چرا الیاف کربن گران و باارزش اند؟

وقتی برای اولین بار در سال های 1960 فیبر کربن در موتور راکت ها و مخازن آنها به کار رفت، نه تنها استفاده از موادی مانند فایبرگلاس به حالت تعادل در آمد، بلکه در استفاده از کل مواد موجود در زمین صرفه جویی شد. 

چه اتفاقی افتاد؟ 

حتی بعد از گذشت 50 سال هنوز با یک ماده عجیب و مرموز رو به رو هستیم. شاید آن را همیشه در لباس و ماشین بتمن می دیدیم، اما مطمئنا برای استفاده روزمره و همه گیر هنوز ماده ای قیمتی و گران بها است. 10 دلار برای هر 453 گرم هنوز قیمتی سرسام آور است. 

آیا می توانیم از رشته های کربن در دهه های آتی به عنوان یک ماده ارزان قیمت استفاده کنیم؟ چه چیزی باعث گرانی فیبر کربن شده و استفاده از کدام قانون مواد، باعث ارزان تر شدن آن می شود؟ 

در ادامه مطلب با ما باشید تا بیشتر به اعماق داستان فیبر کربن برویم.

قبل از اینکه فیبر کربن، فیبر کربن شود، این ماده به عنوان یکی از مواد پایه شناخته می شد و مورد استفاده قرار می گرفت. پلیمرهای آلی که از اتصال اتم های کربن به یکدیگر تولید شده و رشته های طولانی مولکولی را ایجاد می کنند که به polyacrylonitrile معروف است. ماده ای شبیه به اکریلیک که در لباس و فرش به کار می رود. 

اما برخلاف اکریلیک این زنجیره مولکولی می تواند به موادی قوی تر و سبک تر از فولاد تبدیل شود و البته با قیمتی گرانتر! سه دلار برای هر پوند (453 گرم) کربن شاید به ظاهر قیمت گرانی نباشد، اما در زمینه صنعتی اعداد اهمین فراوانی می یابند. 

برای به دست آوردن مقداری کربن باید نیمی از موادی مانند اکریلیک دور ریخته شوند تا بتوانیم به نتیجه برسیم. «محصول نهایی دو برابر ماده اولیه قیمت گذاری می شود، زیرا برای به دست آوردن آن، نیمی از مواد را هدر داده ایم.» این قسمتی از توضیحات باب نوریس از آزمایشگاه ملی Oak Ridge است. او در ادامه می گوید: «حتی قبل از اینکه ما بخواهیم هزینه انرژی و تجهیزات به کار رفته در تولید محصول نهایی را محاسبه کنیم، هر 453 گرم آن 5 دلار قیمت می خورد.» 

این قیمت 5 دلاری به ازای هر 453 گرم یک قیمت جادویی برای ورود فیبر کربن به صحنه اصلی کاربرد در اتومبیل و دیگر ابزارها است. زیرا مواد اولیه تولید این محصول، بخش بزرگی از بودجه و سرمایه را در مراحل تولید بر باد می دهند. 

بهتر است به هزینه های دیگر نیز توجه کنید! تحت فشار قرار دادن اکریلیک برای جدا کردن اتم های غیر-کربن از آن، به دستگاه هایی غول پیکر و گرمای بسیار زیادی نیاز دارد. یکی از دو مرحله اصلی پردازش، تثبیت اکسیداسیون (ترکیب با اکسیژن) است. طی این مرحله فیبرها از درون کوره های ۲۰ تا ۳۰ متری که گرمای چند صد درجه ای را پمپاژ می کنند، عبور داده می شوند. این فرآیند ساعت ها به طول می انجامد و انرژی زیادی را هدر می دهد. 

بعد از طی کردن مراحل بالا، مواد وارد یک چرخه به نام carbonization (تبدیل شدن به ذغال) می شوند. اگرچه کوره های موجود در این مرحله دارای طول کوتاه تری هستند و مدت زمان عبور مواد از آنها نیز کمتر است، اما حرارت بیشتری دارند. ما در مورد دمایی نزدیک 1000 درجه سیلیسیوس در مراحل ابتدایی و دمایی بسیار بالاتر در ادامه کار صحبت می کنیم. دمایی که حتی نمی توانید به آن فکر کنید. 

ماجرا به همین جا ختم نمیشود، حالا کار صاحبان کارخانه شروع می شود، آنها باید با اکریلیک هایی که در طول دوره حرارت دوام نیاورده اند روبه رو شوند. گازهای ناشی از این مواد بسیار سمی است و باید به شکلی تغییر یابند که محیط را آلوده نکنند. این نشان می دهد که «دوستدار محیط زیست بودن» ارزان نیست و باید بهایی برای آن پرداخت. این فرآیند به تجهیزات زیاد، فضای کار فراوان و انرژی بسیار زیادی نیاز دارد و همه اینها تنها برای تولید فیبر است. 

چند لحظه با ما باشید تا ببینیم در کجای فرایند تولید هستیم و مقصد ما کجاست. هنگام فکر کردن فیبر کربن، چه تصوری در ذهن تان نقش می بندد؟ نمای زیبا و جذاب، استحکامی همانند سنگ، بسیار سبک، قابی درخشان با بافت کاملا مشخص؟ خب ما اکنون تنها رشته های فیبر کربن را ساخته ایم. باید آنها را به صورت مشبک با یکدیگر پیوند دهیم تا استحکام یکدست و مناسبی را فراهم آورند. 

شما باید مطمئن باشید که تمام رشته ها به صورت موازی و هم اندازه کشیده شده اند و در کنار یکدیگر قرار دارند. هر رشته موج داری که در این شبکه قرار داشته باشد، فشار اضافی را به رشته های صاف وارد می کند و باعث شکستگی آنها می شود. برای جبران خسارت احتمالی ناشی شده از بافت های ناقص، تولیدکنندگان ممکن است 10 درصد بیشتر از نیاز، فیبرها را کشیده و صاف کنند. 

صاف و آماده کردن رشته های مرتب کربن، تنها کار ضروری تولیدکنندگان نیست. آنها به یک تقویت کننده برای کربن ها نیاز دارند، چیزی مانند فولاد درون بتن. اکنون کربن می تواند با رزین های حرارت داده شده (صمغ درخت کاج) ترکیب شود. ترکیب این دو ماده به شما امکان می دهد که شکل های خاصی را درست کنید. مشکل اینجاست که وقتی رزین ها شکل گرفتند، بدون طی کردن یک مرحله کامل حرارت دهی شکل آنها قابل تعویض نیست و هر اشتباه کوچک در چرخه تولید، به معنی هدر دادن وقت و هزینه است. فرآیند حرارت دهی ممکن است حدود یک ساعت به طول انجامد و در یک خط تولید صنعتی (مثلا قطعات اتومبیل) که با سرعت در حال کار است، این مدت زمان زیادی است که هدر می رود. 

بنابراین به دست آوردن فیبر کربن نه تنها به نوابغی احتیاج دارد که فرآیند تولید را بازسازی و مدیریت کنند، بلکه نیازمند دستگاه های بسیاری است. به همین دلیل نمی توان کربن را با قیمت پایین در اختیار داشت. 

برای مثال آکریلیک هایی که در لباس به کار می روند، هزینه تولید پایین تری دارند و به دستگاه های تخصصی کمتری احتیاج دارند. پس شاید بتوان هزینه اولیه آنها را 20 تا 30 درصد کاهش داد. به گفته نوریس آنها از مواد اولیه تولید فیبر کربن تجدید پذیر نیز استفاده می کنند. موادی همچون لیگنین که به جای استخراج از منابع نفتی گرانقیمت، از چوب تهیه می شود. 

همچنین یک فرآیند جانشین به نام «مبادله حرارتی برای استفاده از گرمای پلاسما» می تواند هزینه های تولید و زمان را پایین آورد. به گفته نوریس دیگر نیاز نیست که کل کوره را گرم کرد، فقط کافی است با استفاده از پلاسما اطراف رشته ها را حرارت داد. 

هنوز دانشمندان نتوانسته اند به یک فرآیند شیمیایی برای ترکیب کربن و رزین دست یابند. اما طبق پیش بینی های صورت گرفته، این کار 60 تا 70 درصد هزینه ها را کاهش می دهد. تغییر بزرگ در این فرایند آن است که مواد قابل ارتجاع در اثر حرارت را می توان به سرعت و دوباره و دوباره ذوب کرد که با چنین کاری، امکان اصلاح خطاهای پیش آمده در زمان کم و با هزینه پایین، باعث صرفه جویی در بودجه می شود. 

این محصول تغییر بزرگی در افق دید صنعت و تکنولوژی است. نوریس اشاره می کند که فیبر کربن در هواپیماهای مسافر بری جدید، مانند ایرباس A380 به خوبی جایگزین آلومینیم شده است. وی می گوید فیبر کربن در حال حرکت به سمت مسیر اصلی است. و البته صنایع و کارخانه ها هم باید از پس قیمت پرداختی در ازای دستیابی به کارایی خارق العاده آن برآیند. 

بهتر است شما نیز نگاهی به اطرافتان بیندازید، اگر وسیله ای دارید که در ساخت آن از فیبر کربن استفاده شده، قدردان آن باشی