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.

مقدمه‌ای بر کامپوزیت و چیستی آن

کامپوزیت به هر ماده‌ای که به روش‌های خاص مواد مختلف را ترکیب کرده باشد گفته می‌شود.

کامپوزیت‌ها بسته به مواد تشکیل‌دهنده ممکن است سخت و نرم، صلب و انعطاف‌پذیر و سبک و سنگین باشند. حتی اگر مقصود خاصی مد نظر مهندسین باشد، می‌توانند کامپوزیت را برای کاربری‌های خاص بهینه کنند، مثلاً مقاومت بسیار بالا در برابر خمش و در عین حال مقاومت کم در برابر پیچش. همه چیز به کاربرد و نظر طراح بستگی دارد.

الیاف کربن 4 برابر بیشتر از فولاد و 8 برابر بیشتر از آلومینیوم در تست کشش مقاومت می‌کنند. خم کردن آنها هم بسیار مشکل‌تر از فلزات است و از همه جالب‌تر این است که وزن کمتری هم دارند. به طور معمول یک قطعه که از فیبر کربن ساخته شده باشد، فقط یک سوم یک قطعه‌ی فولادی وزن دارد و این چیزی است که در صنایعی مثل هواپیما و سازه‌های سبک، اهمیت بسیار زیادی دارد.

بال یک هواپیما با اسکلت چوبی و فلزی و سطح تقویت شده توسط کامپوزیت کربن

کامپوزیت کربن و ساختار آن به زبان ساده

کامپوزیت کربنی که گاهی به آن فیبر کربن هم گفته می‌شود درست مثل هر کامپوزیت دیگری شامل دو جزء است: رشته‌ها یا الیاف و چسب یا رزین یا ماتریس.

رشته‌های مستحکم کربن شبکه‌ای مستحکم را در ماده‌ای پلاستیکی مانند تشکیل می‌دهند و مقاومت آن را زیاد می‌کنند. البته دقت کنید که اپوکسی (Epoxy) و رزین‌های پلیمری  پلاستیک ساده نیستند! می‌توان به جای کربن از الیاف شیشه و مواد ارزان‌تر و البته با استحکام کمتر هم استفاده کرد که کاربردهای خاص خود را دارد. به هر حال همیشه به دنبال ساخت محکم‌ترین کامپوزیت نیستیم و هزینه هم مهم است. 

به چسب رزین یا ماتریس هم گفته می‌شود که ممکن است از مواد مختلفی مثل اپوکسی و پلیمرهای ساده‌تر  انتخاب شود.

ماتریس اپوکسی پذیرای رشته‌های تقویت‌کننده‌ی کربنی.

هر رشته‌ی الیاف کربن در حقیقت یک رشته نیست، بلکه خود از چند صد یا حتی چند هزار رشته‌ی باریک‌تر از موی انسان تشکیل شده است.

رشته‌ای از الیاف کربن با هزاران فیلامنت باریک‌تر از مو.

تعداد رشته‌ها اثر زیادی روی قیمت و البته خواص مکانیکی الیاف کربن دارد. هر چه تعداد بیشتر باشد، محصول گران‌تر و محکم‌تر خواهد بود. در تصویر زیر دو نمونه‌ی 3000 رشته‌ای و 12000 رشته‌ای را مشاهده می‌کنید:

رشته‌های فیبر کربن.

یک ورقه یا شیت کربن از همین الیاف تشکیل شده است که به صورت چهارخانه در هم تنیده‌اند:

شیت یا ورقی از الیاف کربن.

ممکن است از الیاف دیگری در کنار کربن استفاده شود تا خواص مکانیکی جالبی به دست آید و از مهم‌ترین موارد می‌توان به کولار (Kevlar) اشاره کرد:

ورقی از جنس کربن کولار

کربن و کولار با وجود مقاومت فوق‌العاده نسبت به برش حساس هستند و با قیچی به راحتی بریده می‌شوند. بنابراین روشن است که کربن و هر نوع الیاف دیگری به تنهایی کاری از پیش نمی‌برد، ترکیب با ماتریس است که از این مواد ساده، محکم‌ترین قطعات را می‌سازد.

اصطلاح فیبر کربن معمولاً به کامپوزیتی با فیبر کربن اشاره می‌کند و نه الیاف کربنی.

فیبرکربن به مراتب محکم‌تر از فلزات است و در حقیقت ترکیبی فیزیکی از دو ماده نیست.

استحکام یک کامپوزیت کربنی دو دلیل اصلی دارد: علت اول سختی ذاتی کربن و ماتریس استفاده شده است. علت دوم که بسیار مهم است و کار تولید را پیچیده و مشکل می‌کند این است که واکنشی شیمیایی بین دو ماده‌ی موردبحث رخ می‌دهد. تفاوت کامپوزیت با قطعه‌ای که فرض مثال ترکیب چوب و فلز یا فلز و کربن است در همین جمله خلاصه می‌شود که ترکیب از نوع کنار هم قرار گرفتن و فیزیکی نیست! واقعاً دو ماده با هم ترکیب می‌شوند و ساختاری مستحکم پدید می‌آید.

اصطلاح Cure (کیور) که در مورد اِپوکسی به کار می‌رود هم به همین معنی است که اجازه بدهیم رزین کاملاً ترکیب شود و استحکام خود را آشکار کند.

ساخت کامپوزیت و استفاده از ربات

ساخت یک کامپوزیت به سادگی قطعات فلزی و آلومینیومی نیست. در تمام روش‌ها باید چسب یا همان رزین واکنشی شیمیایی بدهد و همین بخش کار است که به دقت، مهارت، تجهیزات و تجربه نیاز دارد.

در تمام روش‌ها به قالب نیاز داریم. گام اول Lay Up است به این معنی که انسان یا ربات مشغول چیدن ورقه‌های کربنی روی هم می‌شود. ممکن است برای افزایش استحکام از یک یا چند لایه‌ی کربنی استفاده شود، به همین علت به این روش لایه‌گذاری یا Lay Up گفته می‌شود. اگر تعداد قطعه زیاد باشد ربات این کار را می‌کند و اگر قطعه بزرگ و در تعداد محدود انجام شود، باید از تجربه‌ی کارگران و مهندسین حرفه‌ای برای انجام این کار بهره گرفت.

کاربرد ربات برای ساخت کامپوزیت در کمپانی GE (جنرال الکتریک)

در کمپانی جنرال الکتریک ابتدا ورقه‌های کربنی آغشته به اپوکسی می‌شوند و سپس عملیات لایه‌گذاری توسط ربات‌ها شروع می‌شود. اپوکسی در دمای معمولی پس از چند دقیقه تا نهایت نیم ساعت محکم می‌شود از این رو لایه‌های آغشته به اپوکسی در سرما نگهداری می‌شوند. ربات‌ها در هنگام قرار دادن لایه‌ها، می‌توانند نقاط خاصی را گرم کرده و کامپوزیت را سریعاً محکم کنند.

در روش‌های مختلف کامپوزیت‌کاری می‌توان از اپوکسی‌هایی استفاده کرد که در دمای معمولی واکنش خود با کربن را شروع می‌کنند و سفت می‌شوند. اپوکسی‌های گرماسخت به گرما نیاز دارند و معمولاً باید آنها را در کوره برای مدت مشخصی قرار داد تا کامپوزیت به حالت نهایی خود برسد.

کروه دیگری از اپوکسی‌ها به خلاء یا برعکس، فشار نیاز دارند.

به هر حال نتیجه‌ی نهایی این است که کربن دیگر کربن نیست و به فیبر کربن تبدیل شده، ماده‌ی بسیار سخت با ظاهری شبیه تصویر زیر:

نمونه‌ای از یک کامپوزیت کربنی

ساخت کامپوزیت به روش تزریق یا Injection

روش دیگری که در صنایع خودروسازی استفاده می‌شود و استحکام بسیار خوبی دارد، روش تزریق است. در این روش ابتدا لایه‌های کربنی در قالب یا قالب‌ها قرار داده می‌شوند و سپس رزینی مثل اپوکسی، در آن تزریق می‌شود. بدین ترتیب می‌توان حتی قطعاتی پیچیده را با استحکام بالا و وزن کم تولید کرد:

ساده‌ترین روش ساخت کامپوزیت: Hand Lay Up

ساده‌ترین روشی که شاید برای نمونه‌های اولیه و تولید محدود، کمترین هزینه و پیچیدگی را داشته باشد، روش لِی آپ دستی است به این معنی که Lay Up با استفاده از قلم‌مو و احتمالاً استفاده از ژل‌ کوت (Gel Coat) انجام می‌شود. در تصویر زیر ژل کوت که لایه‌ای برای جداسازی بهتر کامپوزیت از قالب است، روی قالب زده شده و سپس کمی رزین، ورق کربنی و در نهایت پخش شدن رزین با قلم‌مو را مشاهده می‌کنید:

Lay Up دستی یا Hand Lay Up ساده‌ترین راه کامپوزیت‌کاری

برای ساخت قطعات بزرگ و حتی بدنه‌ی یک قایق کامپوزیتی هم می‌توان از لی آپ دستی استفاده کرد.

ساخت کامپوزیت به روش Lay Up دستی

ساخت کامپوزیت به روش Lay Up دستی