كل شيء عن ألياف الكربون وكيف يتم صنعه

يُدعى أيضًا ألياف الجرافيت أو الجرافيت الكربوني ، ألياف كربونيه يتكون من خيوط رقيقة جدًا من عنصر الكربون. هذه الألياف لديها قوة شد عالية وقوية للغاية بالنسبة لحجمها. في الواقع ، شكل واحد من ألياف الكربون أنابيب الكربون- تعتبر أقوى مادة متاحة. ألياف كربونيه التطبيقات تشمل البناء والهندسة والفضاء والمركبات عالية الأداء والمعدات الرياضية والآلات الموسيقية. في مجال الطاقة ، يتم استخدام ألياف الكربون في إنتاج ريش طاحونة الهواء ، وتخزين الغاز الطبيعي ، وخلايا الوقود للنقل. في صناعة الطائرات ، لديها تطبيقات في كل من الطائرات العسكرية والتجارية ، وكذلك المركبات الجوية بدون طيار. للتنقيب عن النفط ، يتم استخدامه في تصنيع منصات وأنابيب الحفر في المياه العميقة.

حقائق سريعة: إحصائيات ألياف الكربون

تتكون ألياف الكربون من البوليمرات العضوية ، والتي تتكون من سلاسل طويلة من الجزيئات المترابطة مع ذرات الكربون. تصنع معظم ألياف الكربون (حوالي 90٪) من عملية البولي أكريلونيتريل (PAN). يتم تصنيع كمية صغيرة (حوالي 10٪) من حرير الرايون أو عملية البترول.

تخلق الغازات والسوائل والمواد الأخرى المستخدمة في عملية التصنيع تأثيرات وخصائص ودرجات من ألياف الكربون. مصنعي ألياف الكربون استخدام صيغ خاصة ومجموعات من المواد الخام للمواد التي ينتجونها وبشكل عام ، يعاملون هذه التركيبات المحددة على أنها أسرار تجارية.

أعلى درجة من ألياف الكربون بأكثر معامل كفاءة (ثابت أو معامل يستخدم للتعبير عن درجة عددية لـ التي تمتلك فيها مادة خاصية معينة ، مثل المرونة) ، يتم استخدام الخصائص في التطبيقات الصعبة مثل الفضاء.

ينطوي إنشاء ألياف الكربون على كل من العمليات الكيميائية والميكانيكية. يتم سحب المواد الخام ، المعروفة باسم السلائف ، إلى خيوط طويلة ثم يتم تسخينها إلى درجات حرارة عالية في بيئة لاهوائية (خالية من الأكسجين). فبدلاً من الاحتراق ، تتسبب الحرارة الشديدة في اهتزاز ذرات الألياف بشدة لدرجة أن كل الذرات غير الكربونية تطرد تقريبًا.

بعد اكتمال عملية الكربنة ، تتكون الألياف المتبقية من سلاسل ذرات كربون طويلة متشابكة بإحكام مع عدد قليل أو لا توجد ذرات غير كربونية متبقية. يتم بعد ذلك نسج هذه الألياف في قماش أو دمجها مع مواد أخرى يتم بعد ذلك جرحها أو تشكيلها في الأشكال والأحجام المطلوبة.

تعتبر الأجزاء الخمسة التالية نموذجية في عملية PAN لتصنيع ألياف الكربون:

1. الدوران. يتم خلط PAN مع مكونات أخرى ونسج في ألياف ، ثم يتم غسلها وتمديدها.
2. الاستقرار. تخضع الألياف لتغييرات كيميائية لتثبيت الروابط.
3. تفحيم. يتم تسخين الألياف المستقرة إلى درجة حرارة عالية جدًا لتكوين بلورات كربونية مرتبطة بإحكام.
4. معالجة السطح. يتأكسد سطح الألياف لتحسين خصائص الترابط.
5. تحجيم. يتم تغليف الألياف وإفراغها في البكرات ، والتي يتم تحميلها على آلات الغزل التي تقوم بلف الألياف إلى خيوط مختلفة الحجم. بدلا من أن تكون المنسوجة في الأقمشة، يمكن أيضًا تشكيل الألياف مركب المواد ، باستخدام الحرارة أو الضغط أو الفراغ لربط الألياف مع بوليمر بلاستيكي.

يتم تصنيع الأنابيب النانوية الكربونية عبر عملية مختلفة عن الألياف الكربونية القياسية. يُقدَّر أن الأنابيب النانوية تُقدَّر أنها أقوى بعشرين مرة من سلائفها ، في أفران تستخدم أشعة الليزر لتبخير جزيئات الكربون.

ينطوي تصنيع ألياف الكربون على عدد من التحديات ، بما في ذلك:

• الحاجة إلى استعادة وإصلاح أكثر فعالية من حيث التكلفة
• تكاليف التصنيع غير المستدامة لبعض التطبيقات: على سبيل المثال ، على الرغم من أن التكنولوجيا الجديدة قيد التطوير ، بسبب تكاليف باهظة ، يقتصر استخدام ألياف الكربون في صناعة السيارات حاليًا على الأداء العالي والرفاهية مركبات.
• يجب تنظيم عملية المعالجة السطحية بعناية لتجنب إنشاء الحفر التي تؤدي إلى ألياف معيبة.
• التحكم الدقيق مطلوب لضمان الجودة المتسقة
• مشاكل الصحة والسلامة بما في ذلك تهيج الجلد والتنفس
• الانحناء والسرعات في المعدات الكهربائية بسبب الموصلية الكهربائية القوية لألياف الكربون

مع استمرار تطور تكنولوجيا ألياف الكربون ، فإن إمكانيات ألياف الكربون سوف تنوع وتزيد فقط. في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، العديد من الدراسات التي تركز على ألياف الكربون تظهر بالفعل أ قدر كبير من الوعد لخلق تكنولوجيا التصنيع والتصميم الجديد لتلبية الصناعة الناشئة الطلب.

يعمل الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية جون هارت ، أحد رواد الأنابيب النانوية ، مع طلابه من أجل التغيير تقنية التصنيع ، بما في ذلك البحث عن مواد جديدة لاستخدامها مع طابعات ثلاثية الأبعاد من الدرجة التجارية. "طلبت منهم أن يفكروا تماما في القضبان أوضح هارت أنه إذا كان بإمكانهم تصور طابعة ثلاثية الأبعاد لم يتم تصنيعها من قبل أو مواد مفيدة لا يمكن طباعتها باستخدام الطابعات الحالية.

كانت النتائج آلات نموذجية لطباعة الزجاج المنصهر والآيس كريم الناعم ومركبات ألياف الكربون. وفقًا لهارت ، ابتكرت فرق الطلاب أيضًا آلات يمكنها التعامل مع "قذف البوليمرات المتوازي بمساحة كبيرة" وإجراء "المسح البصري في الموقع" لعملية الطباعة.

بالإضافة إلى ذلك ، عمل هارت مع أستاذ مشارك في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Mircea Dinca في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في تعاون استمر ثلاث سنوات مع Automobili Lamborghini للتحقيق في إمكانيات ألياف الكربون والمواد المركبة الجديدة التي قد لا يوم واحد فقط "تمكين الجسم الكامل للسيارة لاستخدامها باعتبارها نظام البطارية ، "ولكنه يؤدي إلى" أجسام أخف وأقوى ، ومحولات حفازة أكثر فاعلية ، وطلاء أرق ، وتحسن في نقل الحرارة لمجموعة الحركة [بشكل عام]. "

مع هذه الاختراقات المذهلة في الأفق ، فلا عجب أنه من المتوقع أن ينمو سوق ألياف الكربون من 4.7 دولار في عام 2019 إلى 13.3 مليار دولار بحلول عام 2029 ، بمعدل نمو سنوي مركب (CAGR) قدره 11.0 ٪ (أو أعلى قليلا) خلال نفس الفترة من زمن.

• ماكونيل ، فيكي. "صناعة ألياف الكربون." مركب العالم. 19 ديسمبر 2008
• شيرمان ، دون. "أبعد من ألياف الكربون: المادة اختراق التالي أقوى 20 مرة." سيارة وسائق. 18 مارس 2015
• راندال ، دانييل. “يتعاون باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مع لامبورغيني لتطوير سيارة كهربائية في المستقبل" MITMECHE / في الأخبار: قسم الكيمياء. 16 نوفمبر ، 2017
• "سوق ألياف الكربون بواسطة المواد الخام (PAN ، Pitch ، Rayon) ، نوع الألياف (Virgin ، المعاد تدويره) ، نوع المنتج ، المعامل ، التطبيق (مركب ، غير مركب) ، صناعة الاستخدام النهائي (A & D ، السيارات ، طاقة الرياح) ، والمنطقة - التوقعات العالمية حتى عام 2029. " MarketsandMarkets ™. سبتمبر 2019