هواپیمای بمب‌افکن که بخش زیادی از بدنه‌ی آن از فیبر کربن تشکیل شده است.

کامپوزیت کربن یا فیبر کربن ترکیبی از الیاف کربن با ماتریسی یا رزینی مثل اپوکسی است که این روزها به وفور در صنایع خودروسازی، هواپیما و پهپاد، ربات‌ها و حتی گوشی و تبلت به کار می‌رود. علت کاربرد وسیع آن هم نسبت بسیار بالای مقاومت به وزن است.

در بخش اول این مقاله به معرفی کامپیوزیت که ترکیبی از الیافی مثل کربن و رزین است پرداختم:

هواپیمای بمب‌افکن که بخش زیادی از بدنه‌ی آن از فیبر کربن تشکیل شده است.

کامپوزیت کربن یا فیبر کربن چیست؟ خواص و روش ساخت آن چگونه است؟

کامپوزیت کربن یا فیبر کربن ترکیبی از الیاف کربن با ماتریسی مثل اپوکسی است که این روزها به وفور در صنایع خودروسازی، هواپیما و پهپاد، ربات‌ها و حتی گوشی و تبلت به کار می‌رود. علت کاربرد وسیع آن هم نسبت بسیار بالای مقاومت به وزن است.

در این بخش می‌خواهیم در مورد کربن و خواص عجیب آن بیشتر بدانیم.

کربن و انواع و اقسام ساختارها

کامپوزیت‌ها را می‌توان از عناصری به جز کربن هم درست کرد. مثلاً الیاف شیشه اما فیبر کربن از نظر استحکام و سبکی در اولویت است. خواص اتم‌های کربن چیزی است که موجب ارجحیت فیبر کربن نسبت به دیگر مواد می‌شود.

کربن همان عنصری است که سخت‌ترین ماده‌ی طبیعت یعنی الماس را شکل داده و در عین حال یکی از نرم‌ترین مواد به اسم گرافیت با خواص جالب هدایت الکتریکی هم از کربن ساخته می‌شود. گرافیت حتی به عنوان روان‌ساز و همین‌طور ماده‌ای بسیار مقاوم در برابر گرما کاربرد دارد. همه‌چیز به این بستگی دارد که پیوند اتم‌های کربن با هم چطور باشد.

نوک نرم مداد و همین‌طور زیر دکمه‌های معمولی کیبورد، کنترلر تلویزیون و … از گرافیت و مواد دیگر تشکیل شده است.

دکمه‌های زیر کیبورد، ترکیبی از لاستیک و گرافیت.

دکمه‌های زیر کیبورد، ترکیبی از لاستیک و گرافیت.

از گرافیت شروع می‌کنیم. صفحاتی از اتم‌های کربن را در نظر بگیرید که با چیدمانی لانه‌زنبوری در کنار هم قرار دارند. اتم کربن پیوند چهارگانه را ترجیح می‌دهد چرا که در لایه‌ی آخر خود ۴ الکترون دارد. البته این از دیدگاه شیمی کلاسیک است و نیازی به دقیق شدن در این رابطه نیست. ۳ الکترون با سه اتم کربن و پیوند چهارم هم یک پیوند ناپایدار است که مرتباً موقعیت آن تغییر می‌کند. بین صفحات کربن هم رابطه‌ی ضعیفی وجود دارد.

لایه‌های کربن در گرافیت

لایه‌های کربن در گرافیت

لایه‌های کربن در گرافیت

لایه‌های کربن در گرافیت

هدایت الکتریکی گرافیت از همان پیوند ناپایدار چهارم نشأت می‌گیرد. برخی الکترون‌ها می‌توانند در صفحه‌ای از اتم‌های کربن آزادانه حرکت کنند.

در الماس پیوند هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر، به ساختار منسجم، منظم و مستحکم می‌انجامد. البته استحکام پیوندها به خوبی گرافیت نیست ولیکن شبکه‌ی چهاروجهی و منظمی که در تمام جهات گسترده شده، استحکام بی‌نظیر الماس را به دنبال دارد.

الماس با اتم‌های کربن

الماس با اتم‌های کربن

و ساختارهای کربن به همین دو مورد خاص محدود نمی‌شود. انواع و اقسام ساختارها شناخته شده و شاید تعداد زیادی هم کشف نشده باشد!

ساختار شبکه‌ای از اتم‌های کربن بسیار متنوع است.

ساختار شبکه‌ای از اتم‌های کربن بسیار متنوع است.

حتی نانولوله‌ی کربنی که آخرین شکل کربن در تصویر فوق است هم انواع جالبی دارد:

انواع نانولوله‌ی کربن

انواع نانولوله‌ی کربن

الیاف کربن

برای تولید فیبر کربن از خاصیت جالب کربن برای تشکیل پیوند با دیگر اتم‌های کربن استفاده می‌شود. ماده‌ای مثل پلی اکریلونیتریل (polyacrylonitrile) که شامل کربن، هیدروژن و نیتروژن است یکی از مواد متداول است که با شکل‌گیری به روش‌های خاص به رشته‌های بسیار بسیار باریک که ضخامتشان فقط ۱۰ میکرومتر است، تبدیل می‌شود. اتم‌های کربن در چنین رشته‌های باریکی، ساختار شش‌ضلعی گرافیت را به خود می‌گیرند.

هزاران یا شاید صدها رشته‌ی به هم می‌پیوندد و چیزی به اسم Tow یا رشته‌ی به هم تنیده نشده‌ی شکل می‌گیرد. ممکن است الیاف به صورت پارچه‌ی تلقیح شده با اپوکسی یا به صورت خشک برای استفاده در صنایع مختلف عرضه شوند.

رشته‌های فیبر کربن.

رشته‌های فیبر کربن.

یک روش متداول برای افزایش استحکام استفاده از طرح مشبک است. کربن به تنهایی یا در ترکیب با الیاف دیگری مثل کولار درست مثل پارچه بافته می‌شود:

ورقی از جنس کربن کولار

ورقی از جنس کربن کولار

ممکن است در برخی صنایع از پارچه‌های کربن استفاده نشود بلکه مستقیماً الیاف کربن با چیدمان و شکلی خاص بافته شود. در غیر این صورت هنگام استفاده از الیاف کربن باید به جهت قرار گرفتن آنها توجه کرد چرا که استحکام محصول وابستگی شدیدی به جهت‌گیری بهینه دارد. برخی صفحات کربن در جهت قطر به راحتی تخریب می‌شوند اما در  راستای طول یا عرض مقاومت بسیار بالایی دارند.

انواع ورق‌های کربنی

انواع ورق‌های کربنی

در ساخت کامپوزیت معمولاً چندین لایه‌ی مختلف وجود دارد، هر لایه می‌تواند در جهتی خاص قرار گیرد و از این طریق استحکام کلی محصول در تمام جهات به قدر کافی خواهد بود به علاوه اینکه در جهتی خاص که جهت اصلی نیروست، استحکام عالی دارد.

چرا همیشه از کربن استفاده نمی‌شود؟

پاسخ ساده است، قیمت! قیمت مواد اولیه‌ای که برای تولید الیاف ظریف کربن لازم است، هزینه‌ی استفاده از کربن چه به ساده‌ترین شکل و چه با استفاده از ربات‌های بسیار دقیق باشد، زیاد است.

شاید دوچرخه‌هایی با بدنه‌ی سبک کامپیوزیتی را دیده باشید. قیمت این دوچرخه‌ها بین ۳ تا ۱۰ برابر بیشتر از یک دوچرخه‌ی معمولی است. البته سبک بودن و صرف انرژی کمتر برای به حرکت درآوردن دوچرخه مزیتی است که خیلی‌ها را به خرید چنین محصولاتی تشویق می‌کند. نمونه‌اش را دیدیم:

دوچرخه‌ی الکتریکی Leaos از نور خورشید تغذیه می‌کند و شما را به سفرهای طولانی می‌برد

دوچرخه‌ی الکتریکی Leaos از نور خورشید تغذیه می‌کند و شما را به سفرهای طولانی می‌برد

دوچرخه از جمله وسایل نقلیه‌ی بسیار مهم برای شهرهای شلوغ چین، آلمان، ژاپن و دیگر کشورهاست و چه خوب است اگر دوچرخه‌ی الکتریکی مجهز به پنل خورشیدی باشد و خودش را شارژ کند!

در صنایع خودرو و به خصوص خودروهای مسابقه‌ای که حالت لوکس دارند هم قطعات کربنی مثل سپر و اسپویلر طرفداران زیادی پیدا کرده و حتی برخی خودروهای چند صد هزار دلاری با بدنه‌ای که بیشتر بخش‌هایش از فیبر کربن است، عرضه می‌شوند.

در صنایع هوایی وزن کم و استحکام بسیار بالای فیبر کربن هزینه‌ها را جبران کرده و کمپانی‌های بزرگ مثل بویینگ و ایرباس به وفور از کامپوزیت‌ها استفاده می‌کنند.

بمب‌افکن رادارگریز B2 با بدنه‌ای از فیبر کربن

بمب‌افکن رادارگریز B2 با بدنه‌ای از فیبر کربن

صرف‌نظر از هزینه، سختی بالای کربن به معنی شکنندگی آن است. در حقیقت موادی که حالت کریستالی دارند، تا حدی ترد و شکننده هستند و کربن هم از این قاعده مستثنی نیست. این شکنندگی گاهاً دردسرساز می‌شود. مثلاً بویینگ در آن روزهای ابتدایی تولید بویینگ ۷۸۷ متوجه ترک‌هایی شد که در ابتدا به راحتی و مثل فلزات آشکار نبود. همین کشف ساده منجر به توقف تولید و تقویت مجدد پنل بال شد.

فیبر کربن زیبایی خاص و دلفریبی دارد، اما گران است و شکننده. به همین علت است که در حال حاضر فلزات کاربرد خاص خودشان را حفظ کرده‌اند و در صورت نیاز و به تناسب هزینه، از کربن هم استفاده می‌شود.

 

بازگشت به دانش‌نامه
1 vote, average: 5٫00 out of 51 vote, average: 5٫00 out of 51 vote, average: 5٫00 out of 51 vote, average: 5٫00 out of 51 vote, average: 5٫00 out of 5 (1 نظر، امتیاز: 5٫00 از 5)
برای نظر دادن ابتدا باید ثبت نام کنید.
Loading...
لينک کوتاه:

FacebookTwitterGoogle


دیدگاه بگذارید

اطلاع از
wpDiscuz

تبلیغات

تبلیغات

تبلیغات

×