منسوجات و پوشش های بالستیکی، الیاف کربن و مقایسه با سایر الیاف بالستیکی

منسوجات و پوشش های بالستیکی، الیاف سلولزی

منسوجات و پوشش های بالستیکی، الیاف معدنی

Published by پشتیبان سایت on

Tags

یکی دیگر از الیاف با کارایی بالا الیاف کربن است که می تواند از نظر استحکام و سختی برای تقویت کردن کامپوزیت ها، مهندسی و طراحی شود و یا می توان آن را در فرم های گوناگونی به کار برد که خواص مواد نساجی را از نظر رسانایی الکتریکی، مقاومت حرارتی و شیمیایی بهبود دهد. فاکتورهای اولیهای که بر روی ویژگی های فیزیکی الیاف کربن تاثیر می گذارد عبارتند از: درجه کربنی شدن و جهت گیری ورقه های کربنی لایه به لایه. تقریباً کامل ترین نوع الیاف کربن، گرافیتی هستند.

1 الیاف کربن/ گرافیت

بسته به فرایند تولید، الیاف کربن به صورت تجاری در حجم زیاد برای کاربرد های ساختاری در جایی که یا ویژگی سختی و یا استحکام بالا مد نظر است، در دسترس هستند. الیاف کربن از پیرولیز الیاف پیش ماده آلی مانند پلی آکریلونیتریل با کیفیت عالی (PAN)، قیر یا رایون برای رسیدن به متغیرهای سختی متوسط و بیشترین استحکام تولید می شوند که غالباً نیاز به انجام فرایند گرافیتی کردن در محدوده دمایی
°C 2000 دارد. گرافیتی کردن، الیاف را به بیشترین محتوای بلورینگی خود میرساند. در حالی که استحکام کششی ویژه این الیاف معادل با استحکام کششی ویژه بسیاری از الیاف بالستیکی معمول می باشد، اما ازدیاد طول 8/1 درصدی آن ها کمتر از آرامید ها و پلی اتیلن است. بسیاری از ارزیابی های بالستیکی قبلی که در مورد این لیف انجام شده است، شامل ساختارهای بافته شده در رزینهای بالستیکی استاندارد است، که مشخص کرده این نوع ساختار برای الیافی از این قبیل که تا حدودی شکننده هستند، مناسب نیست. این احتمال وجود دارد که مقداری از کارایی بالستیکی کم مشاهده شده به دلیل تخریب این الیاف در حین بافتن و سایر فرایند های نساجی باشد. احتمالا از الياف کربن و شيشه در چند لايي هایی که به کارايی های ساختاری و بالستيکی نياز دارند، نيز استفاده خواهد شد.

بينظمی های ساختاری و همينطور وجود حفرات، علت دانسيته g/cm³ 8/1 الياف بر پايه پلی آکریلونیتریل و g/cm³ 1/2 برای الیاف پایه قیر، در مقايسه با دانسيته g/cm³ 28/2 گرافيت خالص است. شکل 1 محدوده استحکام، مدول ها و افزايش طول تا پارگی الياف کربنی را نشان میدهد که از مواد اوليه و شرايط فرايند کردن متفاوت به دست آمده اند.

شکل 1: محدوده ويژگیهای کششی الياف کربن از منابع مختلف

بین خواص الیاف کربن روابطی وجود دارد. برای مثال مشاهده شده است که با افزايش مدولها از 200 تا GPa 900، رسانايي الکتريکی از 500 به Ω^-1.cm^-1 10⁴×2 و رسانايي حرارتی از 4 به W.m^-1.k^-1 900 افزايش میيابد. هر دو نوع الياف کربنی بر پايه پلی آکریلونیتریل و قیر، خزش يا شکست خستگی ندارند.

2 مقایسه خواص الیاف گوناگون

برای رسیدن به الیاف با کارایی بالا و مدول و مقاومت پارگی استثنایی، حداقل سه شرط باید وجود داشته باشد:

مدول می بایست به میزان بسیار زیادی در جهت محور فیبر جهتگیری کرده باشد
وزن مولکولی یا طول زنجیر مولکولی باید بسیار زیاد باشد.
الیاف باید بلورینگی بالایی داشته و دارای حداقل شکست و پارگی باشند

در مقالات قبلی با ارئه جداولی، مشخصات الیاف گوناگون بررسی شدند، با این وجود مجدداً در این مقاله با آوردن جداول و نمودارهایی از منابع متفاوت به مقایسه ویژگی های فیزیکی و خواص مکانیکی الیاف گوناگونی که تاکنون در گزارش آورده شده اند، پرداخته شده است.

در جدول های 1، 2 و 3 برخی خواص فیزیکی-مکانیکی برای الیاف تقویت کننده کامپوزیت ها و الیاف گرید بالستیک آورده شده است.

جدول 1: ويژگیهای برخی الياف به کار رفته در تقويت پلاستيک ها

جدول 2: ويژگی های مقايسه ای الياف گوناگون طبیعی و سنتزی

توجه شود که اين مقادير نوعی بوده و با تغيير گرید هر لیف متفاوت میشوند.

جدول 3: مقایسه دانسیته و استحکام کششی چند لیف گرید زرهی

واحد گرم بر دنیر (Denier) خاص مواد نساجی است. دنیر در واقع دانسیته خطی است که برای توصیف ضخامت الیاف به کار می رود. جرم 9000 متر از لیف دنیر نام دارد. سطح مقطع عرضی (A) لیف میتواند به وسیله این رابطه به دست آید: A=Denier/900000cm.ρ که در آن ρ دانسیته لیف با واحد g/cm³ میباشد. برای مثال با فرض اینکه سطح مقطع عرضی لیف کولار حلقوی است، قطر نمونه ای با دنیر 5/1، معادل 12 میکرون است. تبدیل g/d به Pa به صورت مقابل است: Pa=(8.82×10⁷)(g/d)(ρ)

نمودار ساده تنش-کرنش برای تعدادی از الياف بالستیکی که امروزه به کار میروند در شکل 2 مشاهده می شود. همینطور نمودارهای مقايسهای مکانيکی برای استحکام بر پایه وزن و حجم و استحکام و سختی بر پايه وزن پلیمرهای با کارایی بالا نیز در شکل 3 مشاهده می شود.