الیاف کربن یکی از مهم ترین خانواده های الیاف پیشرفته است که استحکام بسیار بالا (بین 7 تا 10 برابر فولاد ساختمانی بسته به گرید الیاف)، چگالی پایین(حدود دو سوم آلومینیوم)،رسانایی الکتریکی بسیار خوب، قابلیت بافت و تولید پارچه ، ساخت کامپوزیت های سبک و مستحکم و پایداری در برابر حرارت آن را از سایر مواد مهندسی متمایز می سازد.
مواد اولیه ای که در تولید الیاف کربن به کار می رود، الیاف اکریلیک ویژه(تولید شده با هدف تبدیل به الیاف کربن) است که بر اساس فناوری های پیشرفته و تجهیزات خاص تولید می شود.
الیاف کربن با توجه به خواص فوق العاده مکانیکی،حرارتی و الکتریکی از کاربردهای متنوعی برخوردار است. کامپوزیت های ساخته شده از این الیاف در صنایع هوایی در بدنه هواپیما های بوئینگ ۷۸۷،ایرباس و هواپیماهای هم رده آنها به کار می رود.
همچنین در صنایع عمرانی برای تقویت بتن و بناهای ساخته شده مانند ستون ها،پل ها ،تونل ها و اجزای ساختمان،صنایع خودروسازی و حمل و نقل و تولید مخازن CNG ،سیستم انتقال قدرت،ترمز و قطعات بدنه،صنایع پزشکی و مهندسی پزشکی برای ساخت اعضای مصنوعی،پروتز های داخل بدن،آتل های فوق سبک، پانسمان های سوختگی و داروهای گوارشی ،صنایع انر‍‍ژی چون ساخت پره های توربین بادی،مخازن و تجهیزان استخراج نفت در دریا. ملزومات پیل سوختی کاربرد دارد.
تولید در ایران و رتبه جهانی
الیاف اکریلیک تجاری مورد استفاده(برای تولید الیاف کربن) همان الیاف به کار رفته در پوشاک،فرش و پتو هستند که از این حیث هیچ محدودیتی در تولید یا واردات نداریم. بستر تکنولو‍ژی و دانش فنی کاملاً بومی صد در صد قابل توسعه است. ایران با دست یابی به دانش فنی و بومی سازی تولید الیاف کربن T۳۰۰ ، به عنوان یازدهمین کشور دنیا و اولین در خاورمیانه در دست یابی به این دانش معرفی شد.
زولتك يكي از شركتهاي 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- پلاستيكهاي 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 ميشوند و در نتيجه هزينه و آلودگي كاهش مييابند.
2- كاربردهاي صنعتي
در صنعت كاغذ، غلتكهاي 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 غلتكها و ميله هايي استفاده ميكنند كه از الياف كربن ساخته شده اند. همچنين در ساخت غلتكهاي مورد استفاده در فرايند پيچش الياف (يكي از روشهاي شكلدهي كامپوزيتها) از اين فناروي استفاده ميشود
3- صنعت ساختمان و كاهش وزن سازهها
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 بين المللي مصالح ساختماني، اين ايده را كه هر بدنة بتني بايد سنگين و ضخيم باشد، دگرگون كرد. اين شركت در نمايشگاه بزرگ بين المللي 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 يافتهاند، به گونهاي كه شما به راحتي ميتوانيد 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 ميشوند.
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، اتوبوسها)
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 ميشود. 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 گنجانده اند.
7- الياف كربن در توربينهاي 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 سازهها
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 مييابد. 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 ميشوند 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، بادبانها، عرشه و بدنه ي قايقهاي بادباني، پارويي و موتوري تندرو.
آبهاي عميق يكي از بزرگترين مشكلات صنعت نفت هستند. براي غلبه بر اين مشكل نميتوان به ابزار فولادي اعتماد كرد. محدوديتهاي فولاد از پيش در لولهها و ديگر سازهها مشخص شده است. شركت زولتك به صورتي فعال مشغول مذاكره با شركتهاي بزرگ نفتي، شركتهاي حفاري و غيره است تا بر روي الياف كربن سرمايهگذاري كنند. زولتك همچنين درگير آزمايش ميلههاي كامپوزيتي است كه سكوهاي نفتي جديد را در عمق 3.7 كيلومتري اقيانوس مهار ميكنند. اين عمق، چهار برابر عميقترين سازههايي است كه با فولاد مهار شده اند.
موارد ذكر شده از كاربردهاي نوين، تمام كاربردها را در برنميگيرد. به عنوان مثال، در زمينه پزشكي، علاقهي شديدي به استفاده از كامپوزيتها براي ساخت پروتزهاي سبك و مستحكم وجود دارد.
کاربردهای نانو الیاف کربن
می توان با نانو فایبر های کربنی الیاف هوشمند ساخت .امروزه امکان ریسیدن نانو فایبر های کربنی مشابه دیگر الیاف وجود دارد که این زمینه ایجاد اختراعات زیادی را برای ما فراهم می کند .
کاربرد های برجسته این الیاف
1.جلیقه های نرم و سبک که نسبت به جلیقه های کولاری محکمتر هستند
2.تولید بانداژهایی که قابل انقباض هستند و میتوانند ایجاد فشار نمایند (جهت بسته شدن و بهبود زخم )
3.ماهیچه های مصنوعی که توسط الکتریسیته نیرو میگیرند و بسیار سبکتر از انواع هیدرولیکی رایج هستند
4.امکان قرار دادن سنسورها و محرک ها در داخل البسه
تمام این قابلیت ها برگرفته از خواص ویژه نانو لوله های کربنی است و مهمترین ویژگی ان قابلیت هدایت گرمایی و الکتریکی خوب ان از داخل الیاف حتی در ضخامت های بسیار بالا
ساخت ماهيچه‌هاي مصنوعي به کمک نانولوله‌هاي کربني
UTD از اولين پيشگامان اختراع ماهيچه‌هاي مصنوعي هستند كه به روش الكتريكي انرژي مي‌گيرند. اكتشافات اين افراد در اين زمينه منجر به صنعتي‌شدن چند محصول در ايالات متحده، ژاپن و سوئد شده است.
برنامه جديد و بلند پروازانه آنها ساخت ماهيچه‌هاي مصنوعي است كه انرژي خود را همانند ماهيچه‌هاي طبيعي به روشهاي شيميايي تامين مي‌کنند و داراي نيروي بيشتر و انقباضي سريع‌تر نسبت به همتاي طبيعي خود مي‌باشند. اساس ماهيچه‌هاي مصنوعي مبتني بر نيروي الكتريكي، بر استفاده از پليمرهاي هادي و نانولوله‌هاي كربني مي‌باشد كه اولين بار طرح آن توسط محققان اين برنامه جديد ارائه شد. نانولوله‌هاي کربني کارايي ماهيچه‌هاي طبيعي را چند صد برابر و طول ماهيچه‌ها را دوبرابر افزايش مي‌‌دهند. عضلات پليمري اگر چه داراي انقباضي معادل ماهيچه‌هاي طبيعي مي‌باشند، امّا دوام و کارآيي بالايي در تبديل انرژي ندارند. هدف اصلي برنامة سازمان پروژه‌هاي پيشرفته تحقيقات دفاعي آمريكا حذف اين مشکلات و جايگزيني نيروي الكتريكي با نيروي شيميايي در ماهيچه‌هاي مصنوعي مي‌باشد. منابع تامين انرژي پيشنهادي در مورد ماهيچه‌هاي مصنوعي در حال حاضر پيلهاي سوختي، خازن‌هاي پيشرفته و فعال كننده‌هاي مكانيكي مي‌باشند. اين ابزارها انرژي زيادي را به انرژي الكتريكي تبديل و ذخيره مي‌کنند و در صورت لزوم براي انجام کارهاي مکانيکي استفاده مي‌کنند.
از کاربردهاي مهم و احتمالي اين كاوش ساخت اعضاي مصنوعي است كه عملكردي شبيه بازوها و پاهاي طبيعي دارند و قادر به حركت دادن و جابه‌جا کردن اجسام مي‌باشند، که در صورت نياز به عنوان جايگزين اندام‌هاي قطع‌شده و يا ساخت روبات‌ها، مورد استفاده قرار گيرند. اگر چه اين اهداف بلندپروازانه هستند ولي با توجه به اينکه در مطالعات آزمايشگاهي ابزارهاي کوچکي توسط اين افراد ساخته شدهاند که انرژي شيميايي را مستقيما به حرکات مکانيکي تبديل مي‌کنند، دست‌يابي به اين منظور چندان دور از ذهن به نظر نمي‌رسد.
تولید منسوجات با استفاده از نانو لوله ها
يک شرکت نوپا در آمريکا موفق به توليد ماده‌اي سبک از نانولوله‌هاي کربني شده است که محکمتر از فولاد بوده و رسانايي آن همانند آلومينيوم مي‌باشد اين شرکت ادعا مي‌کند که اين مواد مي‌توانند در نهایت در لباس های ضد گلوله ، سيم‌کشي‌هاي هواپيما، و خطوط انتقال برق کاراتر به کار روند .
محققان پیش از این دریافته بودند که نانو لوله ها به واسطه ی بالا بودن استحکام و انتقال گرما به خوبی نیمه هادی ها عمل کنند (بسته به روش ساخت ان ها (تک جداره بودن یا دو جداره بودن )اما این خصوصیات به تک تک نانولوله ها بر می گردد و ایجاد توده ای از ان ها با خصوص یت مشابه تک تک نانو لوله ها امکان پذیر نیست.
مسئول این شرکت می گوید نانو لوله های به کار رفته از حد معموای طویلتر است.استفاده از این نانو لوله های طولانی تر به انها قابلیت اتصال موثرتری را میدهد.این نانو لوله ها گفته شده که ازشیوه ی رسوب دهی بخارات شیمیایی ایجاد شده است.
این نانو لوله ها فرمی از پوشش حصیری بافته نشده را به وجود می اورد که صفوف مرتب شده انها به ماده مورد نظر استحکام بیشتری در جهت صفوف منظم شده میدهد.این شرکت با استفاده از به کارگیری این شیوه نخستین صفحاتی در ابعاد 1 * 3 را تولید نمود.اما امید به تولید صفحاتی با با ا بعاد بزرگتر میرود.این کمپالی همچنین قادر است پارچه های نانولوله ای رادر طی ریسندگی نانولوله ها از طریق رسوب دهی بخارات شیمیایی تولید نماید.