الياف كربن

پيشگفتار
الياف كربن نسل جديدي از الياف پر استحكام است . اين مواد از پروليز كنترل شده گونه هايي از الياف مناسب تهيه مي شود؛ به صورتي كه بعد از پروليز حداقل ۹۰ درصد كربن باقي بماند. الياف كربن نخستين بار در سال ۱۸۷۹ ميلادي زماني كه توماس اديسون از اين ماده به عنوان رشته پرمقاومت در ايجاد روشنايي الكتريكي استفاده كرد، پاي به عرصه علم وفن آوري گذاشت. با اين حال در آغاز دهه ۱۹۶۰ بودكه توليد موفق تجاري الياف كربن، با اهداف نظامي و به ويژه براي

كاربرد در هواپيماي جنگي، آغاز شد. در دهه هاي اخير ،الياف كربن در موارد غيرنظامي بسياري، همچون هواپيماهاي مسافربري و باربري. خودروسازي. ساخت قطعات صنعتي، صنايع پزشكي، صنايع تفريحي-ورزشي وبسياري موارد ديگر كاربردهاي روز افزوني يافته است. الياف كربن دركامپوزيت هاي با زمينه سبك مانند انواع رزين ها به كار ميرود. كامپوزيت هاي الياف كربن در مواردي كه استحكام وسختي بالا و به همراه وزن كم و ويژگي هاي استثنايي مقاومت به خوردگي

مدنظر باشند، يگانه گزينه پيش روست. همچنين نگاهي كه مقاومت مكانيكي در دماي بالا، خنثي بودن از لحاظ شيميايي و ويژگي ضربه پذيري بالا نيز انتظار برود، باز هم كامپوزيت هاي كربني بهترين گزينه هستند. با توجه به اين ويژگي ها ، پهنه گسترده موارد كاربرد اين ماده در گستره هاي گوناگون فن آوري به سادگي قابل تصور است.

ميزان توليد الياف كربن از ۱۹۹۲ تا ۱۹۹۷ رشد۲۰۰ درصدي در اين فاصله ۶ساله داشته كه خود نشانگر اهميت تكنولوژي اين ماده است.
هم اكنون ايالات متحده آمريكا نزديك به ۶۰درصد توليد جهاني الياف كربن را به مصرف مي رساند وا ين در حالي است كه ژاپن تلاش مي‌كند به ميزان مصرفي برابر با۵۰درصد توليدات جهاني اين محصول دست يابد. ژاپن به واسطه شركت صنتي توري، خود بزرگترين توليد كننده اليافت كربن در جهان است. هم چنين عمده ترين توليد كننده الياف كربن با استفاده از پيش زمينه قير، ژاپن است.
پيشگويي براي سال ۲۰۱۳ ميلادي..

سال ۲۰۱۳ است خودرويي جديد به نام ۱۰۰MPG”BLACKBEAUTY” بدليل اين كه ضمن دارا بودن بالاترين كارايي به ميزان ۱۰۰ درصد نيز دوستدار محيط زيست شناخته شده طرفداران بسياري زيادي دارد. اين خودرو پس از انقراض نسل خودروهاي فولادي با سازه اي تمام كامپوزيت بر پايه كربن متولد شده است. با استفاده از مواد كربني در ساخت بدنه و سازه هاي اصلي اين خودرو مانند شاسي موتور و سيستم هاي انتقال نيرو، كاهش وزن به دست آمده موجب مصرف اندك سوخت شده است.

اين مواد پيشرفته به همراه اندكي فلزات سبك كه عمدتا در اتصالات به كار مي روند، اقتصاد خودرو را از لحاظ ميزان مصرف ساليانه سوخت با انقلابي عظيم مواجه كرده است. اين مواد سبك در فريم شاسي، موتور كاتاليتيك با بازده بالا، در باتري هاي ليتيمي و موتورهاي الكتريكي، پانل هاي بدنه، مخزن سوخت و مواد پيشرفته نگه دارنده متان كه سوخت اصلي خودروست وخلاصه در تمام المان هاي اصلي كه چنين وسيله نقليه كم مصرف با توانايي هاي بسيار بالا را مي

سازد به كار رفته است. پانل هاي بدنه از كامپوزيت هاي كربني به روش SMC با سطوح بسيار صاف وآماده رنگ كاري ساخته شده است. فيبريل هاي كربني در اندازه هاي زير ميكرون با ويژگي هدايت الكتريكي سطح قطعات پانل هاي بدنه را به سادگي داراي ويژگي الكترو استاتيك مي كنند. از سوي ديگر چون كامپوزيت پليمري تقويت شده با الياف كربن از نظر شيميايي خنثي است به تخريب در برابر پرتو فرابنفش حساس نيست در نتيجه پانل هاي بدنه به هيچ نوع عمليات

پاياني نياز ندارند. بخش هاي ديگري كه زياد به آن ها توجه نمي شود، مانند در موتور، هوزينگ ها وگيربكس ها تماما از كامپوزيت كربني به روش قالب گيري تزريقي ساخته شده وجايگزين قطعات سنگين ريخته شده فلزي شده اند. مخزن سوخت كامپوزيت كربني ساخته شده به روش پيچش الياف است كه مملو از كربن فعال وفيبريل هاي كربني است كه موجب افزايش قابليت نگهداري گاز مايع در فشارهاي پايين مي شود. موتور كاتاليتيك از كاتاليست هاي پوشش داده شده بر روي كره ها و لوله هاي ريز شياردار كربني كه به كربن توخالي معروف هستند ودر واقع نوعي از الياف كربن سوراخ شده هستند، استفاده مي‌كند

. اين واحد مركزي توليد توان الكتريكي كه در واقع قلب سيستم به حساب مي آيد به دليل استفاده زياد از فراورده هاي الياف كربن قادر است كارايي خودرا در دماهاي بسيار بالايي كه الزاما در اثر كاركرد موتور پديد مي آيد به خوبي حفظ كند.اين دليل اصلي بالا بودن غيرمعمول بازده چنين خودرويي است. از سوي ديگر مشكلات مربوط به آن دسته از شكست هاي قطعات كه ناشي از اختلاف در ضرايب انبساط حرارتي در نسل خودروهاي فلزي بود به واسطه استفاده از قطعات كامپوزيتي كربني به طور كامل از بين رفته است. مهندسين مواد بادست كاري در ميزان جهت يافتگي الياف كربن نوع جديدي از الياف راساخته اند كه به طور استثنايي داراي هدايت حرارتي يك بعدي بسيار زيادي بوده و بدين وسيله توانسته اند دستگاههاي سرمازا را با بازده بسيار بالا در موتور اين خودرو به كار برند.
در سيستم باتري يوني ليتيم/ ليتيم از آندهاي كربني وكاتدهاي كامپوزيت كربني استفاده شده است.

سيستم جديد تهويه هوا با استفاده از رادياتورهاي پلاستيكي تقويت شده با الياف كربن، محفظه هاي كربني وفوم هاي كربني عايق، بيشترين شرايط رفاه وآسايش سرنشين را به همراه حذف كامل گازهاي ضدازن فراهم آورده است. سيستم GPS تعبيه شده براي ارتباطات ماهواره اي، تلفن همراه،دستگاه دورنگار و رايانه هاي on-board همگي ضمن رعايت طراحي ارگونوميك از قاب هاي كامپوزيت كربني كه هدايت الكتريكي مناسبي دارند بهره مي برند.

قراردادن المان هاي جهت دار كامپوزيتي بر پايه كربن در جهت اعمال لنگر سيستم تعليق كربني را در اين خودرو به گونه اي ساخته كه موجب حذف بسياري از قطعات سنگين فلزي شده و همين موضوع خود موجب عملكرد بهتر سيستم تعليق شده است. روتورهاي كربني ترمز و لنت ترمزهاي گرافيتي وزن مجموعه سيستم ترمز را در راستاي عملكرد بهتر ترمز كاهش داده است. رينگ هاي تقويت شده با الياف كربن ضمن كاهش وزن موجب سرد كار كردن مجموعه ترمز و در نتيجه بالاتر رفتن ضريب امنيت ترمز مي شود.تايرهاي با فرمالاسيون پيشرفته شامل فيبريل هاي كربن وبلوك هاي كربني جهت دار به همراه اليافت كربن بافته شده به صورت شعاعي ضمن سبكي موجب حذف مقاومت غلطشي تاير و سردماندن آنها در طول حركت مي شود. المان هاي تعليق رينگهاي وتايرهاي ساخته شده از الياف كربن باعث برقراري مطمئن اتصال با زمين و در نتيجه كمينه شدن احتمال آتش سوزي در اثر بارهاي الكترواستاتيك وافزايش امنيت وراحتي سرنشين در هنگام سوار وپياده شدن از خودرو مي شود.

با استفاده روز افزون از الياف كربن در ساخت خودروهاي پيشرفته مصرف ساليانه بنزين به سرعت رو به كاهش گذاشته و نياز به واردات سوخت هاي فسيلي را كه باعث عدم تعادل تجاري مي شود به حداقل مي رساند. در عوض به منظور گسترش واحدهاي توليد مواد كربني جديد با كاربردهاي رو به رشد در ساخت خودروهاي كربني ميليون ها فرصت شغلي در كشور پديدار مي شود.
اليافت كربن را ميتوان براساس مدول الاستيك استحكام و دماي نهايي عمليات حرارتي به گروههاي زير دسته بندي كرد:
دسته بندي براساس ويژگي ها:

 الياف كربن با ضريب كشساني بسيار بالا؛ بيشتر از ۴۵۰ گيگاپاسكال
 الياف كربن با ضريب كشساني بالا؛ بين ۳۵۰ تا ۴۵۰ گيگاپاسكال
 الياف كربن با ضريب كشساني متوسط؛ بين ۲۰۰ تا ۳۵۰ گيگاپاسكال

 الياف كربن با استحكام كششي بالا و ضريب كشساني پايين؛ استحكام كششي بيش از ۳ گيگا پاسكال و ضريب كشساني كمتر از ۱۰۰
 الياف كربن با استحكام كششي بسيار بالا؛بالاتر از ۵/۴ گيگاپاسكال
دسته بندي براساس نوع پيش زمينه:

 الياف كربن با پيش زمينه الياف پلي اكريلونيتريل
 الياف كربن با پيش زمينه قير صنعتي
 الياف كربن با پيش زمينه قير مزوفاز

 الياف كربن با پيش زمينه قير ايزوتروپيك
 الياف كربن با پيش زمينه الياف ريون( ابريشم مصنوعي)
 الياف كربن با پيش زمينه فاز گازي و
دسته بندي براساس دماي نهايي عمليات حرارتي:

 الياف نوع ۱، دماي عمليات حرارتي بالا از ۲۰۰۰ درجه سانتي گراد؛توليد كننده الياف HM
 الياف نوع ۲، دماي عمليات حرارتي حدود ۱۵۰۰ درجه سانتيگراد؛توليد كننده الياف HS
 الياف نوع ۳، دماي عمليات حرارتي كم تر يا حدود ۱۰۰۰ درجه سانتي گراد ؛توليد كننده الياف با ضريب استحكام پايين
ساختن الياف كربن:

در فرهنگ واژگان نساجي آمده است:الياف كربن به اليافي گفته مي شود كه دست كم داراي ۹۰ درصد كربن هستند و از پيروليز كنترل شده اليافي ويژه به دست مي آيند. اصطلاح الياف گرافيتي در مورد اليافي به كار ميرودكه كربن آنها بيش از ۹۹ درصد باشد. انواع گوناگوني از الياف به عنوان پيش زمينه توليد الياف كربن وجود دارد كه داراي ويژگي هاي انحصاري و مورفولوژي ويژه هستند. پرمصرف ترين الياف پيش زمينه عبارتند از: الياف پلي اكريلونيتريل (PAN)الياف سلولزي( مانند ريون ويسكوز و پنبه) قير حاصل از قطران ذغال سنگ (Coal tar pitch) و نوع ويژه اي از الياف فنليك

الياف كربن از طريق پيروليز پيش زمينه هالي آلي كه به شكل الياف هستند ساخته مي شود. در واقع انجام عمليات حرارتي حذف عناصري مانند اكسيژن ، نيتروژن ، هيدروژن وباقي ماندن كربن به شكل الياف مي شود. در پژوهش هايي كه بر روي الياف كربن انجام شده مشخص گرديده كه ويژگي هاي مكانيكي الياف كربن با افزايش درجه تبلور وميزان جهت گيري الياف پيش زمينه وكاهش نواقص موجود در آنها بهبود مي يابد. بهترين راه براي دست يابي به الياف كربن با ويژگي هاي مناسب استفاده از الياف پيش زمينه با بيشترين مقدار جهت گيري و حفظ آن در طي فرايندهاي پايدارسازي وكربنيزاسيون از طريق اعمال كشش در طول فراينداست.

توليد الياف كربن از پيش زمينه پلي اكريلونيتريل:
براي توليد الياف كربن با كيفيت بالا از پيش زمينه PAN و سه مرحله اساسي وجود دارد:
۱-مرحله پايدارسازي اكسيدي:
در اين مرحله الياف PAN هم زمان با اعمال كششي مورد عمليات حرارتي اكسيدي در محدوده دمايي ۲۰۰ تا ۳۰۰ درجه سانتي گراد قرار ميگيرد . اين عمليات PAN گرما نرم را به تركيبي باساختار نردباني يا حلقه اي تبديل مي‌كند.
۲- مرحله كربنيزاسيون:

بعداز اكسيداسيون الياف بدون اعمال كشش درپيرامون دماي ۱۰۰۰درجه سانتي گراد در محيط خنثي (معمولا نيتروژن) براي مدت چند ساعت مورد عمليات حرارتي كربنيزاسيون قرار مي گيرد. در طي اين فرايند عناصر غيركربني آزاد ميشود والياف كربن با بالانس جرمي ۵۰درصد به نسبت الياف PAN نخستين به دست مي آيد.

۳-مرحله گرافيتاسيون:
بسته به نوع الياف كربن مورد نظر، از لحاظ ضريب كشساني واعمال اين مرحله در محدوده دمايي بين ۱۵۰۰تا۳۰۰۰ درجه سانتيگراد موجب بهبود درجه جهت گيري كريستاليت هاي كربني در جهت محور الياف وبنابراين مايه ي بهبود ويژگي مي شود.
توليد الياف كربن از ديگر پيش زمينه ها نيز كمابيش داراي مراحل اصلي است كه در مورد توليد از پيش زمينه PAN آورده شد.

ساختار الياف كربن:
مشخصه هاي ساختاري الياف كربن بيشتر با دستگاههاي ميكروسكوپ الكتروني و پراش پرتوي ايكس قابل بررسي است. برخلاف گرافيت ساختار كربن بدون هر گونه نظم سه بعدي است. در الياف كربن برپايه PAN ساختار الياف در طي عمليات پايدارسازي اكسيدي ومتعاقب آن كربنيزاسيون از ساختار زنجيره اي خطي به ساختار صفحه اي تغيير مي‌كند. به اين ترتيب صفحات اصلي در پايان مرحله كربنيزاسيون درجهت محور طولي الياف قرار مي گيرد. بررسي هاي اشعه X با زاويه تفرق باز( Wide angle X –ray) نشان مي‌دهد كه با افزايش دماي عمليات كربنيزاسيون ارتفاع انباشتگي ومقدار جهت گيري صفحات اصلي افزايش مي يابد.

قطر منوفيلامنت هاي PAN تاثير عمده اي بر نفوذ عمليات كربنيزاسيون در الياف كربن توليدي دارد به همين دليل تغيير در ساختار كريستالوگرافي پوسته وهسته هر منوفيلامنت در اليافي كه كاملا پايدار شده اند به وضوح قابل مشاهده است. پوسته از جهت گيري مرجح طولي بالا به همراه انباشتگي زياد كريستاليت ها برخوردار است در حالي كه هسته جهت گيري كم تر صفحات اصلي وحجم كم تر كريستاليست ها را نشان مي‌دهد.

عموما ديده شده كه هر چه استحكام كششي الياف پيش زمينه بيشتر باشد ويژگي هاي كششي الياف كربن به دست آمده نيز بيشتر مي شود. چنان چه مرحله پايدارسازي به صورتي مناسب انجام گيرد در آن صورت استحكام كششي وضريب كشساني با كربنيزاسيون تحت كشش به مقدار بسيار زيادي در محصول كربني نهايي بالا مي رود. بررسي هاي انجام شده با دستگاههاي پراش پرتوي ايكس وپراش الكتروني نشان داده است كه در الياف كربن با ضريب كشساني بالا كريستاليستها پيرامون محور طولي الياف قرار گرفته اند.اين درحالي است كه صفحات لايه اي با بيشترين جهت يافتگي به موازات محور الياف استقرار يافته اند. به طور كلي استحكام الياف كربن به نوع پيش زمينه شرايط فرآيند و دماي عملايت حرارتي ووجود نواقص ساختاري در الياف ارتباط دارد. در الياف كربن با پيش زمينه PAN و افزايش دما تا ۱۳۰۰ درجه سانتيگراد مايه ي افزايش استحكام مي شود ولي پس از ۱۳۰۰درجه استحكام به آرامي كم ميشود. اين موضوع در مورد ضريب كشساني نيز صادق است.

الياف كربن بسيار ترد هستند لايه ها در الياف با اتصالات ضعيف واندروالسي به هم ديگر متصل شده اند. تجمع فلس مانند لايه ها موجب مي شود تا رشد ترك در جهت عمود بر محور الياف به آساني صورت بگيرد. در خمش الياف در كرنش هاي بسيار پايين مي شكنند. باتمام اين معايب الياف كربن از نقطه نظر مجموع ويژگي هاي شيميايي فيزيكي و مكانيكي منحصر به فردي كه دارد در بسياري از عرصه هاي مهندسي وعلوم در دو دهه اخير تقريبا بدون رقيب مانده است.
كامپوزيتهاي كربن- كربن (ccc) شامل سابترين الياف كربني در يك ماتريس و زمينه كربني می باشند. اين كامپوزيتها به فرمهاي گوناگوني از يك بعدي تا n بعدي با استفاده از فايبرها و پارچه مي باشد:

۱) يك بعدي با استفاده از فايبر
۲) دو بعدي با استفاده از پارچه
۳) سه بعدي
۴) n بعدي

اين مواد داراي خواص مكانيكي بالا (مقاومت ويژه و چقرمگی،…) مدول يانگ بالا (stiffness) و پايداري حرارتي وشيميايي عالي در دماهاي بالا در محيط هاي خنثي هستند و اگر در محيطهاي اكسيدي بكار برده شوند بايستي coat شوند. البته اين مواد از مقاومت فرسايشي كمي دردماي بالا برخورد دارند.
در اين مواد بعلت اينكه ساختار كربن مي تواند از كربن آمورف تا گرافيت تغير كند در نتيجه كامپوزيتهاي مختلف با خواص متفاوت خواهيم داشت.

پارامترهاي مؤثر بر خواص كامپوزيت كربن – كربن
۱) پارامترهاي موثر بر خواص زمينه كربن انزوتروپي كريستال گرافيت ، جهت گيري كريستالها ، تخلخل، ساختار زمينه «گرافيت يا glassy‍‌»)
۲) پارامترهاي موثر بر خواص الياف كربني
۳) شرايط پروسس مانند دماي عمليات حرارتي نهايي كه ساختار كريستالها و ابعاد آنها را تعيين مي كند و در نتيجه روي خواص مكانيكي تأثير شديدي مي گذارد.

خواص الياف كربن تحت تأثير دو عامل پيش زمينه مصرفي و نوع پروسينگ ساخت مي باشد كه پيش زمينه مصرفي ميتواندRayon(ابريشم مصنوعي)، (Polyacrylonitritc)PAN , Petroleum pitch باشد.

پروسه ساخت الياف از RAYON
ابتدا الياف rayon تا دماي ۴۰۰ حرارت داده مي شوند تا سلولز آن پيروليز گردد سپس كربنيزه كردن با حرارت دادن تا دماي ۱۰۰۰ صورت مي گيرد كه پس از كامل شدن كربنيزاسيون الياف تا دماي بيش از ۲۰۰۰ حرارت مي بيند تا گرافيته شدن صورت گيرد. در اين روش الياف بدست آمده داراي مدول پايين ۲۷٫۶ Gpaيا ۴×۱۰۶ Psi مي باشد.

پروسه ساخت الياف از P.A.N و Pctroleum pitch

براي تهيه الياف مدول بالا ( ۵×۱۰۶ psi يا ۳۴۴ Gpa ) و استحكام بالا (۳۰۰×۱۰۳ psi يا ۲٫۰۷ Gpa) از اين دو ماده استفاده مي شود. در تهيه الياف از PAN ابتدا
الياف PAN به ميزان %۵۰۰ تا %۱۳۰۰ كشيده مي شوند و سپس دردماي ۲۰۰-۲۸۰OC در محيط اكسيژن پايدارمي شوند كربنيزه شدن الياف در دماي بين ۱۰۰۰-۱۶۰۰OC صورت مي گردد در نهايت گرافيته كردن در دماهاي بالاتر از ۲۵۰۰OC صورت مي گردد.

پروسه ساخت الياف از pitch مشابه پروسه ساخت الياف از P.A.N مي باشد با اين تفاوت كه كشش الياف را نداريم و فرم الياف شكل از كشش pitch مذاب از داخل حديده حاصل مي شود. شكل الياف بدست آمده روي خواص مكانيكي آن تأثير شاياني دارد مثلا الياف C شكل و الياف توخالي نسبت به الياف كاملا گرد و يا سه گوش مقاومت بيشتري را نشان مي دهند.

براي ساخت سراميكهاي كربني از كربن اوليه (ذرات جامد كربن خالص) به عنوان Filler و كربن ثانويه به عنوان بايندر كه پس از عمليات حرارتي كربن بجاي مي گذارد استفاده مي شود.
در ساخت كامپوزيتهاي كربن – كربن از الياف كربني بجاي كربن اوليه استفاده مي شود و فضاي خالي بين الياف توسط كربن ثانويه پر مي شود كه كربن ثانويه از سه طريق زير تأمين مي شود:
۱- CVD
2- استفاده از رزين ترموست
۳- استفاده از رزين ترموپلاست
استفاده ازCVD برای ساخت قطعات نازك و استفاده از رزينهاي ترموست و ترموپلاست براي ساخت قطعات ضخيم مفيد مي باشد.

پروسه CVD :
در اين روش كربن پيروليتيك بين الياف رسوب كرده ( دماي ۸۰۰-۲۰۰۰OC) و چون سطح محصول فاقد آلودگي است براي قطعات بيولوژيك بسيار مناسب است. بسته به دماي تجزيه و روش ورود گاز به محفظه پروسس CVD در ساخت كربن – كربن به سه روش تقسيم مي شود :
۱- روش ايزوترم ۲- روش شيب دمايي ۳- روش شيب فشاري

۱- پروسه ايزوترم :
پريفرم الياف درون كوره مقاومتي يا القايي قرار گرفته و گرم مي شود تا به دماي ثابت وپايداري برسد در اين دما واكنش كننده هاي گازي وارد محقطه شده و بصورت كربن ثانويه روي پريفرم مي نشيند. چون سطح خارجي قطعه گرمتر از داخل آن است كربن تمايل به رسوب كردن روي سطح خارجي دارد. لذا قبل از اينكه عمق قطعه با كربن پوشيده شود سطح آن پوشيده مي شود براي رفع اين اشكال ماشینکاری مداوم قطعه و تكرار پروسه ضروري است.

۲- پروسه شيب دمايي :
براي رفع مشكل روش فوق قطعه پريفرم توسط يك (mandrel) ماندرل و از طريق القايي گرم مي شوند لذا درون آن گرمتر از بيرون آن بوده و كربن ابتدا روي سطح داخل قطعه رسوب مي كند و بتدريج كه سطوح خارجي تر هم گرم مي شوند كربن بصورت شعاعي روي سطوح خارجي تر هم رسوب مي نمايد.

۳- پروسه شيب فشاري :
گاز واكنش كننده تحت فشار بدرون پريفرم رانده مي شود لذا كربن ابتدا روي سطح داخلی رسوب كرده و پس از پر شدن سطوح ورودي گاز از كانالايي بسمت سطوح خارجي حركت كرده و تمام قطعه در جهت خلاف ورود گاز پر مي گردد.
مشکل اين دو روش ذكر شده اين است كه شيب دمايي و فشاري بايد بطور دقيق كنترل شود لذا در يك مرحله فقط يك قطعه قابل ساخت است ولي در روش اول در هر مرحله چند قطه قابل ساخت مي باشند بنابراين از روش هاي دوم وسوم فقط در مورد قطعات خاص استفاده مي شود.

پارامترهاي مؤثر بر پروسه CVD دما وفشار مي باشد پروسه ساخت كامپوزيت از
طريق CVD در فشارهاي كلي كم انجام مي گيرد زيرا فشارهاي كلي بالا معايبي
دارند كه عبارتند از:

۱- فضاي آزاد جهت حركت گازهاي واكنش كننده كم بوده و لذا رسوب دهي بطور ترجيحي روي سطح خارجي قطعه انجام مي شود
۲٫ فشار بالا موجب رسوب كردن كربن در موادي مي گردد كه قابليت گرافيته شدن را ندارد
پس از انجام پروسه CVD قطعه گرافيته مي شود تا زمينه آمورف به گرافيت تبديل شود.

۲- استفاده از رزين ترموست
در انتخاب پيش زمينه در اين روش بايد به چند نكته مهم زير توجه داشت:
الف- ميزان كربن دهي آن بالا باشد يعني كاهش وزن كمي بعد از پيروليز داشته باشد.
ب- ويسكوزيته

ج- ساختار كريستالي پيش زمينه
د- ساخت ميكروسكوپي پيش زمينه
با توجه به پارامترهاي فوق و نيز تأثير پذيري آنها حين پروسس فشار- دما –زمان تنها پيش زمينه هاي مناسب براي ساخت كربن – كربن رزينهاي فنوليك و خانواده هاي آروماتيك مي باشند.
مزاياي رزين ترموست :

۱- ساخت نمونه هاي اوليه و تلقيح كامپوزيت بوسيله آنها ساده است.
۲- اطلاعات تكنولوژي گسترده اي در مورد آنها وجود دارد كه براحتي قابل كاربرد است.

معايب رزين ترموست :
عيب عمده اين رزينها اين است كه دردماي كم پليمريزه مي شود و جامد آمورف غير قابل ذوب با ساختاري سه بعدي مي دهد كه گرافيته كردن آن بسيار مشكل است. اشكال ديگر اين رزينها انقباض نسبتا زياد آنهاست كه مثلا در مورد رزين فنوليك به %۲۰ انقباض طولي هم مي رسد.

ويژگي هاي رزين هاي ترموست :
۱- ميزان كربن دهي بين ۵۰ تا ۷۰ درصد كه اين ميزان با اعمال فشار حين كربنيزه كردن ازدياد نمي يابد.
۲- زمينه حاصل از اين رزينها شيشه اي بوده كه بتنهايي با حرارت دادن تا ۳۰۰۰ نيز گرافيته نمي شود.
۳- تنش هاي اعمال شده حين عمليات حرارتي مي تواند تا حدودي در تشكيل ساختار گرافيتي مؤثر واقع شود.

فلوشيت ساخت كربن – كربن با استفاده از رزين ترموست:

ساخت كامپوزيت كربن – كربن با استفاده از رزينهاي ترموپلاست (مانند pitch)
مزاياي استفاده از pitch :
الف- نقطه نرم شوندگي پايين است.
ب- مذاب آن ويسكوزيته پايين دارد.
ج- ميزان كربن دهي بالا است.
د- تمايل به تشكيل ساختار كربن – گرافيت

تغيیرات pitch در اثر حرارت ديدن:
۱- با حرارت دادن تا softeniug point ، pitch مصرفي نرم مي شود.
۲- از نقطه نرم شوندگي تا ۴۰۰ تغيراتي در آن ايجاد مي شود كه عبارتند از:چ
الف. تبخيرتركيباتي با وزن مولكولي كم ب. پليميري شدن ج. كليواژ و آرايش مجدد مولكولي

۳- از ۴۰۰ به بالا نقاط كروي در مذاب pitch ايجاد مي شود كه mesophase ناميده مي شود و ساختار آنها مانند كريستالهاي مايع كاملا جهت دار است.
۴- ميزان كربن دهي pitch در فشار ۱atmحدود %۵۰ است (مانند رزينهاي ترموست) با افزايش فشار حين پيروليز (تا ۱۰۰MPA) ميزان كربن دهي آن بيشتر مي شود. افزايش

فشار به بزرگتر شدن mesophase ها ساختار میکروسکوپیک کم کرده و نیز دمای تشکیل آنهار را کاهش می دهد. در فشارهای بالاتر (>200Mpa) اتصالات و mesophase ها انجام می شود انجام مي شود لذا در ساخت كربن – كربن از فشارهايي حدود ۱۰۰ Mpa استفاده مي گردد.
۵- در برخي موارد براي افزايش دانسيته زمينه و كاهش ميزان تخلفل از HIP استفاده مي شود براي اين منظور ابتدا پريفرم را در قير پودر شده فرو مي برد و يا كربن – كربن متخلخل را در پودر قير فرو مي برند.

سپس آنرا در محقطه كنسرو مانند فلزي قرار مي دهند و در HIP مي گذارند. ابتدا دما را بقدري بالا مي برند كه فقط قير ذوب شود. سپس در اين دما، فشار را افزايش داده تا قیر مذاب وارد تخلخلها شود .آن گاه فشار را بتدريج افزايش داده و حين آنكه دما را نيز جهت كربنيزه كردن و پيروليز افزايش مي دهند. استفاده از فشار همانگونه كه ذكر شد ميزان كربن دهي را بالا برده و تخلخل زمينه را كم كرده و از تبخير تركيباتي با وزن مولكولي كم جلوگيري مي نمايد.

خواص كربن – كربن
– الياف مقاومت كششي و مقاومت به ضربه را بالا مي برند و زمينه مقاومت فشاري و سايشي را و در ضمن امكان انتقال نيرو به الياف و توزيع نيرو در دسته الياف را فراهم مي سازد.

– كربن – كربن با افزايش دما افزايش استحكام مي دهد.
– الياف حرارت را بهتر از زمينه منتقل مي سازند سپس كامپوزيتهاي دو بعدي در يك جهت هادي حرارت و در جهت ديگر عايق حرارتي مي باشند.
– ماده اي ترد است و كرنش شكست زير %۲ دارد و اين مسئله باعث افت مقاومت بين لايه ها مي باشد.
– خنثايي شيميايي داشته و لذا در بافتهاي زنده بدن كاربرد دارد.
– پايداري حرارتي عالي داشته و مقاومت شوك حرارتي عالي دارد.
– انبساط حرارتي كم ، هدايت حرارتي بالا و مدول ومقاومت مكانيكي ويژه
بالايي دارد.

 

عوامل مؤثر بر خواص كربن – كربن
۱- نوع الياف بكاررفته و درصدآن، اعداد وارقام نشان دهنده آن است كه نوع الياف، درصدد جهت گيري آنها در خصوصياتي از قبيل مقاومت كششي تأثيري گذارد.
۲- نوع پيش زمينه
۳- طراحي پريفرم
۴- شرايط پروسس:

الف. حين پروليز، كامپوزيت متحمل ۶۰% تا ۶۵% انقباض مي شود و اين امر منجر به تخريب خواص كامپوزيت مي گردد.
ب. عدم انطباق ضرايب انبساط حرارتي الياف در زمينه نيز حين عمليات حرارتي منجر به ايجاد تنش و در نتيجه تخريب خواص كامپوزيت مي شود.
ج. تبديل فصل مشترك الياف كربن – ماده آلی به الياف كربن – كربن نيز در خواص تأثير مي گذارد. طبيعت اين فصل مشترك به شرايط پروسس وابسته است و طبيعت آن خواص كربن – كربن را تعيين مي نمايد.

 

د.در اثر عمليات حرارتي خواص خود الياف نيز تغير مي يابد مثلا در مورد اليافي كه كاملا گرافيته نشده اند با عمليات حرارتي (۰۰۲)d كاهش و Lc افزايش مي يابد يعني اين الياف بيشتر گرافيته مي شوند لذا مقاومت كششي ازدياد مي يابد.
ه. در اثر پيروليز و خروج گازهاي خورنده مانند آمونياك و Co خصوصيات خوب الياف تخريب مي شود.

تحقيقات جهت بررسي اثردانسيته بر روي استحكام كششي كامپوزيت هاي كربن – كربن انجام شد. در اين بررسي ها تنش و كرنش شكست كامپوزيت زمينه كربن تقويت شده با فيبر كربن (C-Cs) به عنوان تابعي از دانسيته مطالعه شد. اين مطالعات نشان داد كه با افزايش دانسيته، استحكام فصل مشتركC-Cs به طور يكنواخت افزايش مي يابد و كرنش شكست كششي كاهش مي يابد. بررسي مكانيزم شكست كششي C-Cs نشان داد كه در مناطقي كه دانسيته پايين است، توانايي انتقال بار در فصل مشترك زمينه – فيبر و در مناطقي كه دانسيته بالا است، تمركز تنش در نوك ترك زمينه در شكست كششي C-Cs فاكتورهاي اصلي

مي باشند. در شكست كششي، تنشي كه باعث جدايش در فصل مشترك مي شود در شكست كششي نقش مهمي دارد و لغزش فصل مشترك فاكتور اصلي نمي باشد. البته جهت مشخص شدن مكانيزم هاي تسليم، اثر فاكتورهاي مختلف شامل عمليات حرارتي، استحكام فصل مشترك ماتريس – فيبر و عيوب در C-Cs بايد مورد بررسي قرار گيرد. مدلهاي آماري نشان مي دهد كه خواص فصل مشترك زمينه – فيبر اثر قابل ملاحظه اي بر كرنش شكست كششي نهايي كامپوزيت زمينه سراميكي تقويت شده با فيبر پيوسته (CFCCS) دارد.

 

البته C-Cs رفتار كششي مشابهي را نشان مي دهد. با كم شدن پيوند فصل مشترك استحكام كششيC-C بهبود مي يابد.
بررسي هاي مختلف نشان مي دهد كه استحكام كششي C-Cs با افزايش استحكام فصل مشترك فيبر – زمينه كاهش مي يابد. با افزايش دانسيتهC-C پيوند فصل مشترك بهبود مي يابد. عمليات ساخت ۲D-C-Cs كه با فيبر كربني با استحكام بالا IM-600 تقويت شده است در شكل ۸ نشان داده شده است. ۲D-C-Cs اوليه يك كامپوزيت رزين فنوليك تقويت شده با الياف كربني (CFRP) با ضخامت ۲mm است. كسر حجمي فيبر VF، ۶۵% است. CFRP در دماي ۱۲۷۳K كربونيزه

شده و پروسه ساخت در دو مسير رخ مي دهد. مسير اول متد(RC) resin cher است.رزين در دماي ۱۲۳۷k كربونيزه شده و عمليات حرارتي در ۲۲۷۳k براي ۶-۱ سيكل تكرار مي شود. در مسير دوم بعد از كربونيزه شدن ، مواد ۵-۱ سيكل عمليات HIP انجام مي شود. پروسه HIP تحت فشار ۱۰۰Mpa و در ۹۲۳k انجام مي شود و در ۱۲۷۳k كربونيز شده و در ۲۵۷۳k عمليات حرارتي

انجام مي شود. پروسه RC و HIP جهت بدست آوردن C-Cs با دانسيته كم و زياد
انجام مي شود.