कार्बन फाइबर कैसे बनता है?

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कार्बन फाइबर , जिसे ग्रेफाइट फाइबर भी कहा जाता है, एक बहुलक के 5 से 10 माइक्रोन व्यास वाले बहुत महीन तंतुओं से बना एक सिंथेटिक फाइबर है, जिसका मुख्य तत्व कार्बन है। इन हजारों पतले तंतुओं को बुनकर और संसाधित करके एक कार्बन फाइबर प्राप्त किया जाता है। इन तंतुओं में उच्च तन्यता ताकत होती है, इसलिए वे अपनी मोटाई के लिए बेहद मजबूत होते हैं। कार्बन फाइबर का एक रूप, कार्बन नैनोट्यूब, सबसे मजबूत सामग्री माना जाता है जिसे बनाया जा सकता है। सामान्य तौर पर, कार्बन फाइबर में स्टील के समान गुण होते हैं, हालांकि वे लकड़ी या प्लास्टिक के समान घनत्व के साथ बहुत हल्के होते हैं।

कार्बन फाइबर के लिए कई अनुप्रयोग हैं: निर्माण में, एयरोस्पेस प्रौद्योगिकी में, उच्च प्रदर्शन वाले वाहनों में, विभिन्न इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में, खेल उपकरण में, संगीत वाद्ययंत्रों में।

कार्बन फाइबर में ऊर्जा से संबंधित विभिन्न अनुप्रयोग होते हैं, जैसे पवन टरबाइन ब्लेड बनाना; उनका उपयोग प्राकृतिक गैस भंडारण प्रणालियों और वाहनों के लिए विद्युत संचायक में भी किया जाता है। विमानन उद्योग में, इस सामग्री का उपयोग वाणिज्यिक और सैन्य विमानों के साथ-साथ मानव रहित हवाई वाहनों में भी किया जाता है। उनका उपयोग गहरे पानी के तेल पूर्वेक्षण और दोहन के लिए प्लेटफार्मों और पाइपों के निर्माण में भी किया जाता है।

कार्बन फाइबर 6 माइक्रोन व्यास में एक मानव बाल (व्यास में 50 माइक्रोन) के बगल में।
कार्बन फाइबर 6 माइक्रोन व्यास में एक मानव बाल (व्यास में 50 माइक्रोन) के बगल में।

कार्बन फाइबर बनाने वाले तंतु कार्बनिक पॉलिमर से बने होते हैं: कार्बन यौगिकों की लंबी श्रृंखला जो एक ही अणु के बार-बार संघ द्वारा निर्मित होती हैं, जिसे मोनोमर कहा जाता है । अधिकांश कार्बन फाइबर, लगभग 90%, पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (पैन) से बने होते हैं। यह बहुलक एक्रिलोनिट्राइल या प्रोपलीननिट्राइल (सी 3 एच 3 एन) से उत्पन्न होता है, निम्नलिखित चित्र में दिखाई गई प्रतिक्रिया में।

Polyacrylonitrile में Polyacrylonitrile पोलीमराइज़ेशन प्रतिक्रिया।
Polyacrylonitrile में Polyacrylonitrile पोलीमराइज़ेशन प्रतिक्रिया।

सामग्री की निर्माण प्रक्रियाओं की विशिष्ट स्थितियाँ इसे कार्बन फाइबर के विशेष गुण प्रदान करती हैं। इनमें से कुछ स्थितियों में उपयोग किया जाने वाला कच्चा माल, प्रक्रियाओं का तापमान (कुछ चरणों को उच्च तापमान पर ओवन में किया जाता है) या वातावरण जिसमें वे उत्पादित होते हैं (प्रक्रियाओं का हिस्सा ऑक्सीजन की अनुपस्थिति में होता है)। निर्माण प्रक्रियाएं उनके निर्माताओं के स्वामित्व में हैं, इसलिए प्रक्रिया के विभिन्न पहलू व्यापार रहस्य हैं। लोच के सबसे कुशल मापांक के साथ उच्चतम ग्रेड कार्बन फाइबर का उपयोग सबसे अधिक मांग वाले अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे कि एयरोस्पेस उद्योग।

कार्बन फाइबर निर्माण प्रक्रियाएं

कार्बन फाइबर का निर्माण रासायनिक और यांत्रिक प्रक्रियाओं को जोड़ता है। कार्बन फाइबर के लिए अग्रदूत कच्चे माल को पतले तंतुओं में उत्पादित किया जाता है जो तब अवायवीय (ऑक्सीजन मुक्त) वातावरण में उच्च तापमान पर गर्म होते हैं। उच्च तापमान उन सभी परमाणुओं की सामग्री के निष्कासन का कारण बनता है जो कार्बन नहीं हैं। इस तरह, कार्बोनाइजेशन प्रक्रिया लंबी श्रृंखलाओं में मुख्य रूप से कार्बन परमाणुओं से बने फाइबर का उत्पादन करती है, जो मूल तंतुओं के आपस में जुड़ने का उत्पाद है। फिर इन रेशों को दूसरे प्रकार के रेशों के उत्पादन के लिए अन्य सामग्रियों के साथ बुना या मिश्रित किया जा सकता है या विभिन्न आकृतियों और आकारों में ढाला जा सकता है। आइए हम कार्बन फाइबर के निर्माण में शामिल प्रक्रियाओं के क्रम को नीचे देखें।

धागा । पॉलीएक्रिलोनाइट्राइल को अन्य घटकों के साथ मिलाया जाता है और तंतुओं में घुमाया जाता है जो धोने के बाद खुल जाते हैं।

स्थिरीकरण । फाइबर रासायनिक प्रक्रियाओं से गुजरते हैं जो यौगिकों को स्थिर करते हैं।

जलकर कोयला । अवायवीय वातावरण में स्थिर तंतुओं को लंबे समय तक 1,000 और 2,500 डिग्री सेल्सियस के बीच बहुत उच्च तापमान पर गर्म किया जाता है। इस प्रकार उच्च संसंजन संघ में कार्बन का क्रिस्टलीकरण उत्पन्न होता है।

भूतल उपचार । बाद की ब्रेडिंग में इंटर-फाइबर बॉन्डिंग को बेहतर बनाने के लिए तंतुओं की सतह को ऑक्सीकृत किया जाता है।

आकार का । तंतुओं का उपचार किया जाता है और बोबिन्स पर घाव किया जाता है जो मशीनों में लोड होते हैं जो उन्हें विभिन्न मोटाई और यांत्रिक गुणों के तंतुओं में घुमाते हैं। इन तंतुओं का उपयोग कपड़ों की बुनाई के लिए किया जा सकता है या अन्य सामग्रियों जैसे थर्मोप्लास्टिक पॉलिमर के साथ जोड़ा जा सकता है, जो विशिष्ट स्वरूपों और गुणों के साथ भागों को बनाने के लिए गर्मी, दबाव या वैक्यूम का उपयोग करते हैं।

कार्बोनाइजेशन प्रक्रिया में विशेष ओवन में लेजर बीम का उपयोग करके कार्बन नैनोट्यूब को मानक कार्बन फाइबर की तुलना में विभिन्न प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाया जाता है। नैनोट्यूब अपने पूर्ववर्तियों की तुलना में बीस गुना अधिक प्रतिरोध तक पहुँच सकते हैं।

प्रक्रियाओं की श्रृंखला को पूरा करने के बाद, कार्बन फाइबर प्राप्त होंगे और उनमें से प्रत्येक हजारों कार्बन तंतुओं से बना होगा; प्रत्येक फाइबर के तंतुओं की संख्या 1,000 और 24,000 के बीच भिन्न हो सकती है, यह एक निर्माण विशेषता है जो प्रत्येक मामले में निर्दिष्ट है।

इस प्रकार उत्पादित कार्बन फाइबर की संरचना ग्रेफाइट के समान होगी, जो एक क्रिस्टलीय संरचना के साथ कार्बन परमाणुओं की सुपरिंपोज्ड शीट में प्रकट होती है जिसका पैटर्न हेक्सागोनल होता है। ग्रेफाइट के विपरीत, कार्बन फाइबर एक अनाकार सामग्री है, क्रिस्टलीय नहीं; कार्बन परमाणुओं को चादरों में व्यवस्थित किया जाता है जो प्रतिच्छेद करते हैं, जो इस फाइबर को असाधारण यांत्रिक प्रतिरोध देता है।

कार्बन फाइबर निर्माण प्रक्रियाओं में कई जोखिम और चुनौतियाँ होती हैं। कुछ अनुप्रयोगों के लिए विनिर्माण लागत अवहनीय है; उदाहरण के लिए, हालांकि यह एक विकासशील तकनीक है, मोटर वाहन उद्योग की निषेधात्मक लागत वर्तमान में कार्बन फाइबर के उपयोग को उच्च-प्रदर्शन और लक्जरी वाहनों तक सीमित करती है।

दोषपूर्ण तंतुओं के परिणामस्वरूप दोषों की उत्पत्ति से बचने के लिए सतह के उपचार की प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक विनियमित किया जाना चाहिए। उत्पाद की गुणवत्ता सुनिश्चित करने के लिए सख्त प्रक्रिया नियंत्रण की आवश्यकता होती है। बदले में, ये प्रक्रियाएँ स्वास्थ्य और सुरक्षा समस्याओं से जुड़ी होती हैं, और श्वसन और एपिडर्मल स्थिति पैदा कर सकती हैं। कार्बन फाइबर बिजली के कंडक्टर हैं, इसलिए वे परिणामी जोखिम के साथ बिजली के उपकरणों में चाप और शॉर्ट सर्किट उत्पन्न कर सकते हैं।

एक विकासशील तकनीक

जैसे-जैसे कार्बन फाइबर प्रौद्योगिकी का विकास जारी रहेगा, इसके उपयोग और अनुप्रयोग की संभावनाएँ विविधतापूर्ण और बढ़ती जाएँगी। मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी (एमआईटी) में कार्बन फाइबर के उत्पादन से संबंधित कई अध्ययन विकसित किए जा रहे हैं जो उद्योग की मांग को पूरा करने के लिए नई विनिर्माण और डिजाइन प्रौद्योगिकियों के निर्माण में पहले से ही वादा दिखा रहे हैं।

मैकेनिकल इंजीनियरिंग के एमआईटी सहयोगी प्रोफेसर जॉन हार्ट, एक नैनोट्यूब अग्रणी, अपने छात्रों के साथ विनिर्माण प्रौद्योगिकी को बदलने के लिए काम कर रहे हैं, जिसमें 3-प्रिंटर डी विज्ञापनों में उपयोग की जाने वाली नई सामग्री ढूंढना शामिल है। हार्ट ने अपने छात्रों से 3-डी प्रिंटर की कल्पना करने के लिए बॉक्स के बाहर सोचने के लिए कहा जो नई सामग्री के साथ काम करेगा। परिणाम प्रोटोटाइप थे जो पिघला हुआ ग्लास, आइसक्रीम और कार्बन फाइबर कंपोजिट मुद्रित करते थे। छात्र टीमों ने पॉलिमर के बड़े क्षेत्र समानांतर एक्सट्रूज़न को संभालने में सक्षम मशीनों का भी निर्माण किया , साथ ही प्रिंटिंग प्रक्रिया की ऑन-साइट ऑप्टिकल स्कैनिंग भी की।

जॉन हार्ट ने ऑटोमोबिली लेम्बोर्गिनी के साथ एक संयुक्त परियोजना पर एमआईटी में रसायन विज्ञान के एक सहयोगी प्रोफेसर मिर्सिया डिनका के साथ काम किया। इसने नई समग्र सामग्री और कार्बन फाइबर विकसित करने की संभावनाओं की जांच की जो एक दिन पूरे कार बॉडी को बैटरी सिस्टम के रूप में इस्तेमाल करने की अनुमति दे सकता है, साथ ही साथ मजबूत और हल्की संरचनाएं, पतले पेंट, मजबूत उत्प्रेरक कन्वर्टर्स का उत्पादन कर सकता है। कुशल और बेहतर गर्मी प्राप्त करें। ऑटोमोटिव सिस्टम में स्थानांतरण।

ऑटोमोबिली लेम्बोर्गिनी के साथ एक संयुक्त परियोजना में मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में जॉन हार्ट और मिर्सिया डिनका द्वारा विकसित नई कार्बन फाइबर कार डिजाइन।
ऑटोमोबिली लेम्बोर्गिनी के साथ एक संयुक्त परियोजना में मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी में जॉन हार्ट और मिर्सिया डिनका द्वारा विकसित नई कार्बन फाइबर कार डिजाइन।

इस तरह की आश्चर्यजनक प्रगति की संभावना के साथ यह कोई आश्चर्य की बात नहीं है कि कार्बन फाइबर बाजार 2019 में 4.7 बिलियन डॉलर से बढ़कर 2029 में 13.3 बिलियन डॉलर हो जाने का अनुमान है।

सूत्रों का कहना है

Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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