مروری بر الياف و كامپوزيت های تقويت شده با آن ها

گردآوری: محسن حاجی هادی

الياف كوارتزالياف كوارتز (سيليس فيوز شده ی خالص) تا دمای ۱۰۵۰ درجه سانتيگراد و در زمانهای كوتاه تا ۱۲۵۰ درجه سانتيگراد قابل استفاده اند . حال آنكه الياف شيشه تا ۷۶۰ درجه سانتيگراد كاربرد دارند . كوارتز در برابر رادار نسبت به شيشه شفاف تر است و شفافيت آن در بسامدهای بالا نيز افزايش می يابد . در ضمن چگالی كمتری از شيشه دارد . كوارتز از نظر شيميائی پايدارتر است و مقاومت الكتريكی بالای آن باعث می شود كه برای كاربردهای استتاری (صنايع نظامی) ايده آل باشد . از كاربردهای الياف كوارتز به موارد زير می توان اشاره كرد : عايق حرارتی ، لوازم ورزشی ، ساينده ها ، محافظ رادار و كابل های ضد آتش ، بهای الياف كوارتز تقريباً بين ۱۲۰ تا ۳۰۰ دلار بر كيلوگرم است . در كاربردهائی چون محافظ رادار هواپيما ـ كه در معرض برخورد ذرات تگرگ و غيره هستند ـ الياف كوارتز را به خاطر مقاومت به ضربه ی بالا به كار می برند و اين امر مايه ی كاهش شديد هزينه های جايگزينی می شود .الياف بازالت الياف پيوسته بازالت در دهه ۸۰ ميلادی در شوروی سابق گسترش يافته اما تا كنون كاربرد آنها به صنايع نظامی محدود شده است . در مقايسه با الياف شيشه ، اين الياف دمای كابری بيشتری برابر با ۱۰۱۰ درجه سانتی گراد ، سفتی بالاتر ، مقاومت بهتر در برابر قليائی ها و استحكامی شبيه به S_glass از خود نشـان می دهند . به خاطر مقاومت بـازالت در برابر قليائی ها ، امكان تقويت بتن با آن مد نظر قرار گرفته است .روش توليد الياف بازالت همانند الياف شيشه است ولی ماده اوليه آن سنگ های بازالتی است . هم اكنون بهای آن حدود ۶ تا ۱۰ دلار بر كيلوگرم است .الياف كربــنالياف كربن عمومی ترين الياف در كامپوزيت های با كارآئی بالا هستند . الياف كربن از پيروليز يك ماده آلی ساخته می شوند ، بدين ترتيب ۹۲ درصد يا بيشتر از ماده آلی تبديل به كربن خواهد شد . سپس عمليات حرارتی با دمای بسيار بالائی روی الياف صورت می گيرد تا الياف بسيار قوی و سفتی توليد شود . از مواد اوليه آلی ، پلی اكريلو نيتريل (PAN) ، قير (Pitch) و رايون (Rayon) را می توان نام برد . رايون جزو قابل دسترس ترين مواد اوليه الياف كربن است ، اما به عمليات حرارتی با دمای بسيار بالائی نياز دارد كه بهای تمام شده محصول نهائی را افزايش می دهد . امروزه پلی اكريلو نيتريل و قير جايگزين رايون شده اند . محصول بدست آمده از اين مواد ، با نام الياف گرافيتی (در آمريكا) يا الياف كربنی (در اروپا) شناخته می شوند . استحكام و سفتی الياف كربن بسيار بالاست . اختلاف در ويژگی های الياف ، از شرائط عمليات حرارتی و نوع ماده اوليه ناشی می شود . استحكام الياف حاصل از PAN در محدوده ی خوب تا عالی (۶۸۹۴/۷Mpa) با سفتی تـا (Mpa ۶۲۰۵۲۸/۲) تغيير مي كنند . الياف حاصل از قير ممكن است سفتی تا (Mpa ۹۶۵۲۶۶) داشته باشند . مدول كششی (سفتی) الياف كربن معمولا" به صورت كم (۳۳-۳۵ Msi) ، متوسط (۴۰-۵۰ Msi) ، بالا (۵۰-۷۰ Msi) يا بسيار زياد (۷۰-۱۷۰ Msi) بيان می شود .الياف با سفتی بالا در جهت طولی ضرايب انبساط حرارتی كم يا منفی دارند . با وجود اين ، الياف با سفتی خيلی بالا به عمليات حرارتی دما بالا (۲۷۶۰ درجه سانتی گراد) نياز دارند و بنابراين بسيار گران هستند . اما به خاطر برخی از ويژگی های منحصر به فرد ، كاربردهای روزافزونی در كامپوزيت های با كارآئی بالا پيــدا كرده اند . مقاومت به خستگی آن ها همانند مقاومت شيميائی شانفوق العــاده است .ويژگی های فشاری خوبـی دارند و هم چنين ويژگی های آن ها در جهاتی غير از جهت اصلی الياف مناسب است . هدايت حرارتی بالائی دارند و انباسط حرارتی آن ها به گونه ای است كه اجازه طراحی

۱۹

سازه هائی را با انبساط كم و يا حتی انبساط صفر می دهد . هم چنين ويژگی های اصطكاكی (سايشی) عالی دارند . با وجود اين كه الياف كربن به طور قابل توجهی گران تر از الياف شيشه اند ، در بيشتر كاربردها، تركيب مناسبی از ويژگی های مورد نظر را با بهائی قابل قبول تامين می كنند .با وجود اين ، الياف كربن مقاومت به ضربه و چقرمگی كمتری نسبت به الياف شيشه و آراميد دارند . در حالی كه اين الياف ، خودشان در برابر خوردگی مقاوم هستند ، خوردگی الكترو شيميائی فلزات را گسترش می دهند . در مورد كامپوزيت های با كارآئی بالا، بايد واقع بين بود . بها، فاكتوری مهم در گزينش نوع الياف است . روش هائی برای كاهش هزينه الياف ، بدون تغيير كامل نوع الياف انتخابی وجود دارد . براي مثال ، الياف كربن معمولی از نوع فضائی آن (برای كاربردهای هوا فضائی) بسيار ارزان تر است . يكی از الياف معمولی كم بها ، الياف با بافت درشت با تعداد بيشينه ی ۳۲۰,۰۰۰ تار است . اين الياف به خاطر ساخت سريع آنها ، به گونه ی قابل توجهی ارزان تر هستند . هم چنين قطر تارهای درون الياف نيز می تواند تاثير مهمی بر بهای آن داشته باشد . بيشتر تارهای كربنی حاصل از PAN ، قطری در حدود ۷ ميكرون دارند ، اما الياف با قطر كمتر ( برای مثال 5 ميكرون) كارآئی بهتری دارند . ولی معمولاً گران تر و شكننده تر هستند و بنابراين استفاده از آنها مشكل تر است . جنبه های اقتصادی نيز روی بهای الياف كربن و ديگر الياف تاثير مهمی دارد . چنانچه حجم توليد افزايش يابد ، بها كاهش خواهد يافت و چنانچه ، الياف كربن در كاربردهای معمول بيشتر به كار رود ، انتظار می رود قيمت ها كاهش يابند .با معرفی الياف آراميد در دهه ی ۷۰ ميلادی توجه بازار به الياف كربنی كاهش پيدا كرد . با وجود اين در اوائل دهه ی ۸۰ ميلادی ، توليد كنندگان الياف كربنی توليد الياف با استحكام و سفتی بالا و مقاوم در برابر ضربه را ـ تقريباً با همان بهای پيشين ـ آغاز كردند . بدين ترتيب حتی سهم بيشتری از بازار را به خود اختصاص دادند . با طراحی مناسب ، كامپوزيت هاي الياف كربنی می توانند ده برابر مستحكم تر و پنج برابر سفت تر از فولاد با دست كم یک پنجم وزن فولاد باشند . هيچ نوع الياف ديگری نمی تواند سفتی كربن را به همراه استحكام زياد و با بهای معقول تامين كند . كاربردهای الياف كربن عبارتند از : لوازم ورزشی (كفش های دو ميدانی ، راكت تنيس و غيره ) ، اندام مصنوعی ، بدنه هواپيما ، سازه های ماهواره ای ، تجهيزات حفاری در دريا ، بدنه موتور موشك ، درهای شاتل فضائی و غيره . كامپوزيت های الياف كربنی در بيشتر هواپيماهای نظامی و هواپيماهای نوين يافت می شوند . هم چنين به كارگيری اين كامپوزيت ها در كاربردهای زيربنائی هم چون تقويت سازه ای يا بازسازی در برابر زلزله مرسوم است . بهای نوع معمول اليـاف كربن حدود ۱۴ دلار بر كيلوگرم است . حال آنكه بهای ارزان ترين نوع فضائی آن حدود ۴۴ دلار بر كيلوگرم است . با وجود اين ، الياف كربن ويژه كه بهائی بالاتر از ۲۰۰۰ دلار بر كيلوگرم دارند ، نيز موجود هستند و گاهی مصرف می شوند .

۲۰