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

[su_posts id="10411" tax_operator="0" order="desc"]1[/su_posts]

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.

[caption id="attachment_6869" align="aligncenter" width="400"]دکمه‌های زیر کیبورد، ترکیبی از لاستیک و گرافیت. دکمه‌های زیر کیبورد، ترکیبی از لاستیک و گرافیت.[/caption]

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 4 الکترون دارد. البته این از دیدگاه شیمی کلاسیک است و نیازی به دقیق شدن در این رابطه نیست. 3 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.

[su_row]

[su_column size="1/2"]

[caption id="attachment_13860" align="aligncenter" width="560"]لایه‌های کربن در گرافیت لایه‌های کربن در گرافیت[/caption]

[/su_column]

[su_column size="1/2"]

[caption id="attachment_13861" align="aligncenter" width="400"]لایه‌های کربن در گرافیت لایه‌های کربن در گرافیت[/caption]

[/su_column]

[/su_row]

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

[su_row]

[su_column size="2/3"]

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.

[/su_column]

[su_column size="1/3"]

[caption id="attachment_13862" align="aligncenter" width="400"]الماس با اتم‌های کربن الماس با اتم‌های کربن[/caption]

[/su_column]

[/su_row]

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

[caption id="attachment_13863" align="aligncenter" width="760"]ساختار شبکه‌ای از اتم‌های کربن بسیار متنوع است. ساختار شبکه‌ای از اتم‌های کربن بسیار متنوع است.[/caption]

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

[caption id="attachment_13865" align="aligncenter" width="800"]انواع نانولوله‌ی کربن انواع نانولوله‌ی کربن[/caption]

 

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 10 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.

[caption id="attachment_10414" align="aligncenter" width="760"]رشته‌های فیبر کربن. رشته‌های فیبر کربن.[/caption]

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:

[caption id="attachment_10416" align="aligncenter" width="900"]ورقی از جنس کربن کولار ورقی از جنس کربن کولار[/caption]

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.

[caption id="attachment_13866" align="aligncenter" width="640"]انواع ورق‌های کربنی انواع ورق‌های کربنی[/caption]

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 3 تا 10 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:

[su_posts id="10218" tax_operator="0" order="desc"]1[/su_posts]

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.

[caption id="attachment_13867" align="aligncenter" width="650"]بمب‌افکن رادارگریز B2 با بدنه‌ای از فیبر کربن بمب‌افکن رادارگریز B2 با بدنه‌ای از فیبر کربن[/caption]

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 787 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.