از الياف فنليك

الياف كربن از طريق پيروليز پيش زمينه هالي آلي كه به شكل الياف هستند ساخته مي شود. در واقع انجام عمليات حرارتي حذف عناصري مانند اكسيژن ، نيتروژن ، هيدروژن وباقي ماندن كربن به شكل الياف مي شود. در پژوهش هايي كه بر روي الياف كربن انجام شده مشخص گرديده كه ويژگي هاي مكانيكي الياف كربن با افزايش درجه تبلور وميزان جهت گيري الياف پيش زمينه وكاهش نواقص موجود در آنها بهبود مي يابد. بهترين راه براي دست يابي به الياف كربن با ويژگي هاي مناسب استفاده از الياف پيش زمينه با بيشترين  مقدار جهت گيري و حفظ آن در طي فرايندهاي پايدارسازي وكربنيزاسيون از طريق اعمال كشش در طول فراينداست.

توليد الياف كربن از پيش زمينه پلي اكريلونيتريل:

براي توليد الياف كربن با كيفيت بالا از پيش زمينه PAN و سه مرحله اساسي وجود دارد:

1-مرحله پايدارسازي اكسيدي:

در اين مرحله الياف PAN هم زمان با اعمال كششي مورد عمليات حرارتي اكسيدي در محدوده دمايي 200 تا 300 درجه سانتي گراد قرار ميگيرد . اين عمليات PAN گرما نرم را به تركيبي باساختار نردباني يا حلقه اي تبديل مي‌كند.

2- مرحله كربنيزاسيون:

بعداز اكسيداسيون الياف بدون اعمال كشش درپيرامون دماي 1000درجه سانتي گراد در محيط خنثي (معمولا نيتروژن) براي مدت چند ساعت مورد عمليات حرارتي كربنيزاسيون قرار مي گيرد. در طي اين فرايند عناصر غيركربني آزاد ميشود والياف كربن با بالانس جرمي 50درصد به نسبت الياف PAN نخستين به دست مي آيد.

3-مرحله گرافيتاسيون:

بسته به نوع الياف كربن مورد نظر، از لحاظ ضريب كشساني واعمال اين مرحله در محدوده دمايي بين 1500تا3000 درجه سانتيگراد موجب بهبود درجه جهت گيري كريستاليت هاي كربني در جهت محور الياف وبنابراين مايه ي بهبود ويژگي مي شود.

توليد الياف كربن از ديگر پيش زمينه ها نيز كمابيش داراي مراحل اصلي است كه در مورد توليد از پيش زمينه PAN آورده شد.

ساختار الياف كربن:

مشخصه هاي ساختاري الياف كربن بيشتر با دستگاههاي ميكروسكوپ الكتروني و پراش پرتوي ايكس قابل بررسي است. برخلاف گرافيت ساختار كربن بدون هر گونه نظم سه بعدي است. در الياف كربن برپايه PAN ساختار الياف در طي عمليات پايدارسازي اكسيدي ومتعاقب آن كربنيزاسيون از ساختار زنجيره اي خطي به ساختار صفحه اي تغيير مي‌كند. به اين ترتيب صفحات اصلي در پايان مرحله كربنيزاسيون درجهت محور طولي الياف قرار مي گيرد. بررسي هاي اشعه X با زاويه تفرق باز( Wide angle X –ray) نشان مي‌دهد كه با افزايش دماي عمليات كربنيزاسيون ارتفاع انباشتگي ومقدار جهت گيري صفحات اصلي افزايش مي يابد. قطر منوفيلامنت هاي PAN تاثير عمده اي بر نفوذ عمليات كربنيزاسيون در الياف كربن توليدي دارد به همين دليل تغيير در ساختار  كريستالوگرافي پوسته وهسته هر منوفيلامنت در اليافي كه كاملا پايدار شده اند به وضوح قابل مشاهده است. پوسته از جهت گيري مرجح طولي بالا به همراه انباشتگي زياد كريستاليت ها برخوردار است در حالي كه هسته جهت گيري كم تر صفحات اصلي وحجم كم تر كريستاليست ها را نشان مي‌دهد.

عموما ديده شده كه هر چه استحكام كششي الياف پيش زمينه بيشتر باشد ويژگي هاي كششي الياف كربن به دست آمده نيز بيشتر مي شود. چنان چه مرحله پايدارسازي به صورتي مناسب انجام گيرد در آن صورت استحكام كششي وضريب كشساني با كربنيزاسيون تحت كشش به مقدار بسيار زيادي در محصول كربني نهايي بالا مي رود. بررسي هاي انجام شده با دستگاههاي پراش پرتوي ايكس وپراش الكتروني نشان داده است كه در الياف كربن با ضريب كشساني بالا كريستاليستها پيرامون محور طولي الياف قرار گرفته اند.اين درحالي است كه صفحات لايه اي با بيشترين جهت يافتگي به موازات محور الياف استقرار يافته اند. به طور كلي استحكام الياف كربن به نوع پيش زمينه شرايط فرآيند و دماي عملايت حرارتي ووجود نواقص ساختاري در الياف ارتباط دارد. در الياف كربن با پيش زمينه PAN و  افزايش دما تا 1300 درجه سانتيگراد مايه ي افزايش استحكام مي شود ولي پس از 1300درجه استحكام به آرامي كم ميشود. اين موضوع در مورد ضريب كشساني نيز صادق است.

الياف كربن بسيار ترد هستند لايه ها در الياف با اتصالات ضعيف واندروالسي به هم ديگر متصل شده اند. تجمع فلس مانند لايه ها موجب مي شود تا رشد ترك در جهت عمود بر محور الياف به آساني صورت بگيرد. در خمش الياف در كرنش هاي بسيار پايين مي شكنند. باتمام اين معايب الياف كربن از نقطه نظر مجموع ويژگي هاي شيميايي فيزيكي و مكانيكي منحصر به فردي كه دارد در بسياري از عرصه هاي مهندسي وعلوم در دو دهه اخير تقريبا بدون رقيب مانده است.

كامپوزيتهاي كربن- كربن (ccc) شامل سابترين الياف كربني در يك ماتريس و زمينه كربني می باشند. اين كامپوزيتها به فرمهاي گوناگوني از يك بعدي تا n بعدي با استفاده از فايبرها و پارچه مي باشد:

1) يك بعدي با استفاده از فايبر

2) دو بعدي با استفاده از پارچه

 3) سه بعدي

4) n بعدي

اين مواد داراي خواص مكانيكي بالا (مقاومت ويژه و چقرمگی،…) مدول يانگ بالا (stiffness) و پايداري حرارتي وشيميايي عالي در دماهاي بالا در محيط هاي خنثي هستند و اگر در محيطهاي اكسيدي بكار برده شوند بايستي coat شوند. البته اين مواد از مقاومت فرسايشي كمي دردماي بالا برخورد دارند.

در اين مواد بعلت اينكه ساختار كربن مي تواند از كربن آمورف تا گرافيت تغير كند در نتيجه كامپوزيتهاي مختلف با خواص متفاوت خواهيم داشت.

پارامترهاي مؤثر بر خواص كامپوزيت كربن – كربن

1) پارامترهاي موثر بر خواص زمينه كربن انزوتروپي كريستال گرافيت ، جهت گيري كريستالها ، تخلخل، ساختار زمينه «گرافيت يا glassy‍‌»)

2) پارامترهاي موثر بر خواص الياف كربني

3) شرايط پروسس مانند دماي عمليات حرارتي نهايي كه ساختار كريستالها و ابعاد آنها را تعيين مي كند و در نتيجه روي خواص مكانيكي تأثير شديدي مي گذارد.

خواص الياف كربن تحت تأثير دو عامل پيش زمينه مصرفي و نوع پروسينگ ساخت مي باشد كه پيش زمينه مصرفي ميتواندRayon(ابريشم مصنوعي)، (Polyacrylonitritc)PAN   , Petroleum pitch  باشد.

پروسه ساخت الياف از RAYON

ابتدا الياف rayon تا دماي 400 حرارت داده مي شوند تا سلولز آن پيروليز گردد سپس كربنيزه كردن با حرارت دادن تا دماي 1000 صورت مي گيرد كه پس از كامل شدن كربنيزاسيون الياف تا دماي بيش از 2000 حرارت مي بيند تا گرافيته شدن صورت گيرد. در اين روش الياف بدست آمده داراي مدول پايين    27.6 Gpaيا 4×10⁶ Psi  مي باشد.

پروسه ساخت الياف از P.A.N  و Pctroleum pitch

براي تهيه الياف مدول بالا ( 5×10⁶  psi  يا 344 Gpa ) و استحكام بالا (300×10³ psi  يا 2.07 Gpa) از اين دو ماده استفاده مي شود. در تهيه الياف از PAN ابتدا
الياف PAN به ميزان %500 تا %1300 كشيده مي شوند و سپس دردماي 200-280^OC  در محيط اكسيژن پايدارمي شوند كربنيزه شدن الياف در دماي بين 1000-1600^OC صورت مي گردد در نهايت گرافيته كردن در دماهاي بالاتر از 2500^OC صورت مي گردد.

پروسه ساخت الياف از pitch مشابه پروسه ساخت الياف از P.A.N مي باشد با اين تفاوت كه كشش الياف را نداريم و فرم الياف شكل از كشش pitch مذاب از داخل حديده حاصل مي شود. شكل الياف بدست آمده روي خواص مكانيكي آن تأثير شاياني دارد مثلا الياف C شكل و الياف توخالي نسبت به الياف كاملا گرد و يا سه گوش مقاومت بيشتري را نشان مي دهند.

براي ساخت سراميكهاي كربني از كربن اوليه (ذرات جامد كربن خالص) به عنوان Filler و كربن ثانويه به عنوان بايندر كه پس از عمليات حرارتي كربن بجاي مي گذارد استفاده مي شود.

در ساخت كامپوزيتهاي كربن – كربن از الياف  كربني بجاي كربن اوليه استفاده مي شود و فضاي خالي بين الياف توسط كربن ثانويه پر مي شود كه كربن ثانويه از سه طريق زير تأمين مي شود:

1- CVD

2- استفاده از رزين ترموست

3- استفاده از رزين ترموپلاست

استفاده ازCVD برای ساخت قطعات نازك و استفاده از رزينهاي ترموست و ترموپلاست براي ساخت قطعات ضخيم مفيد مي باشد.

پروسه CVD :

در اين روش كربن پيروليتيك بين الياف رسوب كرده ( دماي 800-2000^OC) و چون سطح محصول فاقد آلودگي است براي قطعات بيولوژيك بسيار مناسب است. بسته به دماي تجزيه و روش ورود گاز به محفظه پروسس CVD در ساخت كربن – كربن به سه روش تقسيم مي شود :

1- روش ايزوترم                 2- روش شيب دمايي                 3- روش شيب فشاري

1- پروسه ايزوترم :

پريفرم الياف درون كوره مقاومتي يا القايي قرار گرفته و گرم مي شود تا به دماي ثابت وپايداري برسد در اين دما واكنش كننده هاي گازي وارد محقطه شده و بصورت كربن ثانويه روي پريفرم مي نشيند. چون سطح خارجي قطعه گرمتر از داخل آن است كربن تمايل به رسوب كردن روي سطح خارجي دارد. لذا قبل از اينكه عمق قطعه با كربن پوشيده شود سطح آن پوشيده مي شود براي رفع اين اشكال ماشینکاری مداوم قطعه و تكرار پروسه ضروري است.

2- پروسه شيب دمايي :

براي رفع مشكل روش فوق قطعه پريفرم توسط يك (mandrel) ماندرل و از طريق القايي گرم مي شوند لذا درون آن گرمتر از بيرون آن بوده و كربن ابتدا روي سطح داخل قطعه رسوب مي كند و بتدريج كه سطوح خارجي تر هم گرم مي شوند كربن بصورت شعاعي روي سطوح خارجي تر هم رسوب مي نمايد.

3- پروسه شيب فشاري :

 گاز واكنش كننده تحت فشار بدرون پريفرم رانده مي شود لذا كربن ابتدا روي سطح داخلی رسوب كرده و پس از پر شدن سطوح ورودي گاز از كانالايي بسمت سطوح خارجي حركت كرده و تمام قطعه در جهت خلاف ورود گاز پر مي گردد.

در صورت تمایل شما می توانید مقاله الیاف کربن را به قیمت 15900 تومان از سایت فراپروژه دانلود نمایید. اگر در هر کدام از مراحل خرید یا دانلود با سوال یا ابهامی مواجه شدید می توانید از طریق آدرس contact-us@faraproje.ir و یا ارسال پیامک به شماره: 09382333070 با ما در تماس باشید. با اطمینان از وب سایت فراپروژه خرید کنید، زیرا پشتیبانی سایت همیشه همراه شماست.