منسوجات و پوشش های بالستیکی– قسمت ششم: الیاف کربن و مقایسه با سایر الیاف بالستیکی

۱ چکیده

این نگارش، مقاله ششم از سری مقالات در زمینه پوشش­ها و منسوجات بالستیک می باشد. در این مقاله به معرفی  مختصر الیاف کربن و مقایسه آن با الیاف از پیش گفته، خواهیم پرداخت.

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 [۵].

 

۲   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[۱] 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 [۱۷]. 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 ۸/۱ 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 لايي­هایي که به کارايي­هاي ساختاری و بالستيکی نياز دارند، نيز استفاده خواهد شد [۵].

بي­نظمی­هاي ساختاری و همينطور وجود حفرات[۲]، علت دانسيته g/cm3 8/1 الياف بر پايه پلی­آکریلونیتریل و g/cm3 1/2 برای الیاف پایه قیر، در مقايسه با دانسيته g/cm3 28/2 گرافيت خالص است. شکل ۱ محدوده استحکام، مدول­ها و افزايش طول تا پارگی الياف کربنی را نشان می­دهد که از مواد اوليه و شرايط فرايند کردن متفاوت به دست آمده­اند.

شکل ۱: محدوده ويژگی­های کششی الياف کربن از منابع مختلف [۳]

 

بین خواص الیاف کربن روابطی وجود دارد. برای مثال مشاهده شده است که با افزايش مدول­ها از ۲۰۰ تا GPa 900، رسانايي الکتريکی از ۵۰۰ به Ω.cm-1 104×۲ و رسانايي حرارتی از ۴ به W.m-1.k-1 900 افزايش می­يابد. هر دو نوع الياف کربنی بر پايه پلی آکریلونیتریل و قیر، خزش يا شکست خستگی[۳] ندارند [۳].


۳ مقایسه خواص الیاف گوناگون

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

  1. مدول می بایست به میزان بسیار زیادی در جهت محور فیبر جهتگیری کرده باشد.
  2. وزن مولکولی یا طول زنجیر مولکولی باید بسیار زیاد باشد.
  3. الیاف باید بلورینگی بالایی داشته و دارای حداقل شکست و پارگی باشند [۵].

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 ۱، ۲ و ۳ برخی خواص فیزیکی-مکانیکی برای الیاف تقویت کننده کامپوزیت ها و الیاف گرید بالستیک آورده شده است.

 

جدول ۱: ويژگی­های برخی الياف به کار رفته در تقويت پلاستيک­ها [۴].

جدول ۲: ويژگی­های مقايسه­ای الياف گوناگون طبیعی و سنتزی.

توجه شود که اين مقادير نوعی بوده و با تغيير گرید هر لیف متفاوت می­شوند [۳].

جدول ۳: مقایسه دانسیته و استحکام کششی چند لیف گرید زرهی [۵]

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 ۹۰۰۰ 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 ۵/۱، معادل ۱۲ میکرون است. تبدیل g/d به Pa به صورت مقابل است: Pa=(8.82×۱۰۷)(g/d)(ρ) [۵].

نمودار ساده تنش-کرنش[۴] برای تعدادی از الياف بالستیکی که امروزه به کار می­روند در شکل ۲ 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 ۳ مشاهده می شود.

شکل ۲: مقايسه ويژگی­های کششي الياف بالستيکی گوناگون [۵].

شکل ۳: ويژگی­های مقايسه­ای مکانيکی الیاف.

a: استحکام بر پایه وزن بر حسب استحکام بر پایه حجم b: استحکام و سختی بر پايه وزن [۳].

 

۴- برخی مراجع:

[۱] T. Bّrvik, S. Dey, A.H. Clausen., International Journal of Impact Engineering, 36 (2009) 948–۹۶۴

[۲] Handbook of technical textiles, A. R. Horrocks and S. C. Anand, Eds. Woodhead Publishing Ltd and CRC press LLC, USA, 2000

[۳] Textiles for protection, R. A. Scott, Ed. Woodhead Publishing Ltd and CRC press LLC, USA, 2005

[۴] Carothers J. P. (Major) Body Armour, A Historical Perspective, USMC CSC 1988

[۵] Lightweight ballistic composites, Military and law-enforcement applications, A. Bhatnagar, Ed. Woodhead Publishing Ltd and CRC Press LLC, USA, 2006

[۶] www.fy-composites.com

 

[۱] Pitch fibers

[۲]  Voids

[۳] Fatigue or failure

[۴] Stress-strain

ممکن است شما دوست داشته باشید بیشتر از نویسنده

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.