ده نوع کاربرد مختلف الیاف کربن

در دنیای مواد، الیاف کربن همانند آخرین امید برای افزایش خواص مکانیکی عمل می­کند؛ یعنی در تقویت دیگر مواد و بهبود ویژگی­های آن­ها معجزه­وار عمل می­کند. کامپوزیت­های تقویت شده با الیاف کربن دارای ویژگی­های برجسته­ای مانند استحکام و چقرمگی بالا، سبکی، مقاومت در برابر خوردگی و حرارت و هدایت الکتریکی هستند. از دیگر ویژگی­های الیاف کربن، قابلیت استفاده همراه با مواد گوناگون همانند دیگر الیاف، پلاستیک­ها، فلزات، چوب و سیمان است.

زولتک یکی از شرکت­های تولید کننده الیاف کربن است که محصولات آن در صنایع گوناگون به کار گرفته می­شوند. این شرکت الیاف کربن را از یک فرایند کربنیزاسیون پیوسته تولید می­کند و هم‌اکنون توجه خود را به تولید الیاف کربن ارزان معطوف کرده است. زولتک بر روی ده گروه کاربردی تجاری مهم تمرکز کرده است. این ده گروه به صورت مشروح در ادامه آمده است:

1- پلاستیک­های رسانا و کاهش الکتریسیته ساکن

با توزیع الیاف کربن کوتاه در دیگر مواد می­توان الکتریسته ساکن تولید شده در رایانه­های لپ­تاپ، چاپ­گرها و دیگر وسایل مشابه را پخش کرد. انتظار می­رود با افرودن الیاف کربن کوتاه و آسیاب شده به مواد گرماسخت، نیاز به آغازگرهای رسانا پیش از رنگ­آمیزی قطعه از بین برود. الیاف کربن با افزایش جاذبه بین رنگ الکترواستاتیک و قطعه باعث افزایش دقت در رنگ‌آمیزی پاششی می­شوند و در نتیجه هزینه و آلودگی کاهش می­یابند.

2- کاربردهای صنعتی

در صنعت کاغذ، غلتک­های سریعی که سبکی وزن، چقرمگی و عمر بالا را با هم داشته باشند، کلید بهبود تولید و افزایش کیفیت هستند. بسیاری از تولیدکنندگان کاغذ و چاپخانه­ها در ایالات متحده و اروپا هم اکنون از نسل جدیدی از غلتک­ها و میله­هایی استفاده می­کنند که از الیاف کربن ساخته شده­اند. هم­چنین در ساخت غلتک­های مورد استفاده در فرایند پیچش الیاف (یکی از روش­های شکل­دهی کامپوزیت­ها) از این فناروی استفاده می­شود.

3- صنعت ساختمان و کاهش وزن سازه­ها

پیشرفت صنعت ساختمان بر استفاده از الیاف کربن در کاربردهای حساس و با حجم بالای تولید تاکید می­کند. ظرفیت الیاف کربن برای تقویت و کاهش وزن سازه­­های بتنی مشخص شده است. یک شرکت بین­المللی مصالح ساختمانی، این ایده را که هر بدنة بتنی باید سنگین و ضخیم باشد، دگرگون کرد. این شرکت در نمایشگاه بزرگ بین­المللی هتل، متل و رستوران سال 1998 در نیویورک، یک اتاق مجزای هتل را در اندازة واقعی به نمایش گذارد. این اتاق از جنس بتن تقویت شده با کامپوزیت­های الیاف کربن بوده که کامپوزیکرت نامیده می­شود (Composicrete). این بازار همچنین شامل دیگر واحدهای قابل حمل و سرهم کردن برای استفاده در هتل­ها، متل­ها، مدرسه­ها و غیره است.

4- لوازم ورزشی با بهای باورنکردنی

روزگاری تنها ثروتمندان توان استفاده از برخی لوازم ورزشی را داشتند. ولی امروزه با استفاده از الیاف کربن، قیمت­ها به طرز چشمگیری کاهش یافته­اند، به گونه­ای که شما به راحتی می­­توانید یک چوب گلف را به بهای کمتر از 30 دلار تهیه کنید. الیاف کربن به طرز قابل توجهی، کارایی بسیاری از لوازم ورزشی را بهبود داده­اند. ولی تا چندی پیش، راکت­های تنیس و چوب­های گلف معروف به گرافیتی از الیاف کربن بسیار گران ساخته و فروخته می­شدند. شرکت زولتک الیاف کربن ارزان‌قیمتی را عرضه کرده است که تهیة صفحات نازک پیش آغشته مورد نیاز برای لوازم ورزشی از آن بسیار ساده است. این صفحات در قطعاتی همچون اسکی، اسکیت، تخته برفی و غیره کاربرد دارند.

5- صنعت خودرو، کاهش وزن و افزایش استحکام

هنری فورد در سال 1923 گفته بود: "من نمی­توانم چنین خیال واهی را تصور کنم که استحکام متناسب با وزن است. کاهش وزن خودرو حتی به میزان جزیی می­تواند منجر به افزایش سرعت و کاهش مصرف سوخت شود. با کاهش وزن، مواد کمتری نیز استفاده می­شود که به نوبه خود، افت قیمت را به همراه دارد".

نگرش هنری فورد درست بود. روز به روز مردم بیشتری در جهان، توانایی خرید خودروی شخصی را پیدا می­کنند و خودروها سوخت بیشتری مصرف کرده و آلودگی بیشتری تولید می­کنند. بنابراین رقابتی شدید برای ساخت خودروهای ارزان­تر، سبک­تر و تمیزتر درگرفته است. دو طرز فکر برای کاهش وزن خودروها وجود دارد. یکی از این نگرش­ها بر جایگزینی جزء به جزء تمرکز دارد. در این نگرش سعی بر این است طی پنج سال وزن خودرو 150 تا 200 کیلوگرم کاهش یابد. نگرش دیگر بر طراحی کلی سیستم­های نوین تمرکز دارد تا میزان کاهش وزن بیشتری به دست آید. هر دوی این نگرش­ها اکنون پیگیری می­شوند.

در اروپا و ژاپن که بهای بنزین چند برابر ایالات متحده است، در دهة آینده تلاش بیشتری برای عرضه خودروهای ابرسبک به بازار انجام می­شود. امروزه پلاستیک­ها و کامپوزیت­ها نسبت به دیگر مواد به جز فولاد بیشترین سهم را در وزن خودرو دارند. در خودروهای امروزی پلیمرهای گرمانرم­ عموماً در کابردهای غیرسازه­ای استفاده می­شوند و به جای الیاف کربن، الیاف شیشه به کار گرفته می­شود. زولتک با شرکت­های سازنده خودرو همکاری می­کند، تا فرایندهای ساخت موجود را با الیاف کربن سازگار کند. با توجه به این که الیاف کربن در واحد حجم قوی­تر و سفت­تر از الیاف شیشه هستند، یک خودروی تمام‌کامپوزیتی بیش از 60 درصد کاهش وزن خواهد داشت.

6- وسایل نقلیه دیگر (هواپیماها، قطارها، اتوبوس­ها)

یک شرکت صنعتی اروپایی روی برنامه جدیدی برای بررسی امکان ساخت واگن­های تمام کامپوزیتی کار می­کند. تیرهای باربر این واگن از الیاف کربن ساخته خواهد شد. کاربرد الیاف کربن در اتوبوس­ها، کامیون­ها و دیگر وسایل نقلیه رو به افزایش است. کارایی نسل جدید هواپیما (نظامی یا تجاری) با استفاده از الیاف کربن افزایش یافته و کاربرد الیاف کربن در این زمینه روز به روز بیشتر می­شود. هم­زمان ما شاهد تاکید بیشتر کاهش هزینه در صنعت هوا و فضا هستیم. هم اکنون شرکت­های بویینگ و لاک‌هید، الیاف کربن رده تجاری را در برنامه­های طراحی خود گنجانده­اند.

7- الیاف کربن در توربین­های بادی

یکی از قدیمی­ترین و تمیز­ترین روش­های تولید انرژی استفاده از نیروی باد است. در طول دهه گذشته ظرفیت تولید الکتریسته از توربین­های بادی به سرعت افزایش یافته است.

هم اکنون اگر توربین­های بادی در جای مناسبی قرار داده شوند بهای الکتریسته تولید شده حدود 5 سنت بر کیلو وات ساعت است. ولی برای همه­گیرشدن این روش، این بها باید کاهش یابد تا الکتریسیته تولید شده توانایی رقابت با دیگر روش­ها را داشته باشد. یعنی توربین­های بادی جدید باید بزرگتر و کارآمدتر از توربین­های امروزی(که طول بیشینه­ی پره­های آنها 30 متر است) باشند. امروزه پره­های توربینی به طول 55 متر طراحی شده است. این امر مستلزم استفاده از الیاف کربن به جای الیاف شیشه است تا استحکام و سفتی مورد نیاز را تامین کند. هم چنین انتظار می­رود الیاف کربن در مخازن گاز طبیعی فشرده و پیل­های سوختی نقش مهمی داشته باشند و کاهش وزن، کلید عملی شدن این فناوری­ها است.

8- الیاف کربن در تقویت سازه­ها

صدها هزار پل، پارکینگ، ساختمان بلند و دیگر سازه­های بتنی و چوبی در دنیا، به تقویت و ترمیم نیاز دارند. بازار محصولاتی که بتوانند این کار را انجام دهند بسیار گسترده­ است. بیش از 1500 سازه بتنی تاکنون با کامپوزیت تقویت شده­اند. هنگامی که از کامپوزیت­ها به جای فولاد استفاده می­شود، زمان ساخت‌و‌ساز کاهش یافته و وزن کلی سازه به مقدار قابل‌توجهی کم می­شود و در اغلب موارد اختلال ایجاد شده در کارهای دیگر کاهش می­یابد. تقویت­کننده­های کامپوزیتی معمولاً از صفحات فولادی ارزان­تر نیستند ولی کارایی بهتری دارند.

9- الیاف کربن و مقاومت در برابر سایش

زولتک مهم­ترین تولیدکننده الیاف کربن مورد استفاده در ترمزهای هواپیما در جهان است. در دماهای بالا فولاد و دیگر مواد ذوب می­شوند ولی الیاف کربن قوی­تر می­شوند. الیاف کربن به عنوان ماده اصلی تقریباً 50 درصد از ترمزهای کامپوزیتی کربن/کربن در هواپیماهای تجاری به کار می­رود. برنامه­هایی برای به کاربری ترمزهای کامپوزیتی قطارهای پرسرعت اروپا در حال بررسی و گسترش است. این ترمزها شبیه ترمزهای هواپیما طراحی شده است. کاربرد الیاف کربن در دیگر بخش­های سایشی خودور همانند کلاچ و جعبه دنده در حال گسترش است.

10- صنایع دریایی و قایق­های تقویت شده با الیاف کربن

یکی دیگر از بازارهایی که الیاف کربن در آن کاربرد گسترده­ای دارد، صنایع دریایی است. این کابردها عبارتند از ساخت دکل­ها، بادبان­ها، عرشه و بدنه­ی قایق­های بادبانی، پارویی و موتوری تندرو.

آب­های عمیق یکی از بزرگ­ترین مشکلات صنعت نفت هستند. برای غلبه بر این مشکل نمی­توان به ابزار فولادی اعتماد کرد. محدودیت­های فولاد از پیش در لوله­ها و دیگر سازه­ها مشخص شده است. شرکت زولتک به صورتی فعال مشغول مذاکره با شرکت­های بزرگ نفتی، شرکت­های حفاری و غیره است تا بر روی الیاف کربن سرمایه­گذاری کنند. زولتک همچنین درگیر آزمایش میله­های کامپوزیتی است که سکوهای نفتی جدید را در عمق 3.7 کیلومتری اقیانوس مهار می­­کنند. این عمق، چهار برابر عمیق­ترین سازه­هایی است که با فولاد مهار شده­اند.

موارد ذکر شده از کاربردهای نوین، تمام کاربردها را در برنمی­گیرد. به عنوان مثال، در زمینه پزشکی، علاقه­ی شدیدی به استفاده از کامپوزیت­ها برای ساخت پروتزهای سبک و مستحکم وجود دارد. (پایان نقل قول از مجلة کامپوزیت)

تحلیل:

متن فوق نشان‌دهندة فراگیر شدن استفاده از الیاف کربن در کاربردهای گوناگون است و جایگزینی گسترده­ای که در آینده به نفع الیاف کربن رخ خواهد داد. این مساله ایجاد بازار بزرگی برای این الیاف و قطعات تقویت شده با این مواد را نوید میدهد. بازاری که با توجه به زمینه­هایی که در بالا برای کاربرد این الیاف بیان شده است ارزش زیادی خواهد داشت. علاوه بر این با توجه به خصوصیاتی که کامپوزیت­های ساخته شده از این الیاف دارند مانند مقاومت بالا و عدم خوردگی، هزینه­های تعمیر و نگهداری را به شدت کاهش می­دهند. در کشور ما توانمندی­هایی در ساخت کامپوزیت­های تقویت شده با الیاف کربن وجود دارد که جای امیدواری است ولی محدود می­باشد و باید گسترش یابد. در زمینة تولید این الیاف کاری صورت نگرفته است. در صورت تولید این الیاف در داخل کشور علاوه بر تامین نیاز داخلی ما می­توانیم در بازار آیندة این الیاف نیز سهم داشته باشیم.

تلاش برای اقتصادی کردن استفاده از الیاف کربن در خودرو های کامپوزیتی

برای مهندسانی که به دنبال مواد ایده­آل برای سازه­های خودرو می­باشند، کامپوزیت­های الیاف کربن (Carbon Fiber Composites) بخاطر مقاومت بالا و وزن کم، بسیار جالب توجه می­باشند. اما این کامپوزیت­ها بسیار گران بوده و الیاف کربن بصورت محدود تولید می­شوند.

بنا به گفتة آقای الیو­یوسبی (Elio Eusebi)، از اعضای هیئت علمی کنسر­سیوم کامپوزیت­های خودرو (ACC)، محققان ACC در حال مطالعه چگو­نگی استفاده از مواد بر پایه الیاف کربن هستند بطوری که از نظر اقتصادی هم مناسب باشند.

رئیس بخش پلیمر مرکز تحقیقات و توسعه جنرال موتورز می­افزاید: "اگر بخواهیم بطور واقع­گرایانه به موضوع نگاه کنیم، متوجه خواهیم شد که کاربرد وسیع این کامپوزیت­ها حداقل تا چند سال آینده امکان­پذیر نیست. البته کامپوزیت­های الیاف کربن جاذبه خود را حفظ خواهندکرد زیرا این مواد در حالی که محکم­تر از فولاد هستند تنها یک سوم آن وزن دارند."

در حالی که قیمت فولاد در حدود 40 سنت برای هر پوند می­باشد، کامپوزیت‌های الیاف کربن امروزه قیمتی در حدود 5 دلار برای هر پوند دارند. بنابراین از نظر اقتصادی زیاد مقرون به صرفه نیستند. البته این قیمت با احتساب 10 دلار برای هر پوند الیاف کربن محاسبه شده است و برای اینکه قیمت­ها رقابت­پذیر باشند باید قیمت الیاف کربن حداقل به نصف کاهش یابد.

­اگر بتوان قیمت الیاف کربن را به حدود 2.5 دلار برای هر پوند رساند، این مواد در بعضی از کاربردهای خودرو قابل رقابت با آلومینیم خواهند شد.

قیمت مواد، تابعی از عرضه و تقاضا می­باشد و عرضه این مواد محدود می­باشد. تولید سالانه آن در دنیا تنها در حدود 20 میلیون پوند می­باشد که این میزان تولید تقریبا یک دهم تقاضایی است که در صنایع خودرو و دیگر صنایع وجود دارد.

در یکی از کار­گاه­های آموزشی سازه­های خودروهای کامپوزیتی به­نام PNGV، عدم وجود برنامه­ای در جهت تولید انبوه الیاف کربن، بزرگترین مانع برسر راه استفاده وسیع آنها اعلام شد.

آقای یوسبی همچنین یکی دیگر از دلایل بالا بودن قیمت را روش­های کند تولید و نیز تکنو­لوژی­بر و انرژی­بر بودن آنها دانست و یاد آور شد که مطالعات برای کاهش قیمت توسط ACC آغاز شده است و شامل بخش­های زیر می­شود:

1) آنالیز درجه­ها (grades) و ترکیبات مختلف الیاف کربن و رزین برای مصرف در خودروها که دارای قیمت پایین­تری نسبت به کامپو­زیت­های مورد مصرف در صنایع هوا­فضا هستند.

2) طراحی قطعات و سازه­های کامپوزیتی بطوری که الیاف کربن در نقاط بحرانی که استحکام بیشتری لازم است، مورد استفاده قرار گیرد.

آقای یوسبی در این زمینه اشاره کرد که: "کنسرسیوم در تلاش است که ترکیباتی از الیاف و رزین را توسعه دهد که مخصوص خودرو باشند. ما در بسیاری از کاربرد­ها نیازی به کامپوزیت­های مورد استفاده در صنایع هوا­فضا (با کارایی بالا) نداریم."

در زمینة طراحی، محققان ACC در تلاشند تا درک بهتری از طراحی قطعات کامپوزیتی از طریق تحلیل­های المان محدود (finite element) بدست آورند تا الیاف کربن در نقاط حساس متمرکز شوند. آنها همچنین در حال مطالعه پتا­نسیل­های موجود برای بکارگیری پلیمر­های تقویت شده با الیاف شیشه که در نقاط بحرانی توسط الیاف کربن تقویت شده­اند می­باشند. کامپوزیت­های الیاف شیشه از نظر قیمت و وزن، قابل رقابت با آلومینیم می­باشند ولی از نظر استحکام پایین­تر هستند.