بسم الله الرحمن الرحیم علم (نانو)شیمی و (نانو)مواد در خدمت صنایع نظامی با کسب اجازه از اساتید و دوستان گرامی هدف از ایجاد این تاپیک بحث و بررسی ترکیباتی هست که در صنایع نظامی کاربرد دارند. بخش اول: الیاف کربن مقدمه کربن با عدد اتمی 6 از سبکترین عناصر در طبیعت محسوب میشود بنابراین ترکیباتی که بر پایه کربن ساخته میشوند بسیار سبک هستند و کاربردهای متنوعی در صنایع مختلف پیدا کرده اند.کربن دارای خواص منحصر به فردی هست ک آن را قادر میسازد تا با تشکیل پیوند بین اتم هایش ساختارهای پایداری از قبیل ترکیبات زنجیره ای، زنجیره ای شاخه دار و حلقوی تشکیل دهد امروزه بالای 6 میلیون ترکیب بر پایه کربن شناخته شده اند. کربن در کنار هیدروژن پایه و اساس شیمی آلی را تشکیل میدهند. کربن دارای تعدادی ساختار کریستالی و یا ساختار مولکولی متمایز هست که با اصطلاح آلتروپ(پلی آمورف) شناخته می شوند که شامل گرافیت، الماس ، فلوئورن و ... می باشد اگر چه اساس آنها را اتمهای کربن تشکیل میدهند اما تنوع در ساختار باعث ایجاد خصوصیات بسیار متنوعی در آنها می شود. برای مثال الماس سخت ترین ترکیب شناخته شده و گرافیت جز نرم ترین ترکیبات محسوب می شوند]1[. تشکیل ترکیبات آلی بر پایه پیوندهای کوالانسی (Covalent Bonding) است. مدل اوربیتال‌های هیبریدی، یک الگوی توصیفی از تشکیل پیوندهای کوالانسی بین اتم‌هاست. در این مدل اوربیتال‌های هر اتم (که دربرگیرنده الکترون‌های پیوندی است) با یکدیگر ترکیب شده و اوربیتال‌های هیبریدی را تولید می‌کند. اوربیتال‌های هیبریدی ایجاد شده، دارای ساختار و انرژی مشابه بوده و در تشکیل پیوند با اتم‌های دیگر مشارکت می‌کنند. این پیوند با نام پیوند سیگما (σ) شناخته می‌شود. در اصل این هیبرید اتم کربن است که تفاوت‌های ساختاری و خصوصیات ترکیبات کربنی مختلف را باعث می‌شود[6]. ترکیبات کربنی بر اساس گردش یا عدم گردش الکترون در ساختارشان به دو دسته آروماتیک و آلیفاتیک تقسیم میشوند.آروماتیکها معمولاً واکنش‌هایی از نوع جانشینی (Substitution) و به‌خصوص واکنش‌های جانشینی الکتروفیلی (Electrophilic Substitution) را انجام می‌دهند. برخلاف واکنش‌های افزایشی (Addition)، در واکنش‌های جانشینی ساختار (و در نتیجه پایداری) آروماتیکی حفظ می‌شود و تنها گروه‌های هیدروژن روی حلقه با گروه‌های دیگر (مثل متیل، نیترو، هالید ...) جایگزین می‌شوند. در ترکیبات آلیفاتیک گردش الکترون در ساختار مشاهده نمی‌شود. از همین‌روست که ترکیبات آلیفاتیک پایداری خاص ترکیبات آروماتیک را ندارند و از این‌رو واکنش‌های شیمیایی گسترده‌تری را انجاممی‌دهند[3,5,8]. الیاف کربن الیافی هستند که حداقل 92 درصد وزنی آن را اتم های کربن تشکیل دهند. این الیاف مزایای متوعی دارند که برجسته ترین آنها مقاومت کششی فوق العاده نسبت به وزن آن است (کربن تقریبا یک سوم فولاد وزن و ۵ الی ۱۰ برابر آن مقاومت دارد). دوام و عمر طولانی در برابر مواد شیمیایی و نفوذ ناپذیری در برابر اشعه x از بارزترین خصوصیات الیاف کربن به شمار می‌رود. همچنین الیاف کربن رسانایی الکتریکی بسیار خوبی دارد بنابراین به صورت گسترده می توانند در کامپوزیتها به کار گرفته شوند[1]. تخمینی از مصرف جهانی الیاف کربن[9]: رشته الیاف کربن که از فیبرهای کربن تشکیل می‌گردد، به مراتب نازکتر از موی انسان در قطر بین ۶ تا ۱۰ میکرومتری می‌باشند.یک نکته مهم در مورد همه الیاف قطر آنها هست، هر چقدر قطر الیاف کوچکتر باشد این امکان را به لیف می دهد تا مساحت سطح بالایی داشته باشد بنابراین میتواند برهم کنش بیشتری با ماتریکس(از قبیل رزین ها) در کامپوزیت ها داشته باشد و باعث بهبود خواص مکانیکی ، حرارتی و الکتریکی شود . بنابراین امروزه سنتز نانو الیاف چالش جهانی هست که به توفیقاتی نیز دست یافته هست و در سطح آزمایشگاهی و نیمه صنعتی توانایی سنتز نانو الیاف محقق شده است[2]. تاریخچه دوکشور ژاپن و آمریکا را می توان از پیشگامان تحقیق و توسعه فیبرهای کربن بشمار آورد. اولین گزارش در مورد نانوفیبر کربن که به سال 1889 بر می گردد سنتز کربن رشته ای توسط Hughes و همکارانش می باشد. آنها از مخلوط گازی متان/هیدروژن استفاده کردند و رشته های کربن را از طریق پیرولیز گاز، رسوب کربن و رشد رشته ایجاد کردند. درک واقعی این فیبر، با این حال، خیلی بعد هنگامی که ساختار آنها توسط میکروسکوپ الکترونی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت انجام شد. اولین مشاهدات نانوفیبر کربنی با میکروسکوپ الکترونی در اوایل دهه ی 1950 توسط دانشمندان اتحاد جماهیر شوروی Radushkevich و Lukyanovich انجام شده است، که فیبر های کربنی گرافیتی توخالی با قطر 50 نانومتر را شناسایی کردند. در اوایل دهه ی 1970، محققان ژاپنی Koyama و Endo، موفق به ساخت VGCF با قطر 1 میکرومتر و طول بالاتر از 1 میلی متر شدند. بعدها، در اوایل دهه ی 1980،Tibbetts در ایالات متحده آمریکا و Benissad در فرانسه روند ساخت VGCF را کامل کردند. در ایالات متحده آمریکا، مطالعات عمیق تر با تمرکز بر سنتز و خواص این مواد برای کاربردهای پیشرفته توسطR. Terry K. Baker انجام شد و با نیاز به مهار رشد نانوفیبر کربنی به علت مشکلات مداوم ناشی از تجمع مواد در انواع فرآیندهای تجاری به ویژه در زمینه ی خاص پردازش نفت، ترغیب شد. برای اولین بار تجاری شدن VGCF توسط شرکت ژاپنی Nikosso در سال 1991 تحت نام تجاری Grasker انجام شد. VGCNF از طریق فرایند ی مشابه VGCF تولید می شود، فقط قطر به طور معمول کمتر از 200 نانومتر است. شرکت های متعددی در سراسر جهان به طور جدی در تولید در مقیاس تجاری از نانوفیبر کربن و برنامه های کاربردی مهندسی جدید در تلاش می باشند[5]. پیش ماده های تولید فیبر کربن پیش ماده های بسیار متنوعی برای سنتز فیبر کربن در طول چند دهه مورد مطالعه و بررسی قرار گرفتند که پلی ونیل آکریل (PAN) معروفترین و پر استفاده ترین آنهاست . امروزه در کنار پن ، پیش ماده های سلولوزی(C6H10O5) ، لیگنین و فیبرهای کربن بر پایه قیر توسعه یافتند. پیش ماده های دیگری هم مثل وینیلدین کلرید و رزین های پایه فنولی بررسی شده اند که توانایی تجاری سازی نداشتند. ساختار پلیمر الیاف پیش ماده تاثیر مهمی بر روی خصوصیات ساختاری الیاف کربن نهایی دارند، درصد بلورینگی بالاو آرایش یافتگی زیاد زنجیرهای مولکولی در الیاف پیش ماده در حین فرایندهای تکمیلی در میزان تبلور الیاف کربن موثر خواهد بود و باعث بهبود خواص فیبر نهایی خواهد شد[1]. 67.9 درصد از هر واحد آکریلو نیتریل را اتم های کربن تشکیل می دهند و باعث ایجاد فیبرهایی با مدول بالا می شوند. مقدار کربن در پیش ماده های سلولوزی 44.4 درصد از کل واحد را تشکیل میدهد. در فیبرها بر پایه قیر با اینکه مقدار کربن در هر واحد زیاد هست اما به دلیل طبیعت گرافیتی که دارند نسبت به بقیه موارد از خصوصیات مکانیکی ضعیفی برخوردارند[1]. پیش ماده PAN پنی به عنوان پیش ماده انتخاب میشود که حداقل دارای دو ویژگی زیر باشد: 1- پلیمر با مقدار آکریلونیتریل کمتر از 85 درصد رضایت بخش نیست. انتخاب مونومر همراه(comonomer) در مرحله پیش اکسیداسیون، در فرایند تولید فیبر کربن نقش مهمی دارد. 2- وزن مولکولی و توزیع مناسب وزن مولکولی پلیمر به دقت کنترل شود. متوسط وزن مولکولی کوپلیمر جهت تولید الیاف آکرلیک بین 40 تا 70هزار گرم بر مول در هر 1000 واحد تکراری هست[1]. کومونومرهایی نظیر ونیل استات، متیل آکریلات جهت پایدارسازی کل فرایند، قابلیت ریسندگی مناسب، افزایش تحرک بخش های مختلف زنجیره پلیمری، بهبود خصوصیات مکانیکی پیش ماده ، کمک به حل پذیری پلیمر در حلال ریسندگی، بهبود مورفولوژی فیبر ، بهبود نفوذ رنگ داخل الیاف و کمک به آغاز حلقه زایی در دمای پایین ب ونیل آکریلات افزوده می شوند. کارخانجات تولیدی معمولا بیش از یک کومونومر استفاده می کنند. کربوکسلیک اسیدها کومونومرهای مناسبی اند و فرایند اکسیداسیون و همچنین حلقه زایی گروههای نیتریل(شکل پایین) را تسهیل می کنند. برخی از کومونومرهایی که استفاده میشوند در جدول آورده شده اند[1,7]. روشهای متنوعی برای پلیمرزاسیون این ترکیبات وجود دارد که رایجترین آن در صنعت Aqueous dispersion polimerzition نامیده می شود. حلالهای پلیمرزاسیون هم میتوان به دی متیل سولفواکسید، کلرید روی و تیوسیانات سدیم(NaSCN) اشاره کرد. سنتز الیاف کربن بر پایه پن تصویر زیر کل فرایند تولید فیبرهای کربن را از پیش ماده پن نشان میدهد که شامل سه مرحله اصلی اکسیداسیون، کربنیزه کردن و گرافیتاسیون میباشد . هدف از مرحله اکسیداسیون تبدیل مولکولهای نردبانی شکل پن به ساختار حلقه ای پایدار اکسید پن هست، این مرحله تا دمای300 درجه در جو اکسیژن انجام میگیرد. حلقه های 6تایی از بقیه حلقه ها پایدارترند. کربنیزه کردن از دمای 700 تا 1800 درجه در جو نیتروژن انجام می شود و هدف از این مرحله حذف گروههای کربونیلی و گروههای نیتریدی در حد امکان هست (اتمهای نیتروژن به طور کامل حذف نمیشوند) همچنین کربونیزه کردن باعث افزایش خواص مکانیکی و الکتریکی فیبرها می شود. برای افزایش مدول فیبرهای کربن لازم هست دما را تا 3000 درجه و در جو آرگون افزایش داد. لازم به ذکر است چون محیط بی اثر (جو نیتروژن یا آرگون) هست کربن نمی سوزد تا به گاز کربن دی اکسید تیدیل شود. گرافیتاسیون: با توجه به نوع الیاف کربن مورد نظر، از لحاظ ضریب ارتجاعی و اعمال این مرحله در محدوده دمایی ۳۰۰۰ – ۱۵۰۰ درجه سلسیوس، موجب بهبود درجه جهتگیری بلورهای کربنی در جهت محور الیاف و ا فزایش اندازه کریستالها و در نیجه باعث بهبود ویژگی‌های مکانیکی می‌شود[4]. انواع الیاف کربن: تنوع در فرایند گرافیتاسیون می تواند منجر به الیاف با مقاومت کششی بالا( 2600 درجه) یا مدول بالا(3000درجه) و یا حد واسط ای دوتا شود.الیاف کربن بر اساس مدولشان به چند دسته high strength(HS), intermediate modulus (IM), high modulus (HM) and ultra-high modulus (UHM) تقسیم میشوند. که قطر رشته الیاف بین 5تا 7 میکرون هست[2]. انواع فیبر کربن همراه خصوصیات مکانیکی در کنار کشور سازنده در جدول زیر خلاصه شده اند[2]. مقایسه الیاف کربن با سایر ترکیبات بررسی خصوصیات پایه[2]: بررسی کاملتر خواص سه نوع الیاف[2]: کربنی، آرامیدی و الیاف شیشه...A: عالی B: متوسط C: بد بررسی قیمت: نتیجه گیری الیاف کربن به دلیل سبک بودن و خواص مکانیکی منحصر به فرد، امروزه نقش بسیار مهمی به عنوان تقویت کننده(Reinforcement) کامپوزیت ها ایفا می کنند. بدلیل تکنولوژی بالای تهیه این الیاف معدود کشورهایی توانایی تهیه این گونه الیاف به ویژه الیاف با مقاومت کششی و مدول بالا برخوردارند. امروزه کامپوزیت این الیاف جایگاه بسیار ویژه ای در صنایع دست بالا را به خودشان اختصاص داده اند و به مرور زمان با ارزان تر شدن تهیه این الیاف صنایع پایین دستی نیز توانایی بهره برداری از آن را خواهند داشت. منابع 1. Carbon fiber and their composites, Peter Morgan, 2005 2. Guide to composites 3.DOI 10.1007/s12274-011-0192-z 4. www.carbon-fiber.com 5. http://edu.nano.ir/paper/221 6. http://edu.nano.ir/paper/65 7. http://yon.ir/sTTO7 8. doi:10.3390/ma2042369 پی نوشت: http://yon.ir/akV3J پیش ماده پن در کشور ما فعلا تحریم هست و تولید داخل ندارد برای همین آخرین خبر از کارخانه تولیدی حاکی از این هست که کارخانه با یک سوم ظرفیت فعاله. ایمیل: m.taginejad.ch.iut.ac.ir ادامه دارد...