از یک «بافت سیاه» محبوب بیشتر بدانید! (+تصاویر)

موبنا؛ محمدمهدی حیدرپور – فیبر کربن یکی از مواد نوظهوری محسوب می شود که توجه پژوهشگران و البته سرمایه گذاران را به سوی خود جلب کرده است. الیاف کربن می توانند از مواد اولیه مختلف مانند “قیر” قطران زغال سنگ (محصول جانبی حاصل از تقطیر نفت) و ریون ساخته شوند اما اکثر الیاف کربن تجاری از پلیمری به نام “پلی اکریلونیتریل” (Polyacrylonitrile) یا به اختصار “پان” (PAN) شکل می گیرند.

پان زندگی خود را در قالب پودر اکریلونیتریل آغاز می کند که بعدا با یک کاتالیزور در محلولی ترکیب می شود. طی یک بازه زمانی کوتاه، به هم پیوستن بلوک ها آغاز شده و زنجیره های طولانی از پلیمر سفید را شکل می دهند. این زنجیره ها سپس توسط سیستمی از غلطک ها جمع آوری شده که فیبر را در خط تولید هدایت می کند.

فیبر مجموعه ای از شست و شو، کشش، استراحت و خشک کردن را پشت سر گذاشته در شرایطی که به صورت یک رشته بلند در می آید. نتیجه نهایی ماسوره ای از فیبر پان سفید فوق العاده خوب با طولی بین ۱,۵۰۰ متر تا ۳,۰۰۰ هزار متر است. این فیبر پان سپس با تغذیه ماسوره از طریق سه کوره مختلف به فیبر کربن تبدیل می شود. دمای بالا نقش کلیدی در شیمی الیاف دارد.

پان ترکیبی از کربن، نیتروژن، اکسیژن و هیدروژن است که به فیبری انعطاف پذیر و قابل کشش مبدل می شود اما برای دستیابی به مقاومت بالای فیبر کربن نهایی باید تمامی اتم های غیر کربن از آن حذف شوند. با عبور پان از کوره های مختلف که دارای دما و فشار کنترل شده هستند، انرژی گرمایی موجب می شود اتم های کربن در فیبر با یکدیگر پیوند خورده و تمامی اتم های دیگر به صورت گاز تبخیر شوند. این زنجیره های طولانی اتم های کربن پیوند خورده هستند که مقاومت باورنکردنی الیاف کربن را موجب می شوند.

مراحل نهایی در این روند (اکسیداسیون و اندازه گیری) ارتقا روش عملکرد الیاف در یک کامپوزیت و کمک به آنها در چسبیدن به یکدیگر را هدف گذاری کرده تا بتوانند به آسانی در هم تنیده شده و فیبر کربن شکل بگیرد. کامپوزیت های فیبر کربن، الیاف کربن بافته شده با پوشش رزین، به طور فزاینده در طیف گسترده ای از صنایع مورد استفاده قرار می گیرند. در صنایع مختلف مانند هوافضا، خودروسازی، نفت و گاز، کامپوزیت های فیبر کربن جایگزین مواد سنتی مانند فولاد و آلومینیوم شده اند.

دلیل اصلی حضور کامپوزیت های فیبر کربن در خط مقدم فناوری مواد جدید به قدرت بی بدیل آنها نسبت به وزنشان باز می گردد. فیبر کربن از قدرتی مشابه با فولاد برخوردار بوده در شرایطی که از نظر وزن قابل مقایسه با آن نیست و بسیار سبک‌تر است. با تغییر نوع ماتریس پلیمر و لایه های کربن، کامپوزیت های فیبر کربن می توانند از نظر دوام از فولاد و آلومینیوم پیشی بگیرند. در حال حاضر، این ماده بادوام، قدرتمند و سبک سهم قابل توجهی در تولید تجهیزات ورزشی مانند دوچرخه و محصولات گلف به خود اختصاص داده است.

از آنجایی که فیبر کربن پیش از آن که با لایه رزین سخت پوشیده شود شکلی انعطاف پذیر دارد، تبدیل آن به اشکال پیچیده بسیار آسان است. بر همین اساس، استفاده از فیبر کربن برای تولید محصولات مختلف از قاب پشتی یک موبایل هوشمند تا رینگ خودرو امکان پذیر است.

از سوی دیگر، استفاده از فیبر کربن در زمینه بهره‌وری سوخت و متعاقب آن کاهش انتشار گازهای گلخانه ای نیز بسیار موثر است. حدود ۵۰ درصد از هواپیمای بوئینگ ۷۸۷ دریم لاینر از کامپوزیت های فیبر کربن ساخته می شود که به کاهش قابل توجه وزن، دستیابی به ارتقا ۲۰ درصدی بهره‌وری سوخت و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای کمک می کند.

فیبر کربن کاربردهای دیگری دارد که ممکن است کمتر آشکار باشند. به عنوان مثال، نوارهای فیبر کربن برای افزایش ظرفیت تحمل بار پل “گیت وست” در ملبورن استرالیا به کار گرفته شده اند.

پیش بینی می شود تقاضای جهانی برای فیبر کربن با نرخ سالانه بین ۱۳ تا ۱۷ درصد افزایش یافته و ارزش بازار کامپوزیت های تقویت شده فیبر کربن از ۱۴ میلیارد دلار در سال ۲۰۱۲ به ۳۶ میلیارد دلار در سال ۲۰۲۰ برسد. ارزش و پتانسیل کامپوزیت های فیبر کربن در فناوری های آینده توجه و علاقه جهانی به پژوهش و سرمایه گذاری در این ماده را به همراه داشته است. پژوهش های جدید بر فیبرهای ارزان، فیبرهای عملکرد بالا، کاربردهای سطحی و تولید کامپوزیت پیشرفته برای ساخت نسل آینده مواد متمرکز شده اند. از این رو تجسم آینده ای به رنگ سیاه چندان غیر منطقی به نظر نمی رسد.