الیاف کربن رشته الیافی است که از حرارت دادن مواد آلی (ریون) که قسمت عمده ی آن کربن می باشد که با قرار دادن در محیط گازهای بی اثر بدست می اید. الیاف کربنی مواد مختلفی از جمله پلی اکریل نیتریل و قیر و … بدست می آید. الیاف کربنی مشکی رنگ، غیر حلال در آب و بدون بو هستند. مقاومت بالایی در برابر اسید ها و باز ها و حلال های آلی دارند. الیاف کربن به شکل رول هایی به عرض ۵/۰ و طول ۱۰۰متر عرضه میشود. این الیاف به صورت یک جهته که در آن فیبر های کربن موازی با راستای صفر و دو جهته که در آن فیبر های کربنی در دو جهت صفر و نود برهم عمودند. الیاف کربن در زمینه‌های متعددی مانند تقویت، مقاوم سازی و تعمیر سازه‌ها، صنایع دفاعی، صنعت خودرو و بسیاری از صنایع مهم دیگر کاربرد دارد. الیافی که در ساخت کامپوزیت کربنی بکار می روند CFRP ها معمولا توسط عناصری به نام رزین‌های اپوکسی به اعضا و المان‌ها متصل شده و می‌توانند ظرفیت بارگذاری و مقاومت برشی و خمشی عناصر مختلف در سازه را افزایش دهند.

الیاف کربنی:

الیاف های کربنی مقاومت بالایی در برابر حرارت دارند، در نتیجه از جمله الیاف غیر قابل انفجار محسوب می شوند. سبک بودن الیاف کربنی باعث می شود مقاومت و مدول داشته باشند که این همین امر سبب شده است که کاربرد گسترده ای در صنعت کامپوزیت و مقاوم سازی داشته باشد. بهترین مزایای الیاف کربنی مقاومت کششی بسیار بالای ان نسبت به وزن است. الیاف کربن در برابر اشعه X نفوذناپذیر است. رشته های الیاف کربن از فیبر کربنی ساخته می شود که در اشکال بلوری گوناگونی ساخته می شود. الیاف کربنی ضریب الاستیک بالاتری نسبت به الیاف شیشه و کولار دارد. همچنین ضریب انبساط گرمایی الیاف کربنی در دماهای مختلف کم است که این امر باعث میشود که اندازه ی الیاف کربن در دماهای مختلف ثابت و پایدار بماند. این الیاف کربنی با مدول الاستیسیته و مقاومت های کششی مختلف و با بافت های یک جهته و دو جهته برای بکارگیری در کامپوزیت و مقاوم سازی انواع سازه های بتنی تولید می گردد. صنعت هوافضا نخستین و در عین حال اصلی ترین مصرف کننده ی الیاف کربن است. زیرا این صنعت نیازمند موادی با وزن کم، سفتی و سختی زیاد، مقاومت بالا با ضریب انبساط حرارتی کم است.

منابع تولید الیاف کربنی عبارت است از:

۱) الیاف کربنی ساخته شده از گیاهان یا سلولوزی
۲) الیاف کربنی ساخته شده از قیر
۳) الیاف کربنی ساخته شده از پلی اکریل نیتریل(PAN)

در حال حاضر پیشروی الیاف کربنی ساخته شده از قیر و پلی اکریل نیتریل (PAN)بیشتر میباشد

مقایسه ی الیاف کربنی ساخته شده از قیر و پلی اکریل نیتریل:

الیاف مصنوعی ساخته شده از پلی اکریل نیتریل (PAN)مقاومت بسیار بالایی دارد ولی از لحاظ هزینه مقرون به صرفه نیست. الیاف ساخته شده از قیر که از تقطیر زغال سنگ بدست می آید نسبت به الیاف مصنوعی ارزان تر است اما از مقاومت و مدول پایین تری برخوردار است. هم چنین الیاف مصنوعی از مدول بالاتری برخوردار است که همین امر سبب می شود تا نسبت به الیاف کربنی ساخته شده از قیر تغییر طولی کمتری داشته باشد.

مراحل و نحوه ی ساخت الیاف کربنی از مواد پلی اکریل نیتریل:

۱) ریسش و یا Spining
در این مرحله پلی اکریل نیتریل ها را به صورت رشته در می اورند و سپس در دستگاه های ریسش به صورت فیبر در خواهند امد.
۲) اکسیداسیون و یا Oxidation
در این مرحله فیبر ها در زمان حدود ۲ ساعت در حضور هوا و یا گاز های مناسب تحت درجه حرارتی حدود ۲۰۰ الی ۳۰۰ درجه سانتیگراد قرار می گیرند، به این مرحله نیز مرحله ی تثبیت سازی می گویند.
۳) کربونیزاسیون و یا Carbonization
در این مرحله فیبر های کربنی باید در محیطی راکد و در حضور گاز نیتروژن در درجه حرارت ۱۰۰۰ تا ۱۷۰۰ قرار می گیرند. بعد از این مرحله خواص فیبر ها از جمله مدول کششی ۲۰۰_۳۰۰ گیگاپاسکال،مقاومت فشاری ۳ گیگاپاسکال و مدول برشی نیز ۱۵ گیگاپاسکال خواهد شد.
۴) گرافیتاسیون و یا Graphitation
در این مرحله نیز فیبر هایی که دارای مدول کششی بالایی هستند در کوره های مخصوص در محیطی راکد تحت درجه حرارت ۲۵۰۰_۳۰۰۰ قرار می گیرند. خواص فیبر ها از جمله مدول کششی ۵۰۰_۶۰۰ گیگاپاسکال،مقاومت فشاری ۱۶ گیگاپاسکال و مدول برشی نیز ۱۰ گیگاپاسکال خواهد شد.بعد از این مرحله قطر الی اف کربن به ۵ الی ۷ میکرون می رسد.

مراحل و نحوه ی ساخت الیاف کربنی از قیر:

مهمترین منابعی که از قیر مورد استفاده قرار می گیرد پلی وینیل کلراید،آسفالت و قطران زغال سنگ است.به دلیل ارزان بودن مواد اولیه و بازده ی بالای این روش تولید الیاف کربن از این روش مورد توجه بسیار قرار گرفته است.در این روش قیر به سرعت بالایی ریسیده می شود و همچنین به سرعت سرد می شود (ذوب ریسی) .پایداری الیاف کربن از طریق پیوند های عرضی در محیط اکسیده کننده حاصل می شود.

دسته بندی الیاف کربنی:

الیاف کربنی با توجه به تعداد فیلامنت، استحکام در برابر حرارت و مدول الاستیک تقسیم بندی شده اند.

تقسیم بندی الیاف کربنی بر اساس تعداد فلامنت:

الیاف دارای تعداد فیلامنت کمتر از ۲۴۰۰۰ به اصطلاح TOW به معنای کوچک و تعداد فیلامنت بیشتر از ۲۴۰۰۰ توو سنگین نام گرفته اند.

تقسیم بندی الیاف کربنی بر اساس مدول یانگ و یا الاستیک از مشخصات مکانیکی است به صورت :

•  الیاف با مدول الاستیسیته بسیار بالا بیشتر از ۵۴۰ گیگاپاسکال
•  الیاف با مدول الاستیسیته بالا بین ۳۵۰ تا ۴۵۰ گیگاپاسکال
•  الیاف با مدول الاستیسیته متوسط بین۲۵۰ تا ۳۵۰ گیگاپاسکال
•  الیاف با مدول الاستیسیته پایین و مقاومت کششی گسیختگی بالا که مدول کمتر از ۲۰۰۰گیگاپاسکال و مقاومت کششی بیشتر از ۳۰۰۰ مگا پاسکال
•  الیاف کربن با استحکام کششی بسیار بالا بیشتر از ۵۰۰۰ مگا پاسکال تقسیم بندی می شود.

تقسیم بندی الیاف کربنی بر اساس حرارت :

•  الیاف MH دمای عملیات حرارتی بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سلسیوس
•  الیاف SH دمای حدود ۱۵۰۰ درجه سلسیوس
•  الیاف TH دمای کمتر از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس

مزایای الیاف کربنی:

۱) نفوذ ناپذیر بودن الیاف کربنی در برابر اشعه X و افزایش ظرفیت باربری
۲) مقاومت کششی و مدول الاستیسیته ی بسیار بالای الیاف کربنی نسبت به وزن
۳) الیاف کربنی رسانای برق هستند.
۴) ضریب انبساط گرمایی پایین الیاف کربنی و بالا بودن ضریب الاستیک آن
۵) استحکام بالای خستگی الیاف کربنی
۶) تغییر طول بسیار پایین آن حدود ۱/۰
۷) مقاوم در برابر محیط خورنده ی اسیدی و مواد شیمیایی
۸) الیاف کربن قوی تر از سایر مصالح سنتی مانند فولاد و ۷۰% سبکتر از فولاد است.
۹) الیاف کربنی به دلیل وزن کم و دوام بیشتر جایگزین آلومینیوم در صنعت ساخت هواپیما شده اند.
۱۰) قابلیت بافته شدن و تولید پارچه به دلیل انعطاف پذیر بودن الیاف کربن
۱۱) الیاف کربن ۴ برابر بیشتر از فولاد و ۸ برابر بیشتر از آلومینیوم در تست کشش مقاومت دارد.
۱۲) برخلاف سبک تر بودن الیاف کربنی نسبت به سایر فلزات خم کردن ان دشوار تر است.
۱۳) به دلیل بالا بودن انعطاف پذیری الیاف کربنی می توان در زمینه ی مقاوم سازی از آن در سطوح منحنی به خصوص ستون دایره ای استفاده کرد.
۱۴) افزایش ظرفیت باربری و افزایش مقاومت خمشی و برشی سازه
۱۵) الیاف کربنی ضریب الاستیک بالایی نسبت به الیاف شیشه و کولار دارند.

معایب الیاف کربنی:

۱) کربن رسانای الکتریکی است که این امر سبب ایجاد اتصال کوتاه در قطعات غیر عایق می شود.
۲) پایین بودن مقاومت ضربه ای الیاف کربنی در برابر ضربه ی ناگهانی
۳) قیمت الیاف کربنی
۴) کرنش در شکست
۵) به دلیل تغییر طول محدود (حدود ۱/۰) الیافی ترد به حساب می آیند.

کاربرد الیاف کربن در صنعت عمران:

یکی از روش ها برای مقاوم سازی و تعمیر ساختمان ها و سازه های بتنی استفاده از مواد پلیمری است.به گونه ای که استفاده از انواع کامپوزیت ها از اواسط سال ۱۹۸۰ توجه مهندسین را به خود جلب کرده است. این سیستم نیز در سازه های چوبی، فولادی و بنایی کاربرد دارد. سیستم CFRP که از انواع کامپوزیت پر استفاده در صنعت ساختمان سازی است که در آن رشته ی الیافی از جنس کربن است. این سیستم یک جایگزین مناسب برای روش های تقویت سازه ها در قدیم مانند ژاکت فولادی و پوشش های بتنی است به صورتی که علاوه بر مقاوم سازی سازه باعث مقاومت سازه در برابر خورندگی، کاهش وزن سازه می گردد.

برخی از دلایل مقاوم سازی ساختمان عبارت است از:

• مقاوم سازی لرزه ای برای رعایت الزامات آیین نامه های موجود
• آسیب های وارده ناشی از تصادفات و یا شرایط محیطی
• وجود اشتباه در طراحی اولیه
• تغییر کاربری سازه
• افزایش ظرفیت سازه ای

اعضای یک سازه امکان دارد به دلایل مختلفی از جمله نداشتن سختی، کمبود مقاومت، شکل پذیری و ماندگاری نیاز به مقاوم سازی داشته باشد. الیاف کربن و کامپوزیت های آن در مقاوم سازی ساختمان مسلح کاربرد زیادی دارد. استفاده از تیر کربنی باعث نازک شدن دیوار می شود در نتیجه استفاده بهینه از فضا می شود.مخلوط کردن الیاف کربن با آسفالت باعث می شود استحکام و ثبات ابعادی آن افزایش یابد.کربن قطر آسفالت را ۳۵/۰ کاهش می دهد و عمر آن را بیش از ۲ برابر می کند

موارد کاربرد_الیاف کربن در دیگر صنایع:

الیاف کربن در صنایع هوافضا:

•  استفاده ی پرکاربرد در صنعت هوافضا به دلیل وزن کم و دوام بالاتر از آلومینیم
•  استفاده از الیاف کربنی در ارتش به دلیل وزن پایین آن در ساخت هواپیما و هلیکوپتر به طوریکه یک قطعه از فیبر کربن یک سوم یک قطعه ی فولادی وزن دارد.

الیاف کربن در صنایع ورزشی:

•  استفاده از الیاف کربنی در ساخت تجهیزات ورزشی مانند راکت تنیس و کمان ها و …

الیاف کربن در صنایع خودروسازی:

•  استفاده از الیاف کربنی در صنعت خودروسازی برای ساخت اتاقک و قالب های صندلی

الیاف کربن در صنایع پزشکی:

•  استفاده از این محصول در صنایع پزشکی و ساختن اندام مصنوعی بدلیل داشتن خاصیت رادیوسنتری بالا
•  استفاده از الیاف های کربنی در توربین های بادی به دلیل استحکام و دوام بالاتر نسبت به الیاف شیشه
•  استفاده از الیاف کربنی برای کاهش الکتریسیته ی ساکن تولید شده در رایانه های لپ تاب و چاپگر ها به دلیل رسانا بودن الیاف کربنی

کاربرد فیبر کربن در تقویت سازه ها

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 ۱۵۰۰ سازه بتنی تاکنون با کامپوزیت تقویت شده اند. هنگامی که از کامپوزیتها به جای فولاد استفاده میشود، زمان ساخت و ساز کاهش یافته و وزن کلی سازه به مقدار قابل توجهی کم میشود و در اغلب موارد اختلال ایجاد شده در کارهای دیگر کاهش مییابد. تقویت کننده های کامپوزیتی معمولاً از صفحات فولادی ارزان تر نیستند ولی کارایی بهتری دارند.

شرایط نگهداری الیاف کربنی:

• الیاف کربنی باید در محیطی خشک دمای ۴ تا ۴۰ درجه سانتی گراد و دور از تابش نور خورشید نگهداری شود.

سوالات متداول

منابع تولید الیاف کربنی کدام است؟

منابع تولید الیاف کربنی عبارت است از: الیاف کربنی ساخته شده از گیاهان یا سلولوزی، الیاف کربنی ساخته شده از قیر، الیاف کربنی ساخته شده از پلی اکریل نیتریل(PAN)

دسته بندی الیاف کربنی چگونه است؟

الیاف کربنی با توجه به تعداد فیلامنت، استحکام در برابر حرارت و مدول الاستیک تقسیم بندی می شوند..

مزایای الیاف کربنی کدام است؟

مقاومت کششی و مدول الاستیسیته ی بسیار بالا،ضریب انبساط گرمایی پایین، مقاوم در برابر محیط خورنده ی اسیدی و مواد شیمیایی، قوی تر از سایر مصالح سنتی مانند فولاد و ۷۰% سبکتر از آن از ویژگی های الیاف کربن است

کاربرد الیاف کربن در صنعت عمران چیست؟

جهت مقاوم سازی و تعمیر ساختمان ها و سازه های بتنی از الیاف کربن استفاده می شود.