کدام یک ضد حریق تر است؟ فیبر کربن در مقابل. آرامید

معرفی

 

وقتی صحبت از رشته مهندسی مواد می شود، دو ماده وجود دارد که به دلیل ویژگی های استحکام و عملکرد آنها به طور گسترده مورد تحقیق قرار گرفته است. فیبر کربن و آرامید. این دو ماده به طور گسترده در حوزه های مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و خود را با استحکام، دوام و مقاومت در برابر سایش و پارگی عمومی متمایز می کنند. در زمان های اخیر، علاقه قابل توجهی به درک عملکرد مقاوم در برابر آتش این مواد و نحوه عملکرد آنها در آزمایش های دقیق وجود داشته است. در حالی که مشخص شده است که هر دو ماده در برابر آتش بسیار مقاوم هستند، این مقاله به دنبال بررسی جامع تفاوت بین این دو در مورد خواص مقاومت در برابر آتش و عملکرد فیبر کربن و آرامید در شرایط مختلف است.

 

فیبر کربن

 

فیبر کربن که به عنوان الیاف گرافیت نیز شناخته می شود، ماده ای محبوب است که به دلیل دوام و استحکام استثنایی که دارد به طور گسترده در صنایع هوافضا، تجهیزات ورزشی، خودروسازی و کاربردهای پزشکی و در میان زمینه های مختلف دیگر استفاده می شود (Wang, Gao, & Cheng, 2016). . الیاف کربن با پلیمریزاسیون اکریلونیتریل در گیاهان ایجاد می شود که در آنجا الکتروریسی شده و به صورت ریز رشته ها پیچانده می شود که سپس تحت کربن شدن قرار می گیرند. این فرآیند شامل قرار دادن رشته‌ها در دمای شدید تا 2400 درجه است که منجر به تولید اتم‌های کربن خالص می‌شود که در ساختار شبکه‌ای کریستالی چیده شده‌اند. نتیجه ماده ای است که دارای استحکام کششی بالا، انبساط حرارتی کم و مقاومت بالا در برابر خوردگی شیمیایی است (Wang, Gao, & Cheng, 2016).

 

جدا از خواص مکانیکی استثنایی، فیبر کربن به دلیل توانایی آن در تحمل دماهای بالا شناخته شده است. تا 400 درجه در هوا پایدار در نظر گرفته می شود و می تواند تا 1،000 درجه در خلاء بدون هیچ گونه آسیبی تحمل کند (Abdallah et al., 2018). با این حال، هنگامی که در معرض شعله مستقیم قرار می گیرند، الیاف کربن شکسته می شوند و معمولاً منجر به ذوب یا اشتعال می شوند. زیرا در دماهای بالاتر از 400 درجه، اتم های کربن موجود در الیاف کربن با اکسیژن اتمسفر واکنش داده و مونوکسید کربن و دی اکسید تولید می کنند که منجر به احتراق مواد می شود.

 

آرامید

 

الیاف آرامید یا آرامیدها الیاف مصنوعی با کارایی بالا هستند که به طور گسترده در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند که به استحکام، دوام و مقاومت بالایی در برابر عناصر خارجی نیاز دارند. متداول ترین نوع آرامید پلی پی-فنیلن ترفتالامید است که با نام کولار شناخته می شود و در سال 1971 توسط دوپونت معرفی شد. الیاف آرامید با پلیمریزاسیون مولکول ها با استفاده از یک واکنش دو مرحله ای تولید می شوند که ابتدا شامل ایجاد یک پلیمر کریستالی مایع از طریق حل شدن و چرخاندن به شکل الیاف می شود. الیاف نهایی با استحکام کششی بالا، ازدیاد طول کم در هنگام شکست و مقاومت در برابر سایش و ضربه متمایز می شوند (Zhou et al., 2018). الیاف به دلیل پایداری حرارتی استثنایی خود شناخته شده اند و می توانند تا دمای 300 درجه را بدون آسیب تحمل کنند.

 

بر خلاف الیاف کربن، فیبر آرامید نیز مقاوم در برابر شعله است، این ویژگی آن را از نظر مقاومت در برابر آتش از سایر مواد جلوتر قرار می دهد. هنگامی که الیاف آرامید در تماس با منبع گرما قرار می گیرند، تحت فرآیندی قرار می گیرند که به عنوان تخریب گرماگیر شناخته می شود، که باعث می شود الیاف بدون انتشار گازهای قابل احتراق تجزیه شوند (Zhou et al., 2018). به دلیل عدم وجود گازهای قابل احتراق، سرعت انتقال حرارت به زیرلایه زمانی که الیاف آرامید دچار آتش سوزی می شوند کم است و در نتیجه باعث کاهش شدت و آسیب کمتر می شود.

 

مقایسه: فیبر کربن و آرامید در مقاومت در برابر آتش

 

اگرچه فیبر کربن و الیاف آرامید هر دو به دلیل استحکام، دوام و مقاومت در برابر عناصر خارجی شناخته شده اند، اما در مورد مقاومت در برابر آتش متفاوت هستند. فیبر کربن هنگام قرار گرفتن در معرض آتش مستعد ذوب یا اشتعال است، در حالی که الیاف آرامید گرما و شعله را تحمل می کند و آن را به یک ماده ایده آل برای کاربردهایی با قرار گرفتن در معرض حرارت بالا تبدیل می کند (Jeong, Lee, & Kim, 2018). علاوه بر این، فیبر آرامید خواص مکانیکی فوق‌العاده‌ای را حتی در سخت‌ترین محیط‌های گرما از خود نشان می‌دهد و آن را به ماده ترجیحی در ساخت تجهیزات محافظ در صنایع نظامی، صنعتی و آتش نشانی تبدیل می‌کند.

 

در ارزیابی عملکرد مقاوم در برابر آتش مواد، مطالعات نشان می‌دهد که الیاف آرامید در شرایطی که نیاز به محافظت در برابر آتش دارند، بهتر از الیاف کربن عمل می‌کنند. در مطالعه‌ای که توسط لی و همکارانش (2019) انجام شد، محققان هر دو الیاف کربن و آرامید را در محدوده‌ای از سطوح گرما قرار دادند تا اثرات قرار گرفتن در معرض حرارت بر مواد را تعیین کنند. این مطالعه نشان داد که در حالی که الیاف آرامید در معرض دمای تا 600 درجه هیچ تغییر قابل توجهی را تجربه نمی کنند، الیاف کربن ذوب سطحی، ترک خوردگی و انبساط قابل توجهی را نشان می دهند. به طور مشابه، در مطالعه دیگری، Jeong و همکاران (2018) خواص مقاوم در برابر آتش دو ماده را با فیبر کربن در مقابل کامپوزیت های الیاف آرامید بررسی کردند. محققان دریافتند که کامپوزیت الیاف آرامید در مقایسه با کامپوزیت فیبر کربن دارای مقاومت بالاتری در برابر شعله است.

 

علاوه بر این، الیاف آرامید از نظر کاربردهای طراحی نوآورانه تر از فیبر کربن هستند. از آنجایی که الیاف آرامید ذاتاً مقاوم در برابر شعله هستند، این ماده در صنعت نساجی برای کاربردهای مختلف از جمله تجهیزات آتش نشانی، تجهیزات حفاظت شخصی صنعتی (PPE)، لباس در فضای باز، و چادرها و موارد دیگر بسیار مورد توجه است. الیاف کربن به طور طبیعی در برابر شعله مقاوم نیستند و هر کاربردهایی که نیاز به مقاومت در برابر آتش دارند، مانند اجزای موتور، نیاز به افزودن ماتریس هایی برای دستیابی به مقاومت در برابر شعله دارند.

 

نتیجه

 

به طور کلی، فیبر کربن و الیاف آرامید مواد استثنایی هستند که به دلیل استحکام، دوام و ویژگی‌های عملکرد برجسته‌شان مشهور هستند. در حالی که فیبر کربن به دلیل خواص مکانیکی استثنایی خود ستایش می شود، خواص مقاوم در برابر آتش آن با آنچه فیبر آرامید ارائه می دهد در یک سطح نیست. فیبر آرامید به دلیل پایداری حرارتی استثنایی، تاخیر در شعله و خواص مکانیکی فوق العاده شناخته شده است که آن را برای استفاده در محیط های گرمای خشن ایده آل می کند. بنابراین، در کاربردهایی که نیاز به عملکرد بالا در محیط‌های گرمای بالا دارند، فیبر آرامید انتخاب ارجح‌تری است.

 

منابع

 

عبدالله، س.، برکات، م.، عبدالغفار، م.، الخشاب، ف.، صلاح، NE، و السید، ع. (2018). کامپوزیت نانوالیاف کربنی: ساخت و کاربردها در زمینه انرژی و محیط زیست مجله شیمی صنعتی و مهندسی، 58، 1-14.

 

جئونگ، جی، لی، دی اچ، کو، جی اچ، کیم، اس اس و کیم، جی جی (2018). خواص ضربه و آتش صفحات کامپوزیت تقویت شده با فیبر کربن و آرامید مجله مواد مرکب، 52(30)، 4167-4176.

 

Li، Y.، Xu، S.، Zhang، Y.، و Zhang، J. (2019). بررسی خواص مکانیکی دمای بالا الیاف کربن و آرامید. مواد امروز: مجموعه مقالات، 9(12)، 454-459.

 

وانگ، ک.، گائو، ایکس، و چنگ، اچ.-ام. (2016). خواص مکانیکی کامپوزیت های تقویت شده نانولوله های کربنی که از مذاب جامد شده اند. کربن، 100، 551-562.

 

Zhou، L.، Cuan، X.، Sun، H.، و Lin، X. (2018). تأثیر الیاف آرامید بر ویژگی‌های لایه‌های حرارتی انقباض‌پذیر مبتنی بر LLDPE. مجله علم و فناوری چسبندگی، 32(16)، 1700-1709.