خواص فيبركربن

خواص فيبركربن

فيبر كربن متشكل از مواد غير ايزوتراپي است!اين بدين معناست كه تمامي فيبرها داراي نقته تلاقي در يك جهت از فشارهستند و اگر عملي غير از اين باشد نتيجه عكس خواهد داشت.براي مثال و درك بهتر بايد بگويم كه چوب ايزوتراپ نيست يعني پس از حس كردن نيروي زياد از هم متلاشي مي شود اما آلومينيوم و مس اينگونه نيستند و در خود جمع مي شوند و بايد بگويم كه فيبر كربن 3 برابر محكمتر و 4برابر سبك تر از فولاد است! از فيبر كربن براي تقويت مواد پلاستيكي استفاده مي شود.اين مواد به مناسبت سبكي ، استحكام ، صلابت و مقاومت خود در قبال خستگي وسايل قابل توجه است كه يك نوع استفاده از آن در خودرو و نيز در تيونيگ خودروها مورد استفاده قرار مي گيرد.

تراكم و چگالي انبساط نيرو در فيبر كربن و فولاد نير در مقا يسه در جدول زير و برتري فيبر كربن كاملا مشخص مي باشد:
قدرت انبساط چگالي قدرت ويژه
فيبركربن 3.50 1.75 2.00
فولاد 1.30 7.90 0.17


توليد فيبركربن
بطورعادي فيبر كربن از پليمري به نام PAN توليد مي شود كه در صنايع مورد استفاده دارد. پيش ازانجام عمل بهينه سازي كه سبب بروز فعل و انفعال " آ مونواكسيد" بين محلول آمونياك و پروپن مي شود نتيجه توليد " اكريل لونيتريك " است كه مبدل به " پلي اكريل لونيتيريك " مي گردد . بعد ار انجام اين مراحل است كه كارخانه مشغول به توليد فيبركربن مي شود. مرحله نخست كار, منبسط نمودن اين پليمر مي باشد كه در راستاي توليد محصول است كه سرانجام آن , تبديل به محور يا قطب فيبر شود.پس از انجام آن , پليمر در هوايي 200 تا 300 درجه سانتي گراد " اكسيد زدايي " شده كه در اين فرايند هيدروزن از آن جدا و مولكولهاي اكسيژن به آن اضافه شده و سبب شكل دهي ساختمان " هگزاگونال"مي شوند كه تصوير انرا در پايين مشاهده مي نماييد.
حالا زنجيره هاي سفيد پليمر با انجام عمل كربن زدايي تصفيه شده و به رنگ سياه تغيير داده مي شوند.اين درگيرشدن سبب حرارت دادن پليمر تا دماي 2500 درجه سانتيگراد توسط نيتروژن خالص مي شود كه باعث خارج نمودن ناپاكي ها از پليمر و دسترسي به 92 تا 100% كربن خالص مي گردد كه تفاوت اين8%وابستگي مستقيم به كيفيت فيبرها دارد. حال مرحله پاياني فرارسيده و آن بافتن رگه هاي فيبر به ورقه ها و سپس جاسازي آنه در صمغهاي " اپوكسي " مي باشد كه عموما با لفظ " آهار" يا چسب زدن بيان مي شود و در پايان توليد ورقه هاي از فيبركربن مشكي است كه با آن مي توان محصولات متعددي راساخت .
تيمهاي فرمول 1
عموم تيمهاي فرمول1 از اشباع نمودن صمغهاي اپوكسي و لايه هاي طبقه بندي شده شانه عسلي آلومينيوم كه بصورت ساندويچي ميان 2 لايه از فيبركربن قرار مي گيرد استفاده مي نمايند.اين شاسي معمولا نخستين مرحله از توليد يك خودرو است و مراحل ديگري آنراتكميل مي كنند.شاسي اصلي هميشه متشكل از 8 پنل يا لايه است . بنابراين نخستين مرحله توليد شامل ساخت يك نقشه جامد براي آشنايي با ساخت قطعات ديگر است و مدل اصلي , توليدشده از10 لايه دربرگيرنده فيبر كربن با " صمغ اشباع " شده كه در بالاي هرالگو قالب اصلي را توليد مي نمايند.همچنين توليد كالبد اصلي هم شامل مراحلي همچون : درگير و پرنمودن نمودن فضاهاي خالي و انباشتن توده هاي گرم بروي يكديگر مي گردد و حال , كالبد اصلي آماده استفاده كردن است .
فاز بعدي ساخت قطعات واقعي خودرو است كه از تكه قطعات آلومينيوم و فيبر كربن اشباع شده تشكيل شده و با دقت كم نظيري درداخل قالبها ريخته مي شوند. بدين وسيله است كه ورقه هاي حياتي فيبركربن در يك جهت براي توليد جسمي با استحكام مثال زدني قرار مي گيرند و براي مثال مجموع 5 لايه از فيبركربن پوسته بيروني شاسي را تشكيل مي دهند . مرحله بعدي تقويت و بهينه سازي فيبركربن در يك زودپزبخار است كه اين عمل فيبركربن را عريان در مقبل گرما قرار داده و انرا با مواد ديگر كه مورد نياز است همگرا مي كند.در طول اين عمل " صمغ " با فيبركربن لقاح داده شده و يكبارديگر پوسته بيروني تقويت و سپس سرد شد و بعد لايه هاي آلومينيومي شانه عسلي با صمغ به پوسته بيروني چسبانده شده تا بتوانند با قراردادن مواد دركنار يكديگر از آنها محافضت نمايند . پس از آن قاب شاسي به زود پز بخار براي استحكام بيشتر برگردانده مي شوند. پس از خارج نمودن از زود پز و سرد نمودن مجد د, يك لايه متشكل از ورقه هاي اشباع شده فيبركربن بروي لايه اصلي و زنده بدنه قرار مي گيرند و براي قرار گرفتن در بار آخر در زودپز آماده مي شوند و بعد از ان آماده توليد محصول مي گردند.
شايان ذكر است هر ورقه فيبركربن از 48 لايه تشكيل شده كه به يكديگر دوخته مي شوند.هركدام از اين تكه ها سپس بريده و به شكل دلخواه درآمده ودر2بخش Tشكل جاسازي مي شوند و توسط تارهايي به هسته اصلي پليستر الحاق مي شوند.مرحله بعدي هم بافتن اين لايه توسط ماشين مخصوص بافندگي است كه از 25000 مغز تشكيل شده . اين تكنولوژي تولد كننده راقادر مي ساز دكه به اندازه نيار ضخامت و يا نازكي هر لايه را خودش تعيين كند. در برخي ديگر ازمراحل توليد نيز يك كامپيوتر مراحل پرزداركردن را كنترل مي كند .

تكنولوژي كنوني فيبركربن
براي نخستين بار در توليد سوپر جي تي ها اين كارخانه مرسدس بنز بود كه با همياري شريكش مكلارن در سري مسابقات فرمول يك اقدام به استفاده از تكنولوژي CFRP در ساخت سوپراسپرتSLR گرفت. دكتر " رودولف شونبرگ" مدير بخش كسترش ايمني در خودروهاي سواري كمپاني مرسدس بنز در اينباره مي گويد:شما نمي توانيد از سازندگان سوپراسپرتها توقع داشته باشيد كه براي حفظ جان مشتريانشان از كلاه ايمني و يا سيتمهاي pre-safe ويا neck pro در خودروهايشان استفاده كنندو به همين دليل بود كه ما پاي مواد فيبركربن درپروسه توليد خودروهاي سواري راباز نموديم.براي مثال در ساختمان جلويي SLR از 2مخروط كامپوزيتي استفاده كرده ايم كه هركدام حدود 620 ميلي متر طول و 3.4 كيلوگرم وزن دارند و همين مشخصات براي دفع نيروي حاصل از تصادفات درجلو كافي است و اين شاسي قابليتي دارد تا نيروي وارده از عقب و جلو را در نقاط مختلف تقسيم نمايد.
اما مرسدس بنز اخيرا نمونه اي جديد با نام SLR كابريولت روداستر را عرضه نموده كه همانند همان تكنولوژي هاي نمونه كوپه در آن وجود دارد. اين رود استر خوش تراش و زيبا در عقب و جلو داراي 1پوسته حلزون شكل از جنس فيبركربن است و ساير نقاطي همچون درهاي پروانه اي , درپوش ,ستون A داخلي با لايه هاي فولاد تقويت شده , فريم پهن بدنه , بال عقب و بخش عظيمي از دوردرها نيز ازفيبركربن تهييه شده اند كه چنين شاسي را قادر مي سازد 50 درصد بيش ازخودروهاي معمولي وزن را تحمل كند ونكته جالب در خصوص همين درهاي پروا نه اي آن است كه از تكنولوژيSLR افسا نه اي سال 1955 در ساخت آن استفاده شد.
متخصصين بخش ايمني دايملركرايسلر در ابتدا بروي جنس بخشهايي از هواپيما نظير ملخ , سبكان هدايت و بالچه هاي تعادلي در هنگام فرود تحقيقاتي بعمل آوردند و به اين نتيجه رسيدند كه فيبركربن 50 % از فولاد و30% از آلومينيوم مقاومتراست و با اين اوصاف مي توانستند خودرويي توليد كنند كه در كنار مقاومت و ايمني بسيار سبك بوده و البته داراي هندلينگ مثال زدني , دارا بودن پايداري استثنايي بروي زمين و مصرف سوخت كمتري باشد.با استفاده از اين تكنولوژي مهندسين مرسدس بنز و مكلارن توانستند ميزان نيروي فشار آورنده به سقف SLRكابريو را تا ميزان چشمگيري كاهش دهند و سفقي توليد نمودند كه داراي 2 فاكتور سبكي و و استحكام بود و اين مزيت SLR كابريو را قادرمي سازد كه داراي يك Soft Top ايمن باشد. كه تنها توسط يك شاسي در كنسول وسط در عرض 10 ثانيه باز شود و با چنين قاليتهايي راننده مي تواند باسقف باز مرز سرعت 300 كيلومتررادرهم شكند. شايان توجه است كه سقف SLR كابريو در جلونيز داراي يك قوس آلومينيومي است كه هنگام باز بودن كابريو آنرا در شرايط ايمني نگاه مي دارد.
در بخش عقب SLR نيز 2 لايه داخلي از ورقه هاي روي هم رفته فيبركربن كه بصورت ستبر يكديگررا قطع نموده اند و قادرهستند به ميزان چشمگيري نيروي حاصله از ضربات را جذب نمايند استفاده شده كه دركنار انها 2 لايه آلمينيومي محكم در درها هم ديده مي شود. البته جنس ديواره حائل ميان موتور با اطلاق ( Firewall ) از فيبركربن نمي باشد.همچنين نكته قابل توجه در خصوص اين محصول جديد مرسدس بنز انجام تست آيرو استاتيكس و آيروديناميك درتونل باد است كه نقاطي همچون سقف , اسپويلرهاي شكاف دهنده هوا , دفيوزرها وششهاي كنار درها مورد آزمايش قرارگرفته و سبب بروز تعادل مناسب در اكسلها و ايجاد نيروي مناسب down Force در اكسلهاي عقب و جلو شده است كه نتيجه پاياني كار دسترسي به ميزان cd 0.367باسقف بسته و 0.4078 با سقف باز شده است و اين سور اسپرت را در كنارقدرت و توان مثال زدني حركتيش از نظر ايمني يك محصول سرآمد و باكيفيت فوق العاده در سراسرجهان معرفي نموده كه اگرچه همانند فرراري , بوگاتي , لمبو , كونيخ و يا آسكاري در تعداد كميابتوليد نشده اما همانند يك اطلاقك ضد ضربه است كه هر هزارم ثانيه از جان سرنشين را بيمه مي كند.

تقسيم بندي الياف فيبر كربن:

در حال حاظر سه نوع منبع براي توليد اين الياف وجود دارد

1- الياف ساخته شده از گياهان يا سلولزي

2- الياف كربن ساخته شده از قير

3- الياف كربن ساخته شده از پلي اكريل نيتريل

به دليل ساختمان مولكولي و اتمي و همچنبين توليد مدول كششي قابل توجه با ساير انواع الياف نوع سوم از اهميت بيشتري برخوردار بوده و كاربردهاي متعددي دارد.

با مقايسه سريع بين خواص اين الياف و فولاد مي توان به اهميت اين مواد پي برد :

فيبر كربن استاندارد:

مقاومت كششي : 3.5 پاسگال

مدول كششي : 230 پاسگال

چگالي : 1.75 g/cm

فولاد با مقاومت زياد :

مقاومت كششي: 1.3 GPa

مدول كششي: 210 GPa

چگالي : 7.87 g/cm

با توجه به جدول واضح است كه الياف كربن مقاومت كششي بالاتري نسبت به فولاد دارند در حالي كه وزن تقريبا آن را دارا مي باشند . به همين دليل امروزه در صنايع مختلفي به ويژه خودروسازي سعي مي شود از الياف به جاي فلزات استفاده شود.

چند نمونه از محصولاتي كه در ساخت آنها از الياف فيبر كربن استفاده شده است :

كمپاني معروف Lamborghini در يكي از محصولات بسيار زيباي خود كه داراي طراحي بدنه كاملا جديدي مي باشد از كامپوزيت فيبر كربن ((CFC استفاده كرده است . اجزاي بيروني خودرو با اين نوع كامپوزيت و همينطور فولاد كار شده كه كاملا با يكديگر مقاوم شده است

كمپاني BMW در برخي از محصولات خود در قسمت ورودي هوا از الياف فيبر كربن استفاده كرده است مه علاوه بر زيبايي از استحكام بسيار خوبي برخوردار مي باشد .

صندلي هاي بسيار سبك وزن با ساختار فيبر كربن مجهز به كمربندهايي با شش نقطه اتصال ساخت كمپاني معروف sparco همراه با بارها ( لوله هاي واژگوني و تصادف ) علاوه بر خود نمايي ايمني راننده را تضمين مي كند .

استفاده از فيبر كربن در ساخت رينگهاي خودرو كه باعث شده است وزن خودرو به صورت محصوصي كاهش پيدا كند و نيز علاوه بر سبك بودن بسيار مقاوم نسبت به ذربه مي باشد .در مسابقات اتومبيلراني به دليل اين كه هر چه خودرو از وزن كمتري برخوردار باشد مي تواند سريعتر حركت كند و امتياز بيشتري را كسب كنند از اين نوع رينگها استفاده مي كنند .



در بدنه خودرو به خصوص در صنايع تيونيگ خودرو تيونرها در قسمتهاي مختلف اتومبيل از الياف فيبر كربن استفاده مي كنند به دليل شكل پذيري بيشتر نسبت به مواد فلزي و مقاومت بالا.

از اين الياف در داخل خودرو نيز استفاده مي شود قسمتهايي كه بيشتر در دسترس استفاده قرار مي گيرد مانند فرمان ، كنسول مياني ،در قسمت ركاب از داخل خودرو و ... كه نماي بسيار زيبايي به داخل خودرو مي دهد .

لامبورگيني و سبك شدن

Gallardo LP 570-4 Spyder يكي از تاز هترين محصولات لامبورگينيا ست كه قرارا ست ا ز سال 2011 به توليدا نبوه برسد. ا ين خودرو دو مشخصه سبكي وزن و ساختار آيروديناميكي را يكجا به همراه دارد. در محصول جديد لامبورگيني كه نسخه به روز شده ايا ز يك خط توليد با عمر چند ساله است به لطف بهر هگيري از تازه ترين دستاوردهاي علم مواد از تركيبات مخصوصي براي ساخت بدنه خودرو استفاده شده است كه وزن آن را تا 65 كيلوگرم نسبت به نسخه قبلي كاهش داده و به 1485 كيلوگرم رسانده است. معمولا در خودروهايي كه رو باز به شمار مي آيند وزن خودرو قابل توجه است، ا ما در اين محصول جديد تلاش چشمگيري براي رفع اين نقيصه شده است. بهره گيريا ز مواد ساخته شدها ز فيبركربني دربخشهاي زياديا ز قسم تهاي داخلي و خارجي خودرو موجب شده تا برخي حتي آن راب ه عنوان يكيا ز سبك وزن ترين خودروهاي اسپرت و سرعتي جهان به شمار آورند. معمولا در خودروهاي اسپرت به كارگيري مواد ساخته شدها ز فيبر كربني بيشتر از ساير خودروها به شمار مي آيد چون سبكي وزن خودرو موجب مي شود سطح مانوردهي آن به طرز قابل توجهي افزايش يابد. در عين حال توليد آلاينده دي اكسيدكربن نيز در اين خودرو در سطح بسيار پاييني قرار دارد. 5 /2 موتور اين خودرو 10 سيلندري است كه با گنجايش ليتر توان قابل توجه 570 ا سب بخار را توليد مي كند.ا ين توان براي حركت شتابان خودرو و عقب نماندن در كورس رقابت با خودروهاي رقيب كافي است.

قبولي در امتحان صفر تا100

از روزي كها ستارت طرحي4 LP 570- زده شد قرار بود شتابا وليه چشمگيري براي آن تعريف شود. معمولا براي خودروهاي اسپرت روباز طي كردن صفر تا100 كيلومتر بر ساعت در كمتر از چهار ثانيه يك موفقيت / زمان 9 LP 570- خوب به شمار م يآيد حال آنكه 3.4 ثانيه را درا ختيار دارد كها زا ين نظر مي توان آن را خودروي برنده در ا متحان صفر تا 100 عنوان كرد. در ا ين خودرو حداكثر سرعت نيز رقمي چشمگير است. 324 كيلومتر بر ساعت ركورديا ست كه در آزمايشات مختلف به ثبت رسيدها ست كه تقريبا مي توان آن را همطراز بسياريا ز خودروهاي رقيب در نظر گرفت.

در محصول جديد لامبورگيني حتيب ه سبكي تايرها نيز توجه شده است. تايرهايي كه براي اين خودرو در نظر گرفته شدها ست محصول شركت پيرلي هستند. پسا ز بررس يهاي فراوان تايرهاي مختص خودروهاي اسپرت زير اين خودرو بسته شده تا آنها نيز Pirelli P Zero Corsa در سب كتر كردن وزن نهايي خودرو سهم داشته باشند. بايد پذيرفت در تمامي خودروهاي ساخت لامبورگيني قدرت قابل توجه موتور و عملكرد دقيق، دو مشخصه بارز بايد تمركز صورت LP 570- به شمار م يآيند،ا ما در 4 گرفته بر روي جوهره زبان طراحي را نيز بها ين فاكتورها اضافه كرد. بدنه خودرو ساختاري كشيده و عاريا ز هر گونه زوائد و دكوربند يهاست. به عبارت ديگر خبريا ز خطوط زوائد و دكوربند يهاست. به عبارت ديگر خبريا ز خطوط نيز در بدنه ديده م يشود نشانا زا بتكارعملي براي كاهش مصرف سوخت و در عين حال افزايش ساختار آيروديناميكي خودرو دارد.

سپر سه بعدي

در سرعتهاي بالا كاستن از مقاومت شديد هوا تنها ابزار ممكنب راي دستيابيب ه حداكثر سرعت و در عين حال كاستن از مصرف سوخت است. مهندسان لامبورگيني براي اين منظور در مركز Lamborghini's Centro Stile دست بها نجام يك سري آزمايشات پيشرفته زدند كه در آن تونل باد نقش يك كانون مركزي را داشت. آنها درا ين تونل سپر جلويي لامبورگيني جديد را كه ساختاري سه بعدي و ذوزنق هاي دارد بارها مورد بررسي قرار دادند. وجود حفر ههاي بزرگ در اين سپر موجب م يشود تا جريان هوا با كمترين مقاومت وارد بخش موتور شده و در عين حال به خنك سازي آن نيز كمك كند سري به قسمتهاي داخلي خودرو م يزنيم درا ين بخش وسيع نيز ردپاي فيبر كربني ديده م يشود. مهندسان لامبورگينيا ز پن لهاي در گرفته تا پوشش اطراف كنسول ميان دو صندلي،ا ز فيبر كربني براي ساخت قسمتهاي مختلفا ستفاده كرد هاند تاب دين ترتيب گرمب ه گرم از وزنن هايي خودرو كاسته شود. صندل يهاي خودرون يزا زا ين ابتكار عمل ب ينصيب نبود هاند به طوري كه باا ستفادها زا ين مواد نه تنها احتمال تعريق پشت بدن راننده و سرنشين بسيار كم م يشود بلكه باز هم به كاستنا ز وزن نهايي خودرو كمك م يشود. با بهر هگيريا ز تاز هترين دستاوردهاي علم مواد، به جاي استفاده از چرم براي پوشش صندل يها از ماد هاي موسوم به Alcantara ا ستفاده شدها ست كه نه تنها وزن بسيار كمي دارد بلكه طول عمر مفيد چشمگيري نيز داشته و در عين حال به زيبايي فضاي داخلي خودرو كمك م يكند. البته تلاش براي دستيابي به خودرويي با وزن بسيار كم به معناي آن نبوده است كه توجهي به برخي نكات و امكانات مورد نياز درون خودرو نشود. در همين راستا سيست مهاي تهويه مطبوع هوا و شيشها لكتريكي خودرو همچون بسياري از بخ شهاي ديگر سر جاي خود قرار دارند. استفاده از عنصر گران قيمت تيتانيوم در ساخت پي چها و بخ شهاييا ز سيستم نگه دارنده چر خها باا ين نگرشا نجام شدها ست كه خودرو نه تنهاا ستحكام بيشتري پيدا كند بلكه با وزن كمتري در جاده به حركت خود ادامه دهد. در نگاه كلي م يتوان Gallardo LP 570-4 Spyder را تلاشي براي رسيدن به سبكي و شتاب مضاعف دانست.