सीएफआरपी की संपूर्ण मार्गदर्शिका: कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक/पॉलिमर

मिश्रित सामग्रियों के निरंतर विकास के साथ, ग्लास फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक के अलावा, कार्बन फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक, बोरॉन फाइबर-प्रबलित प्लास्टिक आदि भी सामने आए हैं। कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर कंपोजिट (CFRP) हल्के और मजबूत पदार्थ हैं जिनका उपयोग हमारे दैनिक जीवन में उपयोग होने वाले कई उत्पादों के निर्माण में किया जाता है। यह एक ऐसा शब्द है जिसका उपयोग फाइबर-प्रबलित मिश्रित सामग्रियों का वर्णन करने के लिए किया जाता है जिसमें कार्बन फाइबर को मुख्य संरचनात्मक घटक के रूप में उपयोग किया जाता है।

सामग्री की तालिका:

1. कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर संरचना
2. कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक की मोल्डिंग विधि
3. कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर के गुणधर्म
4. सीएफआरपी के लाभ
5. सीएफआरपी के नुकसान
6. कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक के उपयोग

कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर संरचना

कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक एक ऐसी सामग्री है जो कार्बन फाइबर सामग्री को एक निश्चित दिशा में व्यवस्थित करके और बंधित बहुलक सामग्री का उपयोग करके बनाई जाती है। कार्बन फाइबर का व्यास लगभग 7 माइक्रोन होता है, जो अत्यंत पतला होता है, लेकिन इसकी मजबूती बहुत अधिक होती है।

कार्बन फाइबर प्रबलित कंपोजिट सामग्री की सबसे बुनियादी इकाई कार्बन फाइबर फिलामेंट है। कार्बन फिलामेंट का मूल कच्चा माल प्रीपॉलीमर पॉलीएक्रिलोनाइट्राइल (PAN), रेयॉन या पेट्रोलियम पिच है। कार्बन फिलामेंट्स को रासायनिक और यांत्रिक विधियों द्वारा कार्बन फाइबर फैब्रिक में परिवर्तित किया जाता है, जिनका उपयोग कार्बन फाइबर पार्ट्स के लिए किया जाता है।

बंधनकारी बहुलक आमतौर पर एपॉक्सी जैसी थर्मोसेटिंग राल होती है। अन्य थर्मोसेट या थर्मोप्लास्टिक बहुलक, जैसे पॉलीविनाइल एसीटेट या नायलॉन, का भी कभी-कभी उपयोग किया जाता है। कार्बन फाइबर के अलावा, कंपोजिट में एरामिड क्यू, अति-उच्च आणविक भार पॉलीइथिलीन, एल्यूमीनियम या कांच के फाइबर भी हो सकते हैं। बंधन मैट्रिक्स में मिलाए गए योजकों के प्रकार से भी अंतिम कार्बन फाइबर उत्पाद के गुणों पर प्रभाव पड़ सकता है।

कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक की मोल्डिंग विधि

कार्बन फाइबर उत्पादों में मुख्य अंतर उनकी विभिन्न प्रक्रियाओं के कारण होता है। कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर सामग्री बनाने की कई विधियाँ हैं।

1. हाथ से बिछाने की विधि

इसे शुष्क विधि (पूर्व-तैयार कार्यशाला) और गीली विधि (फाइबर फैब्रिक और रेज़िन को चिपकाकर उपयोग करना) में विभाजित किया गया है। हैंड ले-अप विधि का उपयोग संपीड़न मोल्डिंग जैसी द्वितीयक मोल्डिंग प्रक्रियाओं में उपयोग के लिए प्रीप्रेग्स तैयार करने के लिए भी किया जाता है। इस विधि में कार्बन फाइबर कपड़े की चादरों को एक मोल्ड पर लैमिनेट करके अंतिम उत्पाद बनाया जाता है। फैब्रिक फाइबर के संरेखण और बुनाई का चयन करके परिणामी सामग्री के मजबूती और कठोरता गुणों को अनुकूलित किया जाता है। फिर मोल्ड को एपॉक्सी से भरा जाता है और गर्मी या हवा से ठीक किया जाता है। यह निर्माण विधि अक्सर इंजन कवर जैसे कम तनाव वाले भागों के लिए उपयोग की जाती है।

2. वैक्यूम फॉर्मिंग विधि

लैमिनेटेड प्रीप्रेग के लिए, इसे मोल्ड के करीब लाने और एक निश्चित तापमान और दबाव पर इसे आकार देने के लिए एक विशेष प्रक्रिया के माध्यम से दबाव डालना आवश्यक है। वैक्यूम बैग विधि में, फॉर्मिंग बैग के अंदर से हवा निकालने के लिए वैक्यूम पंप का उपयोग किया जाता है, जिससे बैग और मोल्ड के बीच नकारात्मक दबाव बनता है और कंपोजिट सामग्री मोल्ड के करीब आ जाती है।

वैक्यूम बैग विधि के आधार पर, बाद में वैक्यूम बैग-ऑटोक्लेव निर्माण विधि विकसित की गई। ऑटोक्लेव वैक्यूम बैग विधि की तुलना में अधिक दबाव प्रदान करते हैं और प्राकृतिक उपचार के बजाय ऊष्मा द्वारा पुर्जे को ठीक करते हैं। इस प्रकार बने पुर्जे की संरचना अधिक सघन होती है, सतह की गुणवत्ता बेहतर होती है, हवा के बुलबुले प्रभावी रूप से समाप्त हो जाते हैं (बुलबुले पुर्जे की मजबूती को काफी हद तक प्रभावित करते हैं), और समग्र गुणवत्ता उच्च होती है। वास्तव में, वैक्यूम बैगिंग की प्रक्रिया मोबाइल फोन फिल्म चिपकाने की प्रक्रिया के समान है। हवा के बुलबुले को समाप्त करना एक प्रमुख कार्य है।

3. संपीड़न मोल्डिंग विधि

दबाव से सांचे में डालनायह एक ऐसी मोल्डिंग विधि है जो बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उपयुक्त है। मोल्ड आमतौर पर ऊपरी और निचले भागों से बने होते हैं, जिन्हें हम मेल मोल्ड और फीमेल मोल्ड कहते हैं। मोल्डिंग प्रक्रिया में, प्रीप्रेग्स से बनी मैट को धातु के काउंटर मोल्ड में रखा जाता है, और एक निश्चित तापमान और दबाव के प्रभाव में, मैट मोल्ड कैविटी में गर्म होकर प्लास्टिसाइज्ड हो जाती है, दबाव के कारण पिघलकर मोल्ड कैविटी को भर देती है, और फिर मोल्डिंग और क्यूरिंग के बाद उत्पाद प्राप्त होते हैं। हालांकि, इस विधि की प्रारंभिक लागत पिछली विधियों की तुलना में अधिक है, क्योंकि मोल्ड के लिए उच्च परिशुद्धता वाली सीएनसी मशीनिंग की आवश्यकता होती है।

4. वाइंडिंग मोल्डिंग

जटिल आकृतियों वाले या घूर्णनशील पिंड के आकार वाले भागों के लिए, फिलामेंट वाइंडर का उपयोग करके फिलामेंट को मैंड्रेल या कोर पर लपेटकर भाग बनाया जा सकता है। लपेटने की प्रक्रिया पूरी होने के बाद, मैंड्रेल को हटा दें। उदाहरण के लिए, सस्पेंशन सिस्टम में उपयोग होने वाले ट्यूबलर जॉइंट आर्म्स को इस विधि से बनाया जा सकता है।

5. रेजिन ट्रांसफर मोल्डिंग

रेजिन ट्रांसफर मोल्डिंग (आरटीएम) एक अपेक्षाकृत लोकप्रिय मोल्डिंग विधि है। इसके मूल चरण इस प्रकार हैं:
1. तैयार किए गए कार्बन फाइबर फैब्रिक को सांचे में रखें और सांचे को बंद कर दें।
2. इसमें तरल थर्मोसेटिंग राल डालें, सुदृढ़ीकरण सामग्री को उसमें अच्छी तरह से भिगो दें और उसे सूखने दें।

कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर के गुण

(1) उच्च शक्ति और अच्छी लोच।

कार्बन फाइबर की विशिष्ट सामर्थ्य (अर्थात् तन्यता सामर्थ्य और घनत्व का अनुपात) स्टील से 6 गुना और एल्युमीनियम से 17 गुना अधिक होती है। इसका विशिष्ट मापांक (अर्थात् यंग मापांक और घनत्व का अनुपात, जो किसी वस्तु की प्रत्यास्थता का सूचक है) स्टील या एल्युमीनियम से 3 गुना से अधिक होता है।

उच्च विशिष्ट सामर्थ्य के कारण, यह भारी कार्यभार सहन कर सकता है। इसका अधिकतम कार्य दाब 350 किलोग्राम/सेमी² तक पहुँच सकता है। इसके अतिरिक्त, यह शुद्ध F-4 और इसके बुने हुए आवरण की तुलना में अधिक संपीड़ित और लचीला है।

(2) अच्छी थकान प्रतिरोध और घिसाव प्रतिरोध।

इसकी थकान प्रतिरोधक क्षमता एपॉक्सी राल और धातु पदार्थों की तुलना में कहीं अधिक है। ग्रेफाइट फाइबर स्व-चिकनाई वाले होते हैं और इनका घर्षण गुणांक कम होता है। इनमें घिसावट सामान्य एस्बेस्टस उत्पादों या F-4 ब्रेडेड फाइबर की तुलना में 5-10 गुना कम होती है।

(3) अच्छी तापीय चालकता और ऊष्मा प्रतिरोध।

कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक में अच्छी तापीय चालकता होती है, और घर्षण से उत्पन्न ऊष्मा आसानी से निकल जाती है। इसका आंतरिक भाग आसानी से अधिक गर्म नहीं होता और ऊष्मा का भंडारण नहीं करता, इसलिए इसे गतिशील सीलिंग सामग्री के रूप में उपयोग किया जा सकता है। हवा में, यह -120 से 350 डिग्री सेल्सियस के तापमान रेंज में स्थिर रूप से कार्य कर सकता है। कार्बन फाइबर में क्षार धातु की मात्रा कम करने से इसका सेवा तापमान और भी बढ़ सकता है। अक्रिय गैस में, इसका अनुकूलनीय तापमान लगभग 2000 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच सकता है, और यह ठंड और गर्मी के तीव्र परिवर्तनों को सहन कर सकता है।

(4) अच्छा कंपन प्रतिरोध।

इसमें प्रतिध्वनित होना या कंपन होना आसान नहीं है, और यह कंपन और शोर को कम करने के लिए भी एक उत्कृष्ट सामग्री है।

सीएफआरपी के लाभ

1. हल्का वजन

परंपरागत ग्लास फाइबर प्रबलित प्लास्टिक में निरंतर ग्लास फाइबर का उपयोग होता है और इसमें 70% ग्लास फाइबर (ग्लास का वजन/कुल वजन) होते हैं, जिनका घनत्व आमतौर पर 0.065 पाउंड प्रति घन इंच होता है। इसी प्रकार, 70% फाइबर वजन वाले CFRP कंपोजिट का घनत्व आमतौर पर 0.055 पाउंड प्रति घन इंच होता है।

2. उच्च शक्ति

हालांकि कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर हल्के होते हैं, फिर भी सीएफआरपी कंपोजिट में ग्लास फाइबर कंपोजिट की तुलना में प्रति इकाई भार अधिक मजबूती और कठोरता होती है। धातु सामग्री की तुलना में यह लाभ अधिक स्पष्ट होता है।

सीएफआरपी के नुकसान

1. उच्च लागत

कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक की उत्पादन लागत बहुत अधिक होती है। कार्बन फाइबर की कीमतें बाजार की मौजूदा स्थितियों (आपूर्ति और मांग), कार्बन फाइबर के प्रकार (एयरोस्पेस बनाम वाणिज्यिक ग्रेड) और फाइबर बंडल के आकार के आधार पर काफी भिन्न हो सकती हैं। प्रति पाउंड के हिसाब से देखें तो, शुद्ध कार्बन फाइबर, ग्लास फाइबर से 5 से 25 गुना अधिक महंगा हो सकता है। स्टील और सीएफआरपी की तुलना करने पर यह अंतर और भी अधिक हो जाता है।
2. चालकता
कार्बन फाइबर मिश्रित सामग्रियों के यही फायदे और नुकसान हैं। यह उपयोग पर निर्भर करता है। कार्बन फाइबर अत्यधिक सुचालक होते हैं जबकि ग्लास फाइबर कुचालक होते हैं। कई उत्पादों में सख्त इन्सुलेशन की आवश्यकता होने के कारण कार्बन फाइबर या धातु के स्थान पर फाइबरग्लास का उपयोग किया जाता है। उपयोगिता उपकरणों के उत्पादन में, कई उत्पादों के लिए ग्लास फाइबर का उपयोग आवश्यक होता है।

कार्बन फाइबर प्रबलित प्लास्टिक के उपयोग

कार्बन फाइबर प्रबलित पॉलिमर के अनुप्रयोग जीवन के विभिन्न क्षेत्रों में व्यापक हैं, यांत्रिक भागों से लेकर सैन्य सामग्री तक।

(1)सीलिंग पैकिंग के रूप में
कार्बन फाइबर प्रबलित पीटीएफई सामग्री से संक्षारण-प्रतिरोधी, घिसाव-प्रतिरोधी और उच्च तापमान-प्रतिरोधी सीलिंग रिंग या पैकिंग बनाई जा सकती है। स्थिर सीलिंग के लिए उपयोग किए जाने पर, इसकी सेवा अवधि सामान्य तेल में डूबी एस्बेस्टस पैकिंग की तुलना में 10 गुना से अधिक होती है। यह भार परिवर्तन और तीव्र शीतलन एवं तापन के दौरान भी सीलिंग क्षमता बनाए रखती है। साथ ही, चूंकि इस सामग्री में संक्षारक पदार्थ नहीं होते हैं, इसलिए धातु पर कोई गड्ढा संक्षारण नहीं होता है।

(2)पीसने वाले भागों के रूप में
अपने स्व-चिकनाई गुणों का उपयोग करते हुए, इसका प्रयोग विशेष प्रयोजनों के लिए बियरिंग, गियर और पिस्टन रिंग के रूप में किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, विमानन उपकरणों और टेप रिकॉर्डर के लिए तेल-मुक्त चिकनाई वाले बियरिंग, इलेक्ट्रिक ट्रांसमिशन डीजल लोकोमोटिव के लिए तेल-मुक्त चिकनाई वाले गियर (तेल रिसाव से होने वाली दुर्घटनाओं से बचने के लिए), कंप्रेसर पर तेल-मुक्त चिकनाई वाले पिस्टन रिंग आदि। इसके अलावा, इसके गैर-विषाक्त गुणों का लाभ उठाते हुए, इसका उपयोग खाद्य और औषधि उद्योगों में स्लाइडिंग बियरिंग या सील के रूप में भी किया जा सकता है।

(3) एयरोस्पेस, विमानन और मिसाइलों के लिए संरचनात्मक सामग्री के रूप में। इसका उपयोग सबसे पहले विमान निर्माण में विमान का वजन कम करने और उड़ान दक्षता में सुधार करने के लिए किया गया था। इसका उपयोग रसायन, पेट्रोलियम, विद्युत शक्ति, मशीनरी और अन्य उद्योगों में घूर्णी या प्रत्यावर्ती गतिशील सील या विभिन्न स्थिर सील सामग्री के रूप में भी किया जाता है।

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