সিএফআরপি (কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড প্লাস্টিক/পলিমার)-এর চূড়ান্ত নির্দেশিকা

কম্পোজিট উপকরণের ক্রমাগত বিকাশের সাথে সাথে, গ্লাস ফাইবার-রিইনফোর্সড প্লাস্টিক ছাড়াও কার্বন ফাইবার-রিইনফোর্সড প্লাস্টিক, বোরন ফাইবার-রিইনফোর্সড প্লাস্টিক ইত্যাদির আবির্ভাব ঘটেছে। কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড পলিমার কম্পোজিট (CFRP) হলো হালকা ও শক্তিশালী উপকরণ যা আমাদের দৈনন্দিন জীবনে ব্যবহৃত অনেক পণ্য তৈরিতে ব্যবহৃত হয়। এটি এমন ফাইবার-রিইনফোর্সড কম্পোজিট উপকরণকে বর্ণনা করতে ব্যবহৃত একটি পরিভাষা, যেখানে কার্বন ফাইবারকে প্রধান কাঠামোগত উপাদান হিসেবে ব্যবহার করা হয়।

সূচিপত্র:

১. কার্বন ফাইবার দ্বারা শক্তিশালী পলিমার কাঠামো
২. কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড প্লাস্টিকের ছাঁচনির্মাণ পদ্ধতি
৩. কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড পলিমারের বৈশিষ্ট্য
৪. সিএফআরপি-এর সুবিধাসমূহ
৫. সিএফআরপি-এর অসুবিধাসমূহ
৬. কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড প্লাস্টিকের ব্যবহার

কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড পলিমার কাঠামো

কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড প্লাস্টিক হলো এমন একটি উপাদান যা কার্বন ফাইবারকে একটি নির্দিষ্ট দিকে সাজিয়ে এবং সংযুক্ত পলিমার উপাদান ব্যবহার করে তৈরি করা হয়। কার্বন ফাইবারের ব্যাস অত্যন্ত পাতলা, প্রায় ৭ মাইক্রন, কিন্তু এর শক্তি অত্যন্ত বেশি।

কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড কম্পোজিট উপাদানের সবচেয়ে মৌলিক গঠন একক হলো কার্বন ফাইবার ফিলামেন্ট। কার্বন ফিলামেন্টের মূল কাঁচামাল হলো প্রিপলিমার পলিঅ্যাক্রাইলোনাইট্রাইল (PAN), রেয়ন বা পেট্রোলিয়াম পিচ। এরপর এই কার্বন ফিলামেন্টগুলো থেকে রাসায়নিক ও যান্ত্রিক পদ্ধতির মাধ্যমে কার্বন ফাইবারের বিভিন্ন অংশের জন্য কার্বন ফাইবার ফ্যাব্রিক তৈরি করা হয়।

বন্ধনকারী পলিমারটি সাধারণত একটি থার্মোসেটিং রেজিন, যেমন ইপোক্সি। কখনও কখনও অন্যান্য থার্মোসেট বা থার্মোপ্লাস্টিক পলিমারও ব্যবহৃত হয়, যেমন পলিভিনাইল অ্যাসিটেট বা নাইলন। কার্বন ফাইবার ছাড়াও, কম্পোজিটে অ্যারামিড কিউ, অতি-উচ্চ আণবিক ওজনের পলিইথিলিন, অ্যালুমিনিয়াম বা গ্লাস ফাইবারও থাকতে পারে। বন্ধনকারী ম্যাট্রিক্সে সংযোজিত অ্যাডিটিভের ধরনের দ্বারাও চূড়ান্ত কার্বন ফাইবার পণ্যের বৈশিষ্ট্য প্রভাবিত হতে পারে।

কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড প্লাস্টিকের ছাঁচনির্মাণ পদ্ধতি

কার্বন ফাইবার পণ্যগুলো প্রধানত বিভিন্ন প্রক্রিয়ার কারণে ভিন্ন হয়ে থাকে। কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড পলিমার উপাদান তৈরির অনেক পদ্ধতি রয়েছে।

১. হ্যান্ড লে-আপ পদ্ধতি

একে শুষ্ক পদ্ধতি (পূর্ব-প্রস্তুতকৃত শপ) এবং আর্দ্র পদ্ধতি (ফাইবার ফ্যাব্রিক এবং রেজিন আঠা দিয়ে লাগিয়ে ব্যবহার) - এই দুই ভাগে ভাগ করা হয়। কম্প্রেশন মোল্ডিং-এর মতো সেকেন্ডারি মোল্ডিং প্রক্রিয়ায় ব্যবহারের জন্য প্রিপ্রেগ প্রস্তুত করতে হ্যান্ড লে-আপ পদ্ধতিও ব্যবহৃত হয়। এই পদ্ধতিতে চূড়ান্ত পণ্য তৈরির জন্য একটি ছাঁচের উপর কার্বন ফাইবার কাপড়ের শিট স্তরিত করা হয়। ফ্যাব্রিক ফাইবারের বিন্যাস এবং বুনন নির্বাচন করে প্রাপ্ত উপাদানের শক্তি এবং দৃঢ়তার বৈশিষ্ট্যগুলোকে সর্বোত্তম করা হয়। এরপর ছাঁচটি ইপোক্সি দিয়ে পূর্ণ করা হয় এবং তাপ বা বাতাস দিয়ে জমাট বাঁধানো হয়। এই উৎপাদন পদ্ধতিটি প্রায়শই ইঞ্জিন কভারের মতো চাপমুক্ত যন্ত্রাংশের জন্য ব্যবহৃত হয়।

২. ভ্যাকুয়াম গঠন পদ্ধতি

ল্যামিনেটেড প্রিপ্রেগকে ছাঁচের কাছাকাছি আনার জন্য একটি নির্দিষ্ট প্রক্রিয়ার মাধ্যমে চাপ প্রয়োগ করা এবং একটি নির্দিষ্ট তাপমাত্রা ও চাপে একে জমাটবদ্ধ ও আকার দেওয়া প্রয়োজন। ভ্যাকুয়াম ব্যাগ পদ্ধতিতে একটি ভ্যাকুয়াম পাম্প ব্যবহার করে ফর্মিং ব্যাগের ভেতর থেকে বাতাস বের করে দেওয়া হয়, যার ফলে ব্যাগ ও ছাঁচের মধ্যে একটি ঋণাত্মক চাপ তৈরি হয় এবং যৌগিক উপাদানটি ছাঁচের কাছাকাছি থাকে।

ভ্যাকুয়াম ব্যাগ পদ্ধতির উপর ভিত্তি করে পরবর্তীতে ভ্যাকুয়াম ব্যাগ-অটোক্লেভ গঠন পদ্ধতি উদ্ভাবিত হয়। শুধুমাত্র ভ্যাকুয়াম ব্যাগ পদ্ধতির তুলনায় অটোক্লেভ উচ্চতর চাপ প্রয়োগ করে এবং অংশটিকে (স্বাভাবিকভাবে জমাট বাঁধার পরিবর্তে) তাপ দিয়ে জমাট বাঁধায়। এই ধরনের অংশের গঠন আরও দৃঢ় হয়, পৃষ্ঠের গুণমান উন্নত হয়, বায়ু বুদবুদ কার্যকরভাবে দূর করা যায় (বুদবুদ অংশের শক্তিকে ব্যাপকভাবে প্রভাবিত করে), এবং এর সামগ্রিক গুণমান উচ্চতর হয়। প্রকৃতপক্ষে, ভ্যাকুয়াম ব্যাগিং প্রক্রিয়াটি মোবাইল ফোনের ফিল্ম লাগানোর প্রক্রিয়ার মতোই। বায়ু বুদবুদ দূর করা একটি প্রধান কাজ।

৩. সংকোচন ছাঁচনির্মাণ পদ্ধতি

কম্প্রেশন মোল্ডিংএটি একটি মোল্ডিং পদ্ধতি যা ব্যাপক উৎপাদন ও গণ উৎপাদনের জন্য সহায়ক। মোল্ড সাধারণত উপরের এবং নিচের অংশ দিয়ে তৈরি হয়, যেগুলোকে আমরা মেল মোল্ড এবং ফিমেল মোল্ড বলি। মোল্ডিং প্রক্রিয়াটি হলো, প্রিপ্রেগ দিয়ে তৈরি ম্যাটকে ধাতব কাউন্টার মোল্ডের মধ্যে রাখা হয় এবং নির্দিষ্ট তাপমাত্রা ও চাপের প্রভাবে মোল্ড ক্যাভিটির ভেতরে ম্যাটটি উত্তপ্ত ও প্লাস্টিকাইজড হয়ে চাপের অধীনে প্রবাহিত হয় এবং মোল্ড ক্যাভিটি পূর্ণ করে। এরপর মোল্ডিং ও কিউরিংয়ের মাধ্যমে পণ্যটি পাওয়া যায়। তবে, এই পদ্ধতির প্রাথমিক খরচ আগের পদ্ধতিগুলোর চেয়ে বেশি, কারণ মোল্ডের জন্য অত্যন্ত উচ্চ-নির্ভুল সিএনসি মেশিনিংয়ের প্রয়োজন হয়।

৪. ওয়াইন্ডিং মোল্ডিং

জটিল আকৃতির বা ঘূর্ণনশীল বস্তুর আকৃতির যন্ত্রাংশ তৈরির জন্য, একটি ম্যান্ড্রেল বা কোরের উপর ফিলামেন্ট পেঁচিয়ে যন্ত্রাংশটি তৈরি করতে ফিলামেন্ট ওয়াইন্ডার ব্যবহার করা যেতে পারে। পেঁচানো সম্পূর্ণ হলে ফিলামেন্টটি জমাট বাঁধিয়ে ম্যান্ড্রেলটি সরিয়ে ফেলতে হয়। উদাহরণস্বরূপ, সাসপেনশন সিস্টেমে ব্যবহৃত নলাকার জয়েন্ট আর্ম এই পদ্ধতিতে তৈরি করা যায়।

৫. রেজিন ট্রান্সফার মোল্ডিং

রেজিন ট্রান্সফার মোল্ডিং (আরটিএম) একটি তুলনামূলকভাবে জনপ্রিয় মোল্ডিং পদ্ধতি। এর মৌলিক ধাপগুলো হলো:
১. প্রস্তুতকৃত খারাপ কার্বন ফাইবার কাপড়টি ছাঁচে রাখুন এবং ছাঁচটি বন্ধ করুন।
২. এর মধ্যে তরল থার্মোসেটিং রেজিন প্রবেশ করান, শক্তিবর্ধক উপাদানটিকে এর মধ্যে সিক্ত করুন এবং জমাট বাঁধান।

কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড পলিমারের বৈশিষ্ট্য

(1) উচ্চ শক্তি এবং ভালো স্থিতিস্থাপকতা।

কার্বন ফাইবারের আপেক্ষিক শক্তি (অর্থাৎ, প্রসার্য শক্তি ও ঘনত্বের অনুপাত) স্টিলের চেয়ে ৬ গুণ এবং অ্যালুমিনিয়ামের চেয়ে ১৭ গুণ বেশি। এর আপেক্ষিক মডুলাস (অর্থাৎ, ইয়ং মডুলাস ও ঘনত্বের অনুপাত, যা কোনো বস্তুর স্থিতিস্থাপকতার সূচক) স্টিল বা অ্যালুমিনিয়ামের চেয়ে ৩ গুণেরও বেশি।

এর উচ্চ আপেক্ষিক শক্তির কারণে এটি একটি বড় কার্যকরী ভার বহন করতে পারে। এর সর্বোচ্চ কার্যকরী চাপ ৩৫০ কেজি/সেমি² পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে। এছাড়াও, এটি বিশুদ্ধ এফ-৪ এবং এর ব্রেডের চেয়ে বেশি সংকোচনযোগ্য ও স্থিতিস্থাপক।

(2) ভালো ক্লান্তি প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং পরিধান প্রতিরোধ ক্ষমতা।

এর ক্লান্তি প্রতিরোধ ক্ষমতা ইপোক্সি রেজিন এবং ধাতব পদার্থের চেয়ে অনেক বেশি। গ্রাফাইট ফাইবার স্ব-পিচ্ছিলকারক এবং এর ঘর্ষণ সহগ কম। এর ক্ষয়ের পরিমাণ সাধারণ অ্যাসবেস্টস পণ্য বা এফ-৪ ব্রেডের তুলনায় ৫-১০ গুণ কম।

(3) ভালো তাপ পরিবাহিতা এবং তাপ প্রতিরোধ ক্ষমতা।

কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড প্লাস্টিকের তাপ পরিবাহিতা ভালো, এবং ঘর্ষণের ফলে উৎপন্ন তাপ সহজেই অপসারিত হয়। এর অভ্যন্তরভাগ সহজে অতিরিক্ত গরম হয় না বা তাপ ধরে রাখে না এবং এটি একটি ডাইনামিক সিলিং উপাদান হিসেবে ব্যবহার করা যেতে পারে। বাতাসে, এটি -১২০~৩৫০°C তাপমাত্রার পরিসরে স্থিতিশীলভাবে কাজ করতে পারে। কার্বন ফাইবারে ক্ষারীয় ধাতুর পরিমাণ কমানোর মাধ্যমে এর কার্যক্ষম তাপমাত্রা আরও বাড়ানো যেতে পারে। একটি নিষ্ক্রিয় গ্যাসে, এর সহনশীল তাপমাত্রা প্রায় ২০০০°C পর্যন্ত পৌঁছাতে পারে এবং এটি ঠান্ডা ও গরমের আকস্মিক পরিবর্তন সহ্য করতে পারে।

(4) ভালো কম্পন প্রতিরোধ ক্ষমতা।

এটি সহজে অনুরণিত বা কম্পিত হয় না এবং এটি কম্পন ও শব্দ কমানোর জন্যও একটি চমৎকার উপাদান।

CFRP এর সুবিধাগুলি

১. হালকা ওজন

প্রচলিত গ্লাস ফাইবার রিইনফোর্সড প্লাস্টিকগুলিতে অবিচ্ছিন্ন গ্লাস ফাইবার এবং ৭০% গ্লাস ফাইবার (গ্লাসের ওজন/মোট ওজন) ব্যবহার করা হয় এবং এগুলির ঘনত্ব সাধারণত প্রতি ঘন ইঞ্চিতে ০.০৬৫ পাউন্ড হয়ে থাকে। একই ৭০% ফাইবার ওজনযুক্ত একটি CFRP কম্পোজিটের ঘনত্ব সাধারণত প্রতি ঘন ইঞ্চিতে ০.০৫৫ পাউন্ড হয়ে থাকে।

২. উচ্চ শক্তি

যদিও কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড পলিমার হালকা, গ্লাস ফাইবার কম্পোজিটের তুলনায় সিএফআরপি কম্পোজিটের শক্তি এবং একক ওজন অনুসারে দৃঢ়তা বেশি। ধাতব পদার্থের সাথে তুলনা করলে এই সুবিধাটি আরও সুস্পষ্ট।

CFRP এর অসুবিধাগুলি

১. উচ্চ ব্যয়

কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড প্লাস্টিকের উৎপাদন খরচ অত্যন্ত বেশি। বর্তমান বাজার পরিস্থিতি (সরবরাহ ও চাহিদা), কার্বন ফাইবারের ধরন (এরোস্পেস বনাম বাণিজ্যিক গ্রেড) এবং ফাইবার বান্ডেলের আকারের উপর নির্ভর করে কার্বন ফাইবারের দামে ব্যাপক তারতম্য হতে পারে। প্রতি পাউন্ডের হিসাবে, ভার্জিন কার্বন ফাইবার গ্লাস ফাইবারের চেয়ে ৫ থেকে ২৫ গুণ বেশি দামী হতে পারে। স্টিলের সাথে সিএফআরপি-র তুলনা করলে এই পার্থক্য আরও বেশি হয়।
২. পরিবাহিতা
এই হলো কার্বন ফাইবার কম্পোজিট উপাদানের সুবিধা ও অসুবিধা। এটি ব্যবহারের ধরনের ওপর নির্ভর করে। কার্বন ফাইবার অত্যন্ত পরিবাহী এবং গ্লাস ফাইবার অন্তরক। অনেক পণ্যে কার্বন ফাইবার বা ধাতুর পরিবর্তে ফাইবারগ্লাস ব্যবহার করা হয়, কারণ সেগুলোতে কঠোর অন্তরক ব্যবস্থা প্রয়োজন। ব্যবহার্য সামগ্রী উৎপাদনে অনেক পণ্যের জন্য গ্লাস ফাইবারের ব্যবহার প্রয়োজন হয়।

কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড প্লাস্টিকের ব্যবহার

যান্ত্রিক যন্ত্রাংশ থেকে শুরু করে সামরিক উপকরণ পর্যন্ত, জীবনজুড়ে কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড পলিমারের প্রয়োগ ব্যাপক।

(1)সিলিং প্যাকিং হিসাবে
কার্বন ফাইবার দ্বারা শক্তিশালীকৃত পিটিএফই (PTFE) উপাদান দিয়ে ক্ষয়-প্রতিরোধী, ঘর্ষণ-প্রতিরোধী এবং উচ্চ-তাপমাত্রা-প্রতিরোধী সিলিং রিং বা প্যাকিং তৈরি করা যায়। স্থির সিলিং-এর জন্য ব্যবহার করা হলে, এর কার্যকাল সাধারণ তেলে-নিমজ্জিত অ্যাসবেস্টস প্যাকিং-এর চেয়ে ১০ গুণেরও বেশি দীর্ঘ হয়। এটি লোডের পরিবর্তন এবং দ্রুত শীতল ও দ্রুত উত্তপ্ত হওয়ার মধ্যেও সিলিং কার্যকারিতা বজায় রাখতে পারে। এবং যেহেতু এই উপাদানে কোনো ক্ষয়কারী পদার্থ থাকে না, তাই ধাতুতে কোনো পিটিং ক্ষয় (pitting corrosion) ঘটে না।

(2)ঘষার অংশ হিসাবে
এর স্ব-পিচ্ছিলকারক বৈশিষ্ট্যকে কাজে লাগিয়ে, এটিকে বিশেষ উদ্দেশ্যে বিয়ারিং, গিয়ার এবং পিস্টন রিং হিসেবে ব্যবহার করা যেতে পারে। যেমন, বিমানের যন্ত্রপাতি এবং টেপ রেকর্ডারের জন্য তেল-মুক্ত পিচ্ছিলকারক বিয়ারিং, বৈদ্যুতিক সঞ্চালনযুক্ত ডিজেল লোকোমোটিভের জন্য তেল-মুক্ত পিচ্ছিলকারক গিয়ার (তেল চুইয়ে পড়ার কারণে সৃষ্ট দুর্ঘটনা এড়ানোর জন্য), কম্প্রেসারে ব্যবহৃত তেল-মুক্ত পিচ্ছিলকারক পিস্টন রিং ইত্যাদি। এছাড়াও, এর অ-বিষাক্ত বৈশিষ্ট্যকে কাজে লাগিয়ে এটিকে খাদ্য ও ঔষধ শিল্পে স্লাইডিং বিয়ারিং বা সিল হিসেবেও ব্যবহার করা যেতে পারে।

(3) মহাকাশ, বিমান চালনা এবং ক্ষেপণাস্ত্রের জন্য কাঠামোগত উপাদান হিসাবে। এটি প্রথমে বিমানের ওজন কমাতে এবং উড্ডয়নের দক্ষতা উন্নত করতে বিমান তৈরিতে ব্যবহৃত হয়েছিল। এটি রাসায়নিক, পেট্রোলিয়াম, বিদ্যুৎ, যন্ত্রপাতি এবং অন্যান্য শিল্পে ঘূর্ণনশীল বা প্রত্যাবর্তী গতিশীল সীল অথবা বিভিন্ন স্থির সীল উপাদান হিসাবেও ব্যবহৃত হয়।

ঝেংজি একজন পেশাদারচীনে হাইড্রোলিক প্রেস কারখানাউচ্চ-মানের সরবরাহ করাযৌগিক হাইড্রোলিক প্রেসCFRP পণ্য তৈরির জন্য।