مراحل ساخت الیاف چافت کربن

مراحل ساخت الیاف چافت کربن

مرحله اول در ساخت الیاف چافت کربن تثبیت سازی است. قبل از اینکه فیبرها به الیاف چافت کربن تبدیل شوند، باید طی یک فرایند شیمیایی پیوند خطی اتمی آنها به یک پیوند طولی مستحکم تر از نظر حرارتی تبدیل شوند. این کار با گرم کردن الیاف در هوا در دمایی حدود 390-590 درجه فارنهایت (200-300 درجه سانتی گراد) به مدت 30-120 دقیقه انجام می شود.

این کار باعث می شود که الیاف پیش ساز، مولکول های اکسیژن را از هوا جمع کرده و الگوی پیوند اتمی خود را تغییر داده و از نو تنظیم کنند. واکنش های شیمیایی تثبیت کننده پیچیده هستند و شامل چندین مرحله می شوند که برخی از آنها همزمان رخ می دهد. آنها همچنین از خود گرما تولید می کنند، که این گرما باید کنترل شود تا از گرمای بیش از حد الیاف جلوگیری شود.

از نظر تجاری، فرایند تثبیت الیاف چافت کربن از تجهیزات و تکنیک های متنوعی استفاده می کند. در برخی انواع فرآیندها، الیاف از غلطکه ای داغ عبور می دهند. در برخی فرآیندها از هوای گرم استفاده می شود که با گازهای خاصی مخلوط شده و باعث تسریع پردازش شیمیایی می شود.

مرحله دوم بعد از تثبیت، کربنیزه شدن است پس از تثبیت الیاف، الیاف پیش ساز را برای مدت چند دقیقه در کوره ای پر از مخلوط گاز که عاری از گاز اکسیژن است قرار داده می شود، و در دمای حدود1800 تا 5500 درجه فارنهایت (1000 تا 3000 درجه سانتی گراد) گرم می شوند.کمبود اکسیژن باعث می شود از سوختن الیاف در دمای بسیار بالا جلوگیری شود. در این مرحله فشار گاز داخل کوره بالاتر از فشار هوای خارج نگه داشته می شود و نقاطی که فیبرها از آن وارد و خارج می شوند از کوره بسته می شوند تا از ورود اکسیژن جلوگیری شود.

با گرم شدن الیاف، شروع به از دست دادن اتم های غیر کربن خود علاوه بر چند اتم کربن می شود که خروج آنها در قالب گازهای مختلف از جمله بخار آب، آمونیاک، مونوکسید کربن، دی اکسید کربن، هیدروژن، ازت و غیره می باشد. با بیرون راندن اتم های غیر کربن، اتم های کربن باقیمانده با بلورهای کربن محکم پیوند می خورند که کم و بیش موازی با محور طولانی فیبر هستند. در برخی فرآیندها از دو کوره که در دو درجه حرارت مختلف کار می کنند برای کنترل بهتر میزان گرمایش در طول کربنیزه شدن استفاده می شود.

بعد از کربن سازی فرایند اصلاح سطح انجام می شود، که در این مرحله الیاف سطحی دارند که به خوبی با اپوکسی ها و سایر مواد مورد استفاده در مواد کامپوزیتی بهم متصل نمی شوند. برای اینکه به الیاف خاصیت چسبندگی بهتر برای پوشش دهی داشته باشند، سطح آنها کمی اکسیده می شود. افزودن اتم های اکسیژن به سطح، خصوصیات پیوند شیمیایی بهتری را ایجاد می کند.

همچنین می توان با فرو بردن فیبرها در گازهای مختلف مانند هوا، دی اکسید کربن یا ازن یا در مایعات مختلف مانند هیپوکلریت سدیم یا اسید نیتریک می توان اکسیداسیون را بر روی سطح الیاف انجام داد. همچنین با ایجاد یک قطب مثبت در حمام پر از مواد رسانا الکتریکی، می توان الیاف را به صورت الکترولیتی پوشش داده شوند. فرایند اصلاح سطح باید به دقت کنترل شود تا از ایجاد نقایص سطح ریز مانند سوراخ های ریز بر روی سطح آن جلوگیری شود.

مرحله بعدی مربوط به آهار زدن می باشد. بعد از عملیات اصلاح سطح، سطح الیاف پوشش داده می شوند که در این مرحله الیاف با مواد مختلف پوشش داده می شوند تا در هنگام سیم پیچ یا بافندگی از آسیب رسیدن محافظت شوند. این فرآیند آهار زدن نامیده می شود. مواد پوششی به گونه ای انتخاب شده اند که با چسب مورد استفاده در تشکیل مواد کامپوزیت سازگار باشد. مواد پوشش دهنده معمولی شامل اپوکسی، پلی استر، نایلون، اورتان و سایر موارد هستند.