گجت نیوز آخرین اخبار تکنولوژی، علم و خودرو 
فیبر کربن (کامپوزیت کربن) چیست، چه خصوصیاتی دارد و چرا این الیاف پرکاربرد و فوق‌العاده مقاوم، تا این حد گران‌قیمت هستند؟
تارهای ابریشمی عنکبوت‌ها، به‌طرز شگفت‌آوری قوی هستند. استحکام کششی آنها به 1000 مگاپاسکال می‌رسد که می‌تواند از فولاد نیز مقاوم‌تر باشد. این پدیده تصورات رایج در مورد مولفه‌های وزن و قدرت را دگرگون می‌کند. به‌طور مشابه، فیبر کربن نیز از جنبه مقاومت و فشردگی، عملکردی مانند تار عنکبوت دارد.
راجر بیکن یکی از اولین افرادی بود که الیاف کربن را به شکلی که امروزه با آن روبرو هستیم، توسعه داد. او طی دهه 50 میلادی در مرکز فنی پارما یونیون کاربید، آزمایشی برای گرما و فشردگی گرافیت را ترتیب اثر داد و در حین انجام آن دریافت که این فرآیند شکل بسیار منحصر به‌فردی از کربن را ایجاد می‌کند که بسیار ظریف، اما در عین حال، فوق‌العاده مستحکم است.
به‌نقل از انجمن شیمی آمریکا، بیکن آنها را به‌عنوان سیبل‌هایی که تنها یک دهم موی انسان قطر داشتند تشبیه کرد که در صورت خم شدن هرگز دچار شکستگی نمی‌شوند و فرم خود را از دست نمی‌دهند.
در حالت طبیعی، روند توسعه فیبر کربن از آن زمان تاکنون دستخوش پیشرفت‌های فراوانی شده است. با این حال، یک مولفه بدون تغییر باقی مانده است، آن هم ساختار فیبر کربن است که از رشته‌های بسیار نازکی تشکیل شده که فوق‌العاده سبک و بسیار منسجم هستند. در ادامه نگاهی به پرسش فیبر کربن چیست، پاسخ خواهیم داد و از کاربردها و هزینه‌های تولید آن می‌گوییم.
مقاومت باورنکردنی فیبر کربن
فرآیند تولید فیبر کربن، به مانند گذشته شامل ترکیبی از فشار و گرما است که بیکن به‌طور اتفاقی و غیرمنتظره کشف کرده بود. این الیاف گرانبها با دقت گرم شده و به رشته‌های نازک و قوی تبدیل می‌شوند که هنگام بافته شدن با یکدیگر از استحکام کششی شگفت‌انگیزی برخوردار هستند.
مواد سبک وزن و قابل ارتجاعی که در نتیجه این فرآیند به‌وجود می‌آیند، امروزه طیف وسیعی از صنایع را متحول کرده است. الیاف نانولوله‌های کربنی (نانوفیبر) دارای مدول کشسانی (روشی برای اندازه‌گیری فشاری که نیروی خارجی بر یک ماده معین وارد می‌کنند) قابل مقایسه با امثال کولار هستند. بدین ترتیب، این فناوری در زره‌های بالستیکی نیز به‌کار گرفته می‌شود.
از اشیاء روزمره مانند میله‌های ماهی‌گیری و لوازم جانبی خودرو گرفته تا بوئینگ 787 دریم لاینر که بخش قابل توجهی بدنه آن از فیبر کربن ساخته شده است، کاربردهای وسیعی برای این ماده سخت وجود دارد، بی آنکه محصول نهایی را سنگین کند. با این حال، فیبر کربن کاستی‌هایی نیز دارد که از جمله آنها می‌توان به هزینه ساخت بالای آن اشاره کرد.
چرا اینقدر گران؟
در مقایسه با جایگزین فلزی، فرآیند فیبر کربن پیچیده‌تر است. این پروسه به تطبیق دقیق با محصول نهایی نیاز دارد و تقاضا هنوز به نقطه‌ای نرسیده که به‌طور گسترده و انبوه توسعه یافته و هزینه‌های نهایی آن کاهش یابد.
فیبر کربن معمولا از پلی اکریلونیتریل ساخته می‌شود که به الیاف تبدیل شده و سپس برای اطمینان از حفظ الگوی پیوند نزدیک خود، تحت مراقبت‌های خاص قرار می‌گیرد. قرارگیری آن در معرض حرارت شدید این اطمینان را می‌دهد که آنچه باقی می‌ماند تنها اتم‌های کربن هستند. سپس این الیاف به‌گونه‌ای شکل می‌گیرند که با اهداف خاص استفاده فیبر کربن مطابقت داشته باشند. بنابراین یا بافته می‌شوند یا برای اتصال با مواد پلاستیکی استفاده می‌شوند. تفاوت‌های موجود در فرآیند مذکور، نشان‌دهنده تطبیق پذیری بالای این مواد است.
علاوه بر این، تجهیزات ساخت ویژه و هزینه برق‌رسانی آن نیز در افزایش قیمت تولید فیبر کربن نقش دارند. به‌گزارش Procurement Resource در بازه ژانویه تا ژوئن 2023، فیبر کربن پلی اکریلونیتریل، به‌صورت خام به ازای هر کیلوگرم 11.11 قیمت دارد. این قیمت اندکی بیشتر از نیمی از هزینه تولید آن است که با در نظر گرفتن دیگر موارد، قیمت نهایی به 28 دلار برای هر کیلوگرم می‌رسد.
اگرچه هزینه ساخت فیبر کربن در سال‌های اخیر رو به کاهش بوده، اما هنوز مشخص نیست که آیا این مواد در آینده به‌طور گسترده‌تر مورد استفاده قرار خواهند گرفت یا خیر.
چشم‌انداز فیبر کربن در آینده چیست؟
بدون شک آینده‌ای روشن پیش روی فیبر کربن و مواد با کارکرد مشابه است. در فوریه 2022، دانشگاه وینسون مدیسون اعلام کرد که یک ماده باورنکردنی جدید را ساخته است. به‌گزارش Phys.org، استادیار فیزیک مهندسی Ramathasan Thevamaran گفت:
موارد نانوالیافی ما دارای خواص محافظتی هستند که با وزن بسیار سبک‌تر، از سایر روش‌های ساخت الیاف پیشی می‌گیرند.
این ماده که ترکیبی از نانولوله‌های کربنی است، به‌خوبی پتانسیل‌های موجود این حوزه را نشان می‌دهد. علاوه بر آن، دانشمندان ناسا اخیراً روی ماده مشابهی کار کرده‌اند که استحکام فیبر کربن را با توانایی سازه‌های فلزی برای توزیع گرما بر سطح آن ادغام می‌کند. در این زمینه، فیبر کربن نسبتاً ظریف تر است و بنابراین این نقطه ضعفی است که باید مورد توجه قرار گیرد. از جنبه عملیاتی نیز، قیمت بالای فیبر کربن نگران کننده است.
فیبر کربن در حال حاضر یک ماده نسبتاً تخصصی و گران‌قیمت است. بنابراین، معمولا از نقاط قوت منحصر به فرد آن در صنایعی استفاده می‌شود که نمی‌توانند در زمینه مسائل ایمنی (مانند سفرهای فضایی و ارتش) صرفه‌جویی کنند. با این حال، مقرون به‌صرفه بودن عاملی است که به‌کار گیری فیبر کربن در برخی صنایع را محدود می‌کند.
