[Zohreh Gholami]

كاربردهای مختلف الياف كربن

الياف كربن بخاطر داشتن خصوصياتي چون مقاومت زياد، وزن كم و مقاومت در برابر خوردگي و حرارت، مادة بسيار مناسبي جهت تقويت ديگر مواد به حساب ميآيد. متن زير كه از مجلة كامپوزيت نقل شده است، بيانگر ده نوع كاربرد مختلف الياف كربن در حال و آينده است:
 
در دنياي مواد، الياف كربن همانند آخرين اميد براي افزايش خواص مكانيكي عمل ميكند؛ يعني در تقويت ديگر مواد و بهبود ويژگي�هاي آنها معجزهوار عمل مي كند. كامپوزيت هاي تقويت شده با الياف كربن داراي ويژگيهاي برجستهاي مانند استحكام و چقرمگي بالا، سبكي، مقاومت در برابر خوردگي و حرارت و هدايت الكتريكي هستند. از ديگر ويژگيهاي الياف كربن، قابليت استفاده همراه با مواد گوناگون همانند ديگر الياف، پلاستيكها، فلزات، چوب و سيمان است.
 
زولتك يكي از شركت هاي توليد كننده الياف كربن است كه محصولات آن در صنايع گوناگون به كار گرفته ميشوند. اين شركت الياف كربن را از يك فرايند كربنيزاسيون پيوسته توليد ميكند و هم‌اكنون توجه خود را به توليد الياف كربن ارزان معطوف كرده است. زولتك بر روي ده گروه كاربردي تجاري مهم تمركز كرده است. اين ده گروه به صورت مشروح در ادامه آمده است:


1- پلاستيك هاي رسانا و كاهش الكتريسيته ساكن
با توزيع الياف كربن كوتاه در ديگر مواد ميتوان الكتريسته ساكن توليد شده در رايانههاي لپتاپ، چاپگرها و ديگر وسايل مشابه را پخش كرد. انتظار ميرود با افرودن الياف كربن كوتاه و آسياب شده به مواد گرماسخت، نياز به آغازگرهاي رسانا پيش از رنگآميزي قطعه از بين برود. الياف كربن با افزايش جاذبه بين رنگ الكترواستاتيك و قطعه باعث افزايش دقت در رنگ‌آميزي پاششي مي�شوند و در نتيجه هزينه و آلودگي كاهش مي يابند.

2- كاربردهاي صنعتي
در صنعت كاغذ، غلتك هاي سريعي كه سبكي وزن، چقرمگي و عمر بالا را با هم داشته باشند، كليد بهبود توليد و افزايش كيفيت هستند. بسياري از توليدكنندگان كاغذ و چاپخانه ها در ايالات متحده و اروپا هم اكنون از نسل جديدي از غلتك ها و ميله هايي استفاده مي كنند كه از الياف كربن ساخته شده اند. همچنين در ساخت غلتك هاي مورد استفاده در فرايند پيچش الياف (يكي از روش هاي شكل دهي كامپوزيتها) از اين فناروي استفاده مي شود.


3- صنعت ساختمان و كاهش وزن سازه ها
پيشرفت صنعت ساختمان بر استفاده از الياف كربن در كاربردهاي حساس و با حجم بالاي توليد تاكيد ميكند. ظرفيت الياف كربن براي تقويت و كاهش وزن سازههاي بتني مشخص شده است. يك شركت بينالمللي مصالح ساختماني، اين ايده را كه هر بدنة بتني بايد سنگين و ضخيم باشد، دگرگون كرد. اين شركت در نمايشگاه بزرگ بينالمللي هتل، متل و رستوران سال 1998 در نيويورك، يك اتاق مجزاي هتل را در اندازة واقعي به نمايش گذارد. اين اتاق از جنس بتن تقويت شده با كامپوزيتهاي الياف كربن بوده كه كامپوزيكرت ناميده ميشود (Composicrete). اين بازار همچنين شامل ديگر واحدهاي قابل حمل و سرهم كردن براي استفاده در هتلها، متلها، مدرسهها و غيره است.


4- لوازم ورزشي با بهاي باورنكردني
روزگاري تنها ثروتمندان توان استفاده از برخي لوازم ورزشي را داشتند. ولي امروزه با استفاده از الياف كربن، قيمتها به طرز چشمگيري كاهش يافته اند، به گونه اي كه شما به راحتي مي توانيد يك چوب گلف را به بهاي كمتر از 30 دلار تهيه كنيد. الياف كربن به طرز قابل توجهي، كارايي بسياري از لوازم ورزشي را بهبود دادهاند. ولي تا چندي پيش، راكتهاي تنيس و چوبهاي گلف معروف به گرافيتي از الياف كربن بسيار گران ساخته و فروخته ميشدند. شركت زولتك الياف كربن ارزان‌قيمتي را عرضه كرده است كه تهية صفحات نازك پيش آغشته مورد نياز براي لوازم ورزشي از آن بسيار ساده است. اين صفحات در قطعاتي همچون اسكي، اسكيت، تخته برفي و غيره كاربرد دارند.


5- صنعت خودرو، كاهش وزن و افزايش استحكام
هنري فورد در سال 1923 گفته بود: "من نميتوانم چنين خيال واهي را تصور كنم كه استحكام متناسب با وزن است. كاهش وزن خودرو حتي به ميزان جزيي ميتواند منجر به افزايش سرعت و كاهش مصرف سوخت شود. با كاهش وزن، مواد كمتري نيز استفاده ميشود كه به نوبه خود، افت قيمت را به همراه دارد".
 
نگرش هنري فورد درست بود. روز به روز مردم بيشتري در جهان، توانايي خريد خودروي شخصي را پيدا ميكنند و خودروها سوخت بيشتري مصرف كرده و آلودگي بيشتري توليد ميكنند. بنابراين رقابتي شديد براي ساخت خودروهاي ارزانتر، سبكتر و تميزتر درگرفته است. دو طرز فكر براي كاهش وزن خودروها وجود دارد. يكي از اين نگرشها بر جايگزيني جزء به جزء تمركز دارد. در اين نگرش سعي بر اين است طي پنج سال وزن خودرو 150 تا 200 كيلوگرم كاهش يابد. نگرش ديگر بر طراحي كلي سيستمهاي نوين تمركز دارد تا ميزان كاهش وزن بيشتري به دست آيد. هر دوي اين نگرشها اكنون پيگيري مي شوند.

در اروپا و ژاپن كه بهاي بنزين چند برابر ايالات متحده است، در دهة آينده تلاش بيشتري براي عرضه خودروهاي ابرسبك به بازار انجام ميشود. امروزه پلاستيكها و كامپوزيتها نسبت به ديگر مواد به جز فولاد بيشترين سهم را در وزن خودرو دارند. در خودروهاي امروزي پليمرهاي گرمانرم عموماً در كابردهاي غيرسازهاي استفاده ميشوند و به جاي الياف كربن، الياف شيشه به كار گرفته ميشود. زولتك با شركتهاي سازنده خودرو همكاري ميكند، تا فرايندهاي ساخت موجود را با الياف كربن سازگار كند. با توجه به اين كه الياف كربن در واحد حجم قويتر و سفتتر از الياف شيشه هستند، يك خودروي تمام‌كامپوزيتي بيش از 60 درصد كاهش وزن خواهد داشت.


6- وسايل نقليه ديگر (هواپيماها، قطارها، اتوبوس ها)
 يك شركت صنعتي اروپايي روي برنامه جديدي براي بررسي امكان ساخت واگنهاي تمام كامپوزيتي كار ميكند. تيرهاي باربر اين واگن از الياف كربن ساخته خواهد شد. كاربرد الياف كربن در اتوبوسها، كاميونها و ديگر وسايل نقليه رو به افزايش است. كارايي نسل جديد هواپيما (نظامي يا تجاري) با استفاده از الياف كربن افزايش يافته و كاربرد الياف كربن در اين زمينه روز به روز بيشتر مي�شود. همزمان ما شاهد تاكيد بيشتر كاهش هزينه در صنعت هوا و فضا هستيم. هم اكنون شركتهاي بويينگ و لاك‌هيد، الياف كربن رده تجاري را در برنامههاي طراحي خود گنجاندهاند.


7- الياف كربن در توربين هاي بادي
يكي از قديميترين و تميزترين روشهاي توليد انرژي استفاده از نيروي باد است. در طول دهه گذشته ظرفيت توليد الكتريسته از توربينهاي بادي به سرعت افزايش يافته است. هم اكنون اگر توربينهاي بادي در جاي مناسبي قرار داده شوند بهاي الكتريسته توليد شده حدود 5 سنت بر كيلو وات ساعت است. ولي براي همهگيرشدن اين روش، اين بها بايد كاهش يابد تا الكتريسيته توليد شده توانايي رقابت با ديگر روشها را داشته باشد. يعني توربينهاي بادي جديد بايد بزرگتر و كارآمدتر از توربينهاي امروزي(كه طول بيشينهي پرههاي آنها 30 متر است) باشند. امروزه پرههاي توربيني به طول 55 متر طراحي شده است. اين امر مستلزم استفاده از الياف كربن به جاي الياف شيشه است تا استحكام و سفتي مورد نياز را تامين كند. هم چنين انتظار ميرود الياف كربن در مخازن گاز طبيعي فشرده و پيلهاي سوختي نقش مهمي داشته باشند و كاهش وزن، كليد عملي شدن اين فناوريها است.


8- الياف كربن در تقويت سازه ها
صدها هزار پل، پاركينگ، ساختمان بلند و ديگر سازههاي بتني و چوبي در دنيا، به تقويت و ترميم نياز دارند. بازار محصولاتي كه بتوانند اين كار را انجام دهند بسيار گسترده است. بيش از 1500 سازه بتني تاكنون با كامپوزيت تقويت شدهاند. هنگامي كه از كامپوزيتها به جاي فولاد استفاده ميشود، زمان ساخت‌و‌ساز كاهش يافته و وزن كلي سازه به مقدار قابل‌توجهي كم ميشود و در اغلب موارد اختلال ايجاد شده در كارهاي ديگر كاهش مي يابد. تقويتكنندههاي كامپوزيتي معمولاً از صفحات فولادي ارزانتر نيستند ولي كارايي بهتري دارند.


9- الياف كربن و مقاومت در برابر سايش
زولتك مهمترين توليدكننده الياف كربن مورد استفاده در ترمزهاي هواپيما در جهان است. در دماهاي بالا فولاد و ديگر مواد ذوب مي�شوند ولي الياف كربن قويتر ميشوند. الياف كربن به عنوان ماده اصلي تقريباً 50 درصد از ترمزهاي كامپوزيتي كربن/كربن در هواپيماهاي تجاري به كار ميرود. برنامههايي براي به كاربري ترمزهاي كامپوزيتي قطارهاي پرسرعت اروپا در حال بررسي و گسترش است. اين ترمزها شبيه ترمزهاي هواپيما طراحي شده است. كاربرد الياف كربن در ديگر بخشهاي سايشي خودور همانند كلاچ و جعبه دنده در حال گسترش است.


10- صنايع دريايي و قايقهاي تقويت شده با الياف كربن
 يكي ديگر از بازارهايي كه الياف كربن در آن كاربرد گستردهاي دارد، صنايع دريايي است. اين كابردها عبارتند از ساخت دكلها، بادبان�ها عرشه و بدنه ي قايق هاي بادباني، پارويي و موتوري تندرو. آب هاي عميق يكي از بزرگترين مشكلات صنعت نفت هستند. براي غلبه بر اين مشكل نمي توان به ابزار فولادي اعتماد كرد. محدوديتهاي فولاد از پيش در لوله ها و ديگر سازه ها مشخص شده است. شركت زولتك به صورتي فعال مشغول مذاكره با شركت هاي بزرگ نفتي، شركت هاي حفاري و غيره است تا بر روي الياف كربن سرمايه گذاري كنند. زولتك همچنين درگير آزمايش ميله هاي كامپوزيتي است كه سكوهاي نفتي جديد را در عمق 3.7 كيلومتري اقيانوس مهار مي كنند. اين عمق، چهار برابر عميق�ترين سازه هايي است كه با فولاد مهار شده اند.


 موارد ذكر شده از كاربردهاي نوين، تمام كاربردها را در برنميگيرد. به عنوان مثال، در زمينه پزشكي، علاقه ي شديدي به استفاده از كامپوزيت ها براي ساخت پروتزهاي سبك و مستحكم وجود دارد. (پايان نقل قول از مجلة كامپوزيت)


تحليل:
متن فوق نشان‌دهندة فراگير شدن استفاده از الياف كربن در كاربردهاي گوناگون است و جايگزيني گستردهاي كه در آينده به نفع الياف كربن رخ خواهد داد. اين مساله ايجاد بازار بزرگي براي اين الياف و قطعات تقويت شده با اين مواد را نويد ميدهد. بازاري كه با توجه به زمينههايي كه در بالا براي كاربرد اين الياف بيان شده است ارزش زيادي خواهد داشت. علاوه بر اين با توجه به خصوصياتي كه كامپوزيتهاي ساخته شده از اين الياف دارند مانند مقاومت بالا و عدم خوردگي، هزينههاي تعمير و نگهداري را به شدت كاهش ميدهند. در كشور ما توانمنديهايي در ساخت كامپوزيتهاي تقويت شده با الياف كربن وجود دارد كه جاي اميدواري است ولي محدود ميباشد و بايد گسترش يابد. در زمينة توليد اين الياف كاري صورت نگرفته است. در صورت توليد اين الياف در داخل كشور علاوه بر تامين نياز داخلي ما ميتوانيم در بازار آيندة اين الياف نيز سهم داشته باشيم.