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कार्बन-फाइबर – प्रबलित पॉलिमर, या सीएफआरपी , बहुत कम घनत्व, उच्च शक्ति वाली समग्र सामग्री का एक वर्ग है जो उद्योगों की एक विस्तृत श्रृंखला में अनुप्रयोगों को ढूंढता है, जिसमें अत्यधिक प्रतिस्पर्धी खेलों से लेकर एयरोस्पेस उद्योग तक के उपकरण शामिल हैं। इसके तकनीकी नाम कार्बन फाइबर प्रबलित बहुलक कंपोजिट होने के बावजूद, अधिकांश लोग सामग्री के इस वर्ग को कार्बन फाइबर के रूप में संदर्भित करते हैं ।
जैसा कि उनके नाम से पता चलता है, ये यौगिक उच्च प्रतिरोध वाले कार्बन फाइबर कपड़े के साथ प्रबलित एक बहुलक या प्लास्टिक मैट्रिक्स द्वारा बनते हैं। समग्र के अंतिम गुण उपयोग किए गए राल के प्रकार और तंतुओं की विशेष विशेषताओं के साथ-साथ जिस तरह से तंतुओं को मैट्रिक्स के भीतर आपस में जोड़ा जाता है और सामग्री के भीतर उनकी दिशा पर निर्भर करता है। दूसरी ओर, परिणामस्वरूप भाग के गुणों को और संशोधित करने के लिए आमतौर पर विभिन्न योजक जोड़े जाते हैं।
पॉलिमरिक मैट्रिक्स
बहुलक मैट्रिक्स कार्बन फाइबर को एक साथ और एक निश्चित स्थिति में रखने के कार्य को पूरा करता है; यह बनने वाले हिस्से को भी आकार देता है।इसमें लगभग हमेशा हीट-क्योर एपॉक्सी रेजिन होता है, हालांकि ऐसे मामले होते हैं जहां इसके बजाय एयर-क्योर रेजिन या कुछ थर्मोप्लास्टिक या अन्य पॉलीमर का उपयोग किया जाता है।
भाग निर्माण प्रक्रिया में, एपॉक्सी राल को विभिन्न तरीकों से शामिल किया जा सकता है। कुछ मामलों में, कार्बन फाइबर शीट एक दूसरे के ऊपर ढेर होने से पहले ही राल में भिगो दी जाती हैं; अन्य मामलों में, असंसाधित राल की परतें बिछाई जाती हैं, उसके बाद कार्बन फाइबर की एक शीट, फिर राल की एक और परत, और इसी तरह।
कार्बन फाइबर
कार्बन फाइबर निर्माण प्रक्रिया
कार्बन फाइबर के निर्माण की प्रक्रिया बहुत ही सरल है। संक्षेप में, इसमें पहले एक सिंथेटिक बहुलक फाइबर, यानी एक प्लास्टिक का निर्माण और कताई शामिल है। इसे तंतुओं के रूप में तैयार किया जा सकता है, या तो पहले से संश्लेषित प्लास्टिक को पिघलाकर और फिर गर्म होने पर इसे खींचकर, या इसे पोलीमराइज़ होने पर खींचकर। किसी भी मामले में, अंतिम परिणाम हजारों कार्बन परमाणुओं, साथ ही हाइड्रोजन, ऑक्सीजन और संभवतः कुछ अन्य तत्वों के साथ जंजीरों से बना एक बहुलक धागा है।
एक बार फाइबर की मूल संरचना प्राप्त हो जाने के बाद, अगला चरण सामग्री का कार्बोनाइजेशन होता है, अर्थात संरचना में अन्य सभी परमाणु समाप्त हो जाते हैं। यह आम तौर पर सिंथेटिक फाइबर बॉबिन को उच्च तापमान पर, या तो वैक्यूम के तहत या एक निष्क्रिय वातावरण में (यानी ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में) गर्म करके प्राप्त किया जाता है।
इन तंतुओं की निर्माण प्रक्रिया एक निर्माता से दूसरे में बहुत भिन्न होती है। गुणवत्ता और रासायनिक और यांत्रिक गुण संश्लेषण और निर्माण की विधि पर काफी हद तक निर्भर करते हैं, इसके अलावा जिस तरह से तंतुओं को आपस में जोड़ा जाता है जब शीट तैयार करते हैं जो बाद में समग्र बनाते हैं। इस कारण से, कार्बन फाइबर सम्मिश्र विभिन्न प्रस्तुतियों में और बहुत भिन्न मूल्य श्रेणियों के साथ मिल सकते हैं।
कार्बन फाइबर के टुकड़े टुकड़े
कार्बन फाइबर को प्लास्टिक मैट्रिक्स में यूनिडायरेक्शनल फाइबर वाली शीट के रूप में पेश किया जा सकता है, जो कुछ दिशाओं में अंतिम टुकड़े को सुदृढ़ करने के लिए रणनीतिक रूप से उन्मुख होते हैं। तंतुओं का यांत्रिक प्रतिरोध मूल रूप से इसकी धुरी के साथ होता है, इसलिए यदि आप एक ऐसे हिस्से का निर्माण करना चाहते हैं जो अलग-अलग दिशाओं में झुकने के लिए प्रतिरोधी है, तो उक्त दिशाओं में भाग के माध्यम से चलने वाले तंतुओं को आवश्यक रूप से सामग्री में पेश किया जाना चाहिए।
उत्तरार्द्ध आम तौर पर दो तरीकों में से एक में पूरा किया जाता है। पहला, जो सबसे कम खर्चीला है, चादरें लेना है जिसमें फाइबर सभी एक ही दिशा में उन्मुख होते हैं और उन्हें अलग-अलग झुकावों में ढेर करते हैं। एक बहुत ही सामान्य और प्रभावी चयन 0°, +60° और -60° के कोणों पर रखी गई तीन शीटों को एक दूसरे से ढेर करना है। यह सेटअप कम से कम कार्बन फाइबर लेप के साथ सभी दिशाओं में अपेक्षाकृत समान शक्ति की अनुमति देता है।
एक और बहुत ही सामान्य विकल्प, हालांकि बहुत अधिक महंगा है, कार्बन फाइबर की शीटों को लंबवत रूप से बुने जाने का उपयोग करना है, अर्थात, उसी तरह जैसे कि कपड़े बनाने के लिए धागे बुने जाते हैं। दो लंबवत दिशाओं में फाइबर युक्त सामग्री पहले से ही दो दिशाओं में सामग्री को मजबूत करती है, लेकिन जब सामग्री तनाव और फ्लेक्सिंग के अधीन होती है, तो चादरों की प्रवृत्ति को एक दूसरे से अलग करने की प्रवृत्ति को कम करने का बड़ा लाभ जोड़ता है, जो एक बहुत ही सामान्य प्रकार है इस प्रकार की टुकड़े टुकड़े सामग्री में विफलता।
उच्च शक्ति-से-भार अनुपात CFRP यौगिकों वाले भागों का निर्माण ;
जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, भागों को कुछ प्रकार के राल के साथ बीच-बीच में कार्बन फाइबर को टुकड़े टुकड़े करके बनाया जाता है, लेकिन सांचों का उपयोग करके भाग का सामान्य आकार दिया जाता है। दरअसल, निर्माण प्रक्रिया में मोल्ड की आंतरिक सतह पर राल की एक परत के साथ शुरू होता है, फिर कार्बन फाइबर की एक शीट रखी जाती है जो बाहर से दिखाई देगी, फिर राल की एक और परत और प्रक्रिया दोहराई जाती है।
भागों के निर्माण के मामले में जिन्हें विशेष रूप से उच्च बलों की आवश्यकता नहीं होती है, यह आमतौर पर मोल्ड को दबाने के लिए पर्याप्त होता है जबकि राल ठीक हो जाता है, और कुछ मामलों में यह आमतौर पर गर्म भी होता है। हालाँकि, जब महत्वपूर्ण भागों की बात आती है, जिनमें अधिकतम संभव प्रतिरोध होना चाहिए, जैसे कि किसी विमान के धड़ के हिस्से या फॉर्मूला 1 कार के पंख, संरचना में किसी भी संभावित बुलबुले को खत्म करने के लिए भागों को वैक्यूम के अधीन करने की आवश्यकता होती है। . जो इसके प्रदर्शन को प्रभावित कर सकता है।
इसके अलावा, इन मामलों में राल को अधिक तेज़ी से ठीक करने के लिए टुकड़ों को आमतौर पर एक आटोक्लेव में एनील किया जाता है। यह आवश्यकता कार्बन फाइबर भागों के निर्माण को बहुत महंगा बनाती है; यह उल्लेख नहीं है कि कार्बन फाइबर शीट पहले से ही काफी महंगी हैं।
यह नुकसान, साथ ही सामग्री की चालकता से जुड़े कुछ अन्य और कई विफलता मोड जो कि भाग डिजाइन चरणों के दौरान मॉडल करना मुश्किल हैं, का मतलब है कि सीएफआरपी कंपोजिट का उपयोग कई प्रमुख अनुप्रयोगों में उनकी पूरी क्षमता के लिए नहीं किया जा सकता है। इसका एक उदाहरण तब देखा गया जब स्पेसएक्स ने कार्बन फाइबर से अपना अगला प्रमुख अंतरिक्ष यान, स्टारशिप बनाने का इरादा छोड़ दिया। अंतरिक्ष यान के विभिन्न घटकों को बनाने के लिए एक आटोक्लेव का निर्माण करना बहुत महंगा और अव्यावहारिक था, इसलिए उन्होंने इसके बजाय स्टेनलेस स्टील का उपयोग करने का फैसला किया, जो एयरोस्पेस उद्योग में एक अपरंपरागत विकल्प है।
CFRP सम्मिश्र के गुण
सीएफआरपी सम्मिश्रणों के कई अनूठे गुण हैं जिनका विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है। उनमें से कुछ हैं:
- यह बहुत हल्का और बहुत प्रतिरोधी सामग्री है। इसमें स्टील और यहां तक कि टाइटेनियम की तुलना में बहुत अधिक शक्ति-से-भार अनुपात है।
- उनके पास लोच-वजन अनुपात का एक बहुत ही उच्च मॉड्यूलस है, जो किसी भी धातु से भी अधिक है।
- यह थकान के लिए उच्च प्रतिरोध वाली सामग्री है।
- पॉलीमेरिक मैट्रिक्स और इसमें मौजूद कार्बन फाइबर दोनों ही रासायनिक रूप से निष्क्रिय हैं, जो सीएफआरपी कंपोजिट को जंग के लिए बहुत अच्छा प्रतिरोध देता है।
- थर्मल विस्तार का इसका गुणांक बहुत कम है, जिसका अर्थ है कि CFRP कंपोजिट से बने भागों को गर्म या ठंडा करने पर बहुत कम विरूपण होता है।
- उनके पास विद्युत चालकता है। ग्रेफाइट एक बहुत अच्छा संवाहक है और कार्बन फाइबर अनिवार्य रूप से ग्रेफाइट होते हैं, इसलिए उनमें मौजूद यौगिक बिजली का संचालन करते हैं, विशेष रूप से फाइबर की दिशा में। आवेदन के आधार पर, यह अच्छा और बुरा दोनों हो सकता है।
इन गुणों के अलावा, CFRP सम्मिश्र में कुछ अतिरिक्त गुण भी होते हैं जो विशेष अनुप्रयोग के आधार पर नुकसानदेह हो सकते हैं:
- वे पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश के प्रति संवेदनशील हैं। यूवी प्रकाश मुक्त कणों द्वारा विभिन्न प्रकार की रासायनिक प्रतिक्रियाओं को बढ़ावा देने में सक्षम है जो अधिकांश बहुलक रेजिन और कार्बन फाइबर दोनों को नीचा दिखाते हैं, उनके यांत्रिक गुणों को नष्ट करते हैं। यह आमतौर पर पेंट की एक परत के साथ हल किया जाता है जो यौगिक तक पहुंचने से पहले विकिरण को अवशोषित करता है।
- सामान्यतया, CFRP कंपोजिट में कम प्रभाव प्रतिरोध होता है।
- भौतिक विफलता के मामले में, जब सीएफआरपी कंपोजिट को उनकी ताकत की सीमा तक धकेल दिया जाता है, तो विफलता अक्सर विनाशकारी होती है क्योंकि कार्बन फाइबर भंगुर होते हैं। विफलता मोड में संदूषण (जब फाइबर की चादरें एक दूसरे से अलग होती हैं) और फाइबर टूटना शामिल हैं।
CFRP कंपोजिट के गुण अनिसोट्रोपिक हैं।
यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि सीएफआरपी सम्मिश्रणों के उपरोक्त अधिकांश गुण अनिसोट्रोपिक हैं, जिसका अर्थ है कि वे पूरी सामग्री में एक समान नहीं हैं और वे उस दिशा पर निर्भर करते हैं जिसमें उन्हें मापा जाता है। यह इस तथ्य का परिणाम है कि वे व्यवस्थित तंतुओं से बने होते हैं जो अच्छी तरह से परिभाषित दिशाओं का पालन करते हैं। नतीजतन, इन दिशाओं के साथ सामग्री की विशेषताएं अलग-अलग दिशाओं के साथ विशेषताओं से बहुत अलग हैं।
उदाहरण के लिए, एक एपॉक्सी राल में 70% कार्बन फाइबर के साथ एक CFRP सम्मिश्र के तन्यता मापांक का मान केवल 10.3 GPa है, जो तंतुओं के लंबवत दिशा में है, जबकि अक्षीय या अनुदैर्ध्य दिशा में समान मॉड्यूल का मूल्य 181 GPa है। तन्यता या तन्य शक्ति में अंतर और भी अधिक नाटकीय है, तंतुओं के लंबवत दिशा में 40 एमपीए का मान प्रस्तुत करता है जबकि अनुदैर्ध्य दिशा में यह 1,500 एमपीए है, जो लगभग 40 गुना अधिक है। अंत में, इस यौगिक का विस्तार गुणांक लंबवत दिशा की तुलना में तंतुओं के साथ 112.5 गुना कम है।
CFRP सम्मिश्रों के सामान्य अनुप्रयोग
उच्च अंत उत्पादों के एक मेजबान में सीएफआरपी कंपोजिट का उपयोग होने के बावजूद (क्योंकि यह अन्य विकल्पों की तुलना में अधिक महंगी सामग्री है), सीएफआरपी कंपोजिट मुख्य रूप से चार उद्योगों में उपयोग किए जाते हैं:
एयरोस्पेस उद्योग में
पहली बार इन यौगिकों का उपयोग विमान निर्माण में 1950 के दशक में किया गया था, और उद्योग में उनका उपयोग केवल बढ़ा है। बोइंग के 767 और 777 एयरलाइनर मॉडल में क्रमशः 3% और 7% CFRP यौगिक होते हैं। उन मामलों में उनका उपयोग कुछ संरचनात्मक घटकों में किया गया था। दूसरी ओर, नए बोइंग 787 ड्रीमलाइनर मॉडल के मामले में, पूरे धड़ और पंख कार्बन फाइबर से बने होते हैं और यह सामग्री उक्त विमान के वजन का 50% और मात्रा का 80% प्रतिनिधित्व करती है; यह प्रवृत्ति अन्य विमान निर्माताओं के साथ भी देखी जाती है।
दूसरी ओर, इस तथ्य के बावजूद कि स्पेसएक्स ने अपनी स्टारशिप के लिए कार्बन फाइबर को छोड़ दिया, रॉकेट लैब नामक एक अन्य निजी एयरोस्पेस कंपनी ने अपने नए रॉकेट, न्यूट्रॉन के निर्माण की घोषणा की है, जो पूरी तरह से कार्बन फाइबर से बना एक पुन: प्रयोज्य रॉकेट होगा।
ऑटोमोबाइल उद्योग में
वर्षों से कार्बन फाइबर का उपयोग करके दुनिया की सबसे तेज दौड़ने वाली कारों का निर्माण किया जाता रहा है। यह न केवल बाहरी का हिस्सा है, मुख्य सामग्री है जो बॉडीवर्क और पंखों को बनाती है जो कारों को जमीन पर चिपकाते हैं क्योंकि वे तेजी से बढ़ते हैं, बल्कि चेसिस में भी हैं। वास्तव में, मैकलेरन फॉर्मूला 1 कार के संरचनात्मक वजन का 60% और 70% कार्बन फाइबर से बना है (यह इंजन, पहियों और ट्रांसमिशन की गिनती नहीं कर रहा है)।
निजी उपयोग के लिए कारों के मामले में, केवल उच्चतम-अंत वाली कारें जैसे लक्ज़री स्पोर्ट्स कार अपने बॉडीवर्क या संरचना के कुछ हिस्से में कार्बन फाइबर का उपयोग करती हैं।
नौसेना उद्योग
उनके कम वजन और उच्च संक्षारण प्रतिरोध दोनों ही सीएफआरपी कंपोजिट को हल्की-फुल्की नावों और सुपर-स्पीड नावों के निर्माण के लिए आदर्श बनाते हैं। हालाँकि, आज उनका उपयोग बड़े जहाजों के निर्माण में अधिक से अधिक किया जा रहा है, जिसमें व्यावसायिक उपयोग के लिए नौका और जहाज शामिल हैं।
रासायनिक प्रतिरोध के अलावा जिसके लिए कम रखरखाव की आवश्यकता होती है, वज़न बचत मुख्य कारणों में से एक है कि यह सामग्री इस उद्योग में क्यों प्रवेश कर रही है, अन्य विकल्पों जैसे कि एल्यूमीनियम, स्टील और यहां तक कि अन्य बहुलक यौगिकों जैसे शीसे रेशा की जगह ले रही है।
अत्यधिक प्रतिस्पर्धी खेलों में
खेलों में कार्बन फाइबर के सबसे आम और दृश्यमान अनुप्रयोगों में से एक उच्च प्रदर्शन वाली साइकिल के फ्रेम का निर्माण है। इससे कोई फर्क नहीं पड़ता कि साइकिल चलाने की कौन सी शाखा है, चाहे टूर डी फ्रांस के लिए माउंटेन बाइकिंग, डाउनहिल या रोड बाइक, सबसे अच्छी बाइक लगभग पूरी तरह से कार्बन फाइबर से बनी हैं।
दूसरी ओर, कार्बन फाइबर पतले संरचनात्मक तत्वों में भी सर्वव्यापी है जो बहुत मजबूत होना चाहिए जैसे उच्च अंत गोल्फ क्लब, प्रतियोगिता मछली पकड़ने की छड़ें, टेनिस रैकेट और यहां तक कि टेबल टेनिस रैकेट या टेबल टेनिस।
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