اخبار و مطالب روز نساجی: الیاف

الیاف سرامیکی چیست؟

What is Ceramic Fiber

الیاف سرامیکی  ابعاد بسیار بزرگ و سطح مقطع بسیار کمی دارند. قطر الیاف سرامیکی تجاری  تقریباً 10 میلی متر است. با توجه به این شکل هندسی ، خواص الیاف به طور قابل توجهی با توده همین الیاف متفاوت است. به طور خاص، الیاف دارای استحکام بسیار بالاتر، کرنش بیشتر در برابر شکست و همچنین آسیب پذیری شیمیایی بیشتری هستند. الیاف سرامیکی  را می توان به صورت پارچه ، رشته  و الیاف کوتاه یا بلند تولید کرد. الیاف ظریف به طور کلی با اصطلاح "روئینگ" [rowings] شناخته می شوند و  از 500 تا 10000 فیلامنت  منفرد تشکیل شده اند. بسته‌بندی الیاف را انعطاف‌پذیر نگه می‌دارد، پردازش و جابجایی آنها را به میزان قابل توجهی آسان‌تر می‌کند و امکان تولید آن‌ها را به اشکال مختلف فیبری فراهم می‌کند.

محصولات الیاف سرامیکی
الیاف سرامیکی در ابتدا و در دهه 1940 الیاف سرامیکی نسوز نامیده می‌شدند و اکنون به این ماده پشم عایق با دمای بالا می‌گویند. در نیم قرن گذشته، توسعه قابل توجهی در عملیات کاری و استفاده از الیاف سرامیکی با کارایی بالا صورت گرفته است. الیاف سرامیکی معمولاً از آلومینا و سیلیس  به نسبت برابردرست  می شود و رنگ آن از سفید تا کرم متغیر است. از ابتدای ایجاد الیاف سرامیکی ، نیاز به تقویت‌کننده‌ها برای کامپوزیت‌های زمینه سرامیکی (CMC) جهت استفاده در دماهای بالای 1000 درجه سانتی‌گراد و همچنین برای تقویت فلزات (MMCs) تغییرات بزرگی را در الیاف سرامیکی باریک بیشتر شده است. الیاف سرامیکی در حالت ایده ال موقعی که به عنوان عایق نسوز استفاده می شوند باید انعطاف‌پذیری کافی داشته باشند  تا بتوان طرح کلی را با بافتن ایجادکرد و متعاقباً توسط مواد زمینه  تزریق شود. الیاف سرامیکی در توربین‌های گازی، هوانوردی و زمینی، مبدل‌های حرارتی،  دیواره‌های مهارابتدایی راکتورهای همجوشی و همچنین برخی جاها که نیاز نیست مثل  فیلترهای شمعی برای فیلتراسیون گاز در دمای بالا کاربرد دارند.
الیاف سرامیکی به دو صورت پیوسته (طول بلند) و ناپیوسته (طول کوتاه) یافت می شود. الیاف اکسید پیوسته مبتنی بر آلومینا و سیلیکات با فرآیند سل-ژل ساخته می شوند، اما الیاف اکسید کوتاه به روش ذوب ریسی ساخته می شوند. از سوی دیگر، الیاف سرامیکی غیر اکسیدی سیلیکون و بور در حال حاضر با تبدیل حرارتی فرآیند پیش ساز پلیمری در حال توسعه و تولید هستند.

انواع الیاف سرامیکی:
به طور عمده الیاف سرامیکی دو نوع هستند:
• الیاف اکسید سرامیکی
• الیاف غیر اکسید سرامیکی

1. الیاف اکسید سرامیکی:
الیاف اکسید سرامیکی که به صورت طول بلند و کوتاه هستند از دهه 1970 تجاری شدند. این الیاف که عمدتاً از مخلوط آلومینا (Al2O3) و آلومینا-سیلیکا (Al2O3-SiO2) تشکیل شده‌اند، به دلیل نقطه ذوب بالا، عموماً برای کاربردهای با دمای بالا استفاده می‌شوند.
الیاف اکسید سرامیک هم به عنوان عایق و هم به عنوان مواد تقویت کننده استفاده می شود. نمونه های شناخته شده برای الیاف سرامیکی اکسیدی از اکسیدهایی مانند سیلیس (SiO2)، مولیت (3Al2O3.2SiO2)، آلومینا (Al2O3) و زیرکونیا (ZrO2) تشکیل شده اند که دارای خواص مشخصه متفاوتی هستند.
اخیراً روش‌های مختلفی مانند ریسندگی دوغاب[slurry spinning]، ریسندگی سل – ژل[sol-gel spinning] و رشد تک کریستالی برای ساخت الیاف سرامیکی مبتنی بر اکسید هم استفاده می شود.
الیاف مبتنی بر آلومینا (Al2O3) رایج ترین الیاف اکسیدی هستند. این الیاف دارای خواص حرارتی، مکانیکی و الکتریکی عالی مانند استحکام در دمای بالا، مقاومت در برابر شوک حرارتی و خزش بالا، پایداری ابعادی بالا، ضریب انبساط حرارتی پایین و خواص دی الکتریک خوب هستند.
الیاف مبتنی بر آلومینا اغلب به عنوان تقویت‌کننده‌های ساختاری در انواع کامپوزیت‌های فلزی، سرامیکی و پلیمری استفاده می‌شوند که باعث سفت‌تر و قوی‌تر شدن آنها می‌شود. این کامپوزیت ها  در مواردی که تحمل بار بالا لازم است مناسب است. کامپوزیت های حاصل نسبت به فلزات ، دمای بالاتری را تحمل می کنند.
الیاف سرامیکی نکستل [Nextel]ریسیده می شوند، خشک می شوند و سپس در دمای بالا پخته می شوند. الیاف Nextel از الیاف کامپوزیت اکسید پیوسته تولید می شوند که برای کاربردهای ساختاری باربر در ماتریس های فلزی، سرامیکی و پلیمری طراحی شده اند.
الیاف نکستل 610 و 720 به ترتیب دارای ساختارهای کریستالی بر پایه α آلومینا و α آلومینا/مولایت هستند. الیاف نکستل 610 در دمای اتاق استحکام بیشتری نسبت به الیاف نکستل 720 دارند. یکی دیگرازالیاف تجاری مبتنی بر آلومینا که Nextel 650 است به عنوان تقویت کننده کامپوزیت برای کاربری های دمای بالا ساخته شده است. الیاف اکسید نکستل 650 شامل فازهای آلومینا α و زیرکونیای مکعبی است.

2.الیاف سرامیکی غیر اکسید:
تولید الیاف غیر اکسیدی به دلیل نقطه ذوب بالا و مقاومت در برابر چگالش دشوار است. مقاومت در برابر اکسیداسیون کمبود اصلی آنهاست. برای این الیاف، تحقیقات گسترده ای از نظر تولید ، ریزساختار، پایداری مکانیکی و حرارتی انجام و گزارش شده است. این الیاف سرامیکی به صورت باریک وضخیم تولید می شوند.

الیاف مبتنی بر کاربید سیلیکون:
الیاف کاربید سیلیکون (SiC) ترکیبی عالی از استحکام، مدول و پایداری حرارتی بالا، از جمله مقاومت در برابر اکسیداسیون خوب و خواص مکانیکی (استحکام فشاری-کششی) در دماهای بالا دارند. الیاف مبتنی بر کاربید سیلیکون به طور کلی به عنوان الیاف پیوسته در زمینه سرامیکی استفاده می شود. از این نوع CMC ها در قسمت داغ موتورهای برق و غیره استفاده می شود.

الیاف بر پایه بور:
الیاف بور به صورت تجاری با تکنیک های CVD تولید می شوند. بور به طور کلی بر روی یک سیم نازک  تنگستن (قطر حدود 12 میکرومتر) پوشش داده می شود. اما می توان از بستر کربن نیز استفاده کرد. الیاف بور با قطر 100 میکرومتر دارای چگالی 2.6 گرم بر سانتی متر مکعب است. نقطه ذوب بالای  2040 درجه سانتیگراد دارد. میانگین استحکام کششی الیاف  بور 3 تا 4 گیگا پاسکال است، در حالی که مدول یانگ آن بین 380 تا 400 گیگا پاسکال است. از این الیاف به دلیل خواص مکانیکی برتر و چگالی کم، در صنایع هوایی نظامی، شاتل های فضایی و تجهیزات ورزشی مانند شفت گلف، راکت تنیس و قاب دوچرخه استفاده می شوند.

سایر الیاف:
علاوه بر موارد ذکر شده در بالا، انواع مختلفی از الیاف غیر اکسیدی هم وجود دارد. نوع دیگری از الیاف سرامیکی مصنوعی سیلیکون اکسی نیترید (SiNO) است. الیاف سرامیکی مبتنی بر SiCN و الیاف سرامیکی Si-Al-O-N نیزاز انواع مهم الیاف غیر اکسیدی هستند.

مواد تشکیل دهنده اصلی  الیاف سرامیکی:

SiO2 ——————->50-60 درصد
Al2O3 ——————>30-50 درصد
Na2O-H2O ————-> 0.1٪
Fe2O3 ——————> 0.04 %
لیچینگ کلریدی بیشتر از 10 ppm

خواص محصولات نساجی الیاف سرامیکی:
•    مقاوم در برابر روغن، حلال ها و مواد شیمیایی
•    مقاومت بالا در برابر روغن
•    مقاومت بالا در برابر مواد شیمیایی
•    مقاومت بالا در برابر حلال ها
•    بازدارنده شعله
•    هدایت حرارتی کم
•    مقاوم در برابر حرارت - می تواند تا دمای 1260 درجه سانتی گراد را تحمل کند
•    مقاوم در برابر سایش.
•    پایداری دمای بالا
•    مقاومت در برابر شوک حرارتی عالی
•    ثبات ابعادی خوب
•    چگالی کم
•    غیر قابل احتراق
•    انعطاف پذیری خوب
•    محدودیت استفاده مداوم 1260 درجه سانتیگراد
•    نقطه ذوب 1790 درجه سانتی گراد

تکنیک های تولید الیاف سرامیکی:
الیاف سرامیکی ممکن است در اشکال مختلفی مانند پتو، نمد، الیاف حجیم، شکل های خلاء یا ریخته گری، کاغذ و منسوجات بسته به منطقه کاربرد تولید شوند.
چندین روش / تکنیک برای ساخت الیاف سرامیکی وجود دارد. چند تکنیک مهم در زیر توضیح داده شده است.

تکنیک CVD:
CVD یک تکنیک اولیه بسیار رایج برای تولید الیاف سرامیکی است. بسیاری از الیاف غیر اکسیدی به کار رفته در CMC ها، MMC ها و کامپوزیت های بین فلزی (IMC) از طریق CVD ساخته شده اند. این فرآیند بر اساس رسوب فاز بخار یک ماده بر روی یک زیرلایه هسته ای است که به شکل یک رشته است.

تکنیک ذوب ریسی:
درروش  ذوب ریسی معمول ، مواد پیش سازبه عنوان مثال: اکسیدهایی مانند Al2O3 ذوب شده و تحت فرآیند ریسندگی قرار می گیرند. در حین ریسندگی، اکسیدهای موجود در حالت مذاب با فشار نسبتاً بالا به سرتاسر نازل ها منتقل می شوند و با سرد شدن جامد می شوند. الیاف تولید شده به طور کلی به دلیل سرعت خنک کنندگی بالا ساختارامورف می گیرند که باعث ناپایداری ان  می شود. تغییر سریع ویسکوزیته به دلیل تغییرات شدید دما باعث عدم کنترل قطر می شود. علاوه بر آن، تعدادی از پارامترها مانند سرعت چرخش، نسبت کشش، دما و شرایط محیطی به طور قابل توجهی بر ساختار الیاف ساخته شده تأثیر می‌گذارند.

ریسندگی دوغابی [Slurry spinning]:
این تکنیک برای ممانعت از نقایص ذوب ریسی  ایجاد شده است. هم الیاف اکسیدی و هم الیاف غیر اکسیدی را می توان از طریق اکستروژن (ریسندگی) دوغاب های سرامیکی تولید کرد. در این فرآیند، دوغاب از سه جزء اصلی تشکیل شده است: ذرات آلومینا (به صورت جامد یا آبی)، سوسپانسیون پیش ساز آلومینا (به عنوان مثال، کلروهیدروکسید آلومینیوم) و پلیمر آلی. پیش ماده مورد استفاده در این فرآیند باعث افزایش چگالی در طی پخت می شود.

تبدیل شیمیایی:
رویکرد تبدیل / فرایند شیمیایی مبتنی بر تبدیل الیاف پیش ساز سرامیکی / معدنی به ترکیبی متفاوت از طریق واکنش های شیمیایی با استفاده از یک ماده شیمیایی خارجی است. در این تکنیک، الیاف پیش ساز در معرض رسوب (اتمی) ترکیب خارجی قرار می گیرد که در سطح فیبر پخش می شود.
پس از واکنش موفقیت آمیز ماده شیمیایی ، فیبر نهایی ترکیب محتوای شیمیایی مطلوب  را از خود نشان می دهد. متداول ترین مثال از این فرآیند، تبدیل پیش ساز کربن به فیبر SiC با استفاده از عوامل Si یا SiO (مواد تشکیل دهنده کاربید) در فاز بخار است.

فرآیند سل-ژل[Sol-gel]:
در فرایند های معمول ، ساخت الیاف با خلوص بالا و ترکیبات مختلف رشته های اکسید سرامیکی مخلوط نسبتاً دشوار است. به ویژه، اختلاط ناپذیری مایع در دمای ذوب و جداسازی / تبلور فاز در طول خنک‌سازی، از مشکلات اصلی این تکنیک‌هاست. روش سل-ژل به طور کلی برای تولید الیاف سرامیکی مبتنی بر اکسید استفاده می شود.
از نظر تئوری، "سل" یا از ذرات کلوئیدی که ممکن است کریستالی یا آمورف باشند یا از پلیمرهای موجود در یک حلال تشکیل شده است. "ژل" شامل یک شبکه پیوسته سه بعدی (3-D) است که یک فاز مایع را می پوشاند و در یک ژل کلوئیدی، انباشته شدن ذرات ، منجر به تشکیل این شبکه می شود. در فرایند معمول سل-ژل، آلکوکسیدهای فلزی با وزن مولکولی کم، که در مایع حل می شوند، به عنوان مواد اولیه استفاده می شوند.
خواص حاصل از الیاف (به عنوان مثال خواص فیزیکی، مکانیکی، الکتریکی و نوری) را می توان با افزودن اکسیدهای مختلف و اجزای فلزی اصلاح کرد. قطر نهایی فیلامنت های  پیوسته تولید شده به روش سل-ژل به طور کلی در محدوده 10-20 میکرومتر است که در آن مدول الاستیک محصولات از 150 به 373 گیگا پاسکال تغییر می کند.

موارد استفاده / کاربرد الیاف سرامیکی:
استفاده از الیاف سرامیکی در کاربردهای کامپوزیت از دهه‌های گذشته مورد توجه قرار گرفته است. الیاف/فیلامنت های  سرامیکی پیوسته  بویژه به دلیل تحمل حرارتی بالا و مقاومت در برابر خوردگی معمولا  در کاربریهای دمای بالا به جای فلزات استفاده می شوند.
از نقطه نظر اجرای صنعتی، کامپوزیت های تقویت شده با الیاف سرامیکی در بسیاری از محصولات تجاری مختلف مانند اجزای موتور هواپیما (احتراق توربین، کمپرسور و نازل اگزوز)، قسمت های  توربین خودرو و گاز، موشک های هوافضا، مبدل های حرارتی، فیلترهای گاز داغ ، نازل های موشک، واشر و عایق های بسته بندی استفاده می شود.  الیاف سرامیکی در جلیقه بالستیک، ژاکت ضد گلوله یا جلیقه ضد گلوله استفاده می شود. صفحات فلزی یا سرامیکی را می توان با جلیقه نرم استفاده کرد. سرامیک با تکنولوژی بالا در ساخت ساعت برای تولید قاب ساعت ،درزگیرها و آسترهای درب با دمای بالا عمدتاً برای کوره ها وهمچنین برای پرده‌های ایمنی در سالن‌ها، محافظ کابل و قطب، درزگیر درزهای انبساط و سیستم‌های فیلتراسیون با دمای بالا استفاده می‌شود. در صنعت خودروسازی برای عایق بندی مبدل های کاتالیزوری، لنت ترمز، کیسه هوا، روکش کلاچ و کنترل کمربند ایمنی استفاده می شود. در صنعت هوافضا، از الیاف سرامیکی برای کاشی‌های شاتل‌های فضایی و سپرهای حرارتی در سایر فضاپیماها و هواپیماها استفاده می‌شود. نخ های سرامیکی با تفلون روکش می شوند تا بتوان از نخ های خیاطی روی پارچه های سرامیکی استفاده کرد. در منازل ، الیاف سرامیکی جهت عایق توستر، سرخ کن های با چربی زیاد، اجاق ها و دیگ های بخار دارای سلف کلین استفاده می شود. محصولات الیاف سرامیکی را می توان برای عایق های الکتریکی با دمای بالا مانند درب ضد حریق، پرده ضد حریق، پتوی ضد حریق، پد جرقه و پوشش عایق استفاده کرد.
الیاف سرامیکی اکسیدی و غیر اکسیدی به دلیل خواص منحصر به فردشان در مدول الاستیسیته بالا و دوام در دمای بالا به عنوان مواد تقویت کننده برای کامپوزیت ها استفاده می شوند. ویژگی‌های این الیاف ، آن‌ها را برای استفاده در خودروسازی، هوافضا و کاربردهای ساختاری مقاوم در برابر حرارت ارزشمند می‌سازد.

♦ منابع مرتبط :

https://textilelearner.net►

Fiber Technology for Fiber-Reinforced Composites Edited by Ozgur Seydibeyoglu, Amar Mohanty, Manjusri Misra
High-Performance fibres by J W S Hearle
Fibres to Fabrics by Bev Ashford
Handbook of Textile fibre Structure | Volume 2: Natural, Regenerated, Inorganic and Specialist fibers Edited by S.J. Eichhorn, J.W.S. Hearle, M. Jaffe and T. Kikutani
Ceramic Fibers and Their Applications By Toshihiro Ishikawa
https://www.textileblog.com/ceramic-fiber-properties-production-and-applications/

♦ لینک اشتراک گذاری :

 B2n.ir/nassajyar1162►

♦ مطالب پیشنهادی :

- الیاف شیشه و کاربردهای آن

- الیاف با عملکرد بالا و ویژه

- الیاف نساجی برای کاربردهای با کارایی بالا

.

.

لطفاً ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید.