कार्बन तंतु

कार्बन तंतु (वैकल्पिक रूप से CF, ग्रेफाइट तंतु) व्यास में लगभग 5 से 10 सूक्ष्ममापी (0.00020–0.00039 इंच) के तंतु होते हैं और अधिकतर कार्बन परमाणुओं से बना है। कार्बन तंतु के कई फायदे हैं: उच्च कठोरता, उच्च तन्यता ताकत, उच्च शक्ति से वजन अनुपात, उच्च रासायनिक प्रतिरोध, उच्च तापमान सहिष्णुता और कम तापीय विस्तार। इन गुणों ने कार्बन तंतु को अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी, असैनिक अभियंत्रण, सैन्य, मोटरस्पोर्ट्स और अन्य प्रतियोगी खेलों में बहुत लोकप्रिय बना दिया है। हालांकि, वे कांच का तंतु, असिताश्म तंतु या लोचक तंतु जैसे समान तंतु की तुलना में अपेक्षाकृत महंगे हैं।

कार्बन तंतु का उत्पादन करने के लिए, कार्बन परमाणु स्फटिक में एक साथ बंधे होते हैं जो तंतु की लंबी धुरी के समानांतर कम या ज्यादा संरेखित होते हैं क्योंकि स्फटिक संरेखण तंतु को एक उच्च शक्ति-से-आयतन अनुपात देता है (दूसरे शब्दों में, यह अपने आकार के लिए मजबूत है)। एक टो (तंतु) बनाने के लिए कई हजार कार्बन तंतु को एक साथ बांधा जाता है, जिसे स्वयं उपयोग किया जा सकता है या कपड़े में बुना जा सकता है।

मिश्रित सामग्री बनाने के लिए कार्बन तंतु सामान्यतः अन्य सामग्रियों के साथ संयुक्त होते हैं। उदाहरण के लिए, जब एक लोचक राल के साथ प्रवेश किया जाता है और अवभर्जित किया जाता है, तो यह कार्बन-तंतु-प्रबलित बहुलक (प्रायः कार्बन तंतु के रूप में जाना जाता है) बनाता है, जिसमें बहुत अधिक शक्ति-से-भार अनुपात होता है और कुछ हद तक भंगुर होने पर अत्यंत कठोर होता है। प्रबलित कार्बन-कार्बन संयोजन बनाने के लिए कार्बन तंतु को अन्य सामग्रियों, जैसे सीसा के साथ भी मिश्रित किया जाता है, जिसमें बहुत अधिक ऊष्मा सहनशीलता होती है।

इतिहास
1860 में, जोसेफ स्वान ने प्रकाश बल्बों में उपयोग के लिए पहली बार कार्बन तंतु का उत्पादन किया। 1879 में, थॉमस एडीसन ने उच्च तापमान पर सूती धागों या बांस के टुकड़ों को भर्जित किया और उन्हें बिजली से गर्म होने वाले पहले तापदीप्त प्रकाश बल्बों में से एक में उपयोग किए गए सभी कार्बन तंतु रेशे में कार्बनीकृत किया। 1880 में, लुईस हॉवर्ड लैटिमर ने बिजली से गर्म होने वाले तापदीप्त प्रकाश बल्ब के लिए एक विश्वसनीय कार्बन तार रेशा विकसित किया।

1958 में, रोजर बेकन (भौतिक विज्ञानी) ने ओहियो के क्लीवलैंड के बाहर स्थित संघ कार्बाइड पर्मा तकनीकी केंद्र में उच्च-प्रदर्शन वाले कार्बन तंतु बनाए। उन तंतुओं का निर्माण रेयॉन के तंतुओं को तब तक गर्म करके किया जाता है जब तक कि वे कार्बनीकृत न हो जाएं। यह प्रक्रिया अक्षम प्रमाणित हुई, क्योंकि परिणामी तंतुओं में केवल लगभग 20% कार्बन था। 1960 के दशक की शुरुआत में, जापान के उन्नत औद्योगिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी के राष्ट्रीय संस्थान में डॉ. अकीओ शिंदो द्वारा कच्चे पदार्थ के रूप में पालिएक्रिलोनाइट्राइट (PAN) का उपयोग करके एक प्रक्रिया विकसित की गई थी। इसने कार्बन तंतु का उत्पादन किया था जिसमें लगभग 55% कार्बन था। 1960 में H.I के रिचर्ड मिलिंगटन, थॉम्पसन तंतुग्लास कंपनी ने एक अग्रदूत के रूप में रेयॉन का उपयोग करके एक उच्च कार्बन सामग्री (99%) तंतु का उत्पादन करने के लिए एक प्रक्रिया (US एकस्व अधिकार संख्या 3,294,489) विकसित की। इन कार्बन तंतु में पर्याप्त शक्ति (लोच और तन्य शक्ति का मापांक) थी, जिसका उपयोग वजन गुणों के लिए उच्च शक्ति और उच्च तापमान प्रतिरोधी अनुप्रयोगों के लिए संयोजन के सुदृढीकरण के रूप में किया जाता था।

कार्बन तंतु की उच्च संभावित शक्ति को 1963 में डब्ल्यू. वाट, एल.एन. फिलिप्स और डब्ल्यू. जॉनसन द्वारा फार्नबोरो, हैम्पशायर में राजशाही वायुयान प्रतिष्ठान में विकसित प्रक्रिया में महसूस किया गया था। इस प्रक्रिया को ब्रिटेन के रक्षा मंत्रालय (संयुक्त राष्ट्र) द्वारा एकस्वीकृत कराया गया था, फिर ब्रिटिश राष्ट्रीय अनुसंधान विकास निगम द्वारा तीन कंपनियों को अनुज्ञप्ति दी गई: रोल्स-रॉयस, जो पहले से ही मोर्गनाइट; और कोर्टौल्ड्स कार्बन तंतु बना रहे थे। कुछ वर्षों के भीतर, 1968 में विकर्स VC10 के रोल्स-रॉयस संप्रेषित जेट इंजन में हाइफिल कार्बन-तंतु पंखा समन्वायोजन के सफल उपयोग के बाद, रोल्स-रॉयस ने अपने RB-211 वायु-यन्त्र के साथ कार्बन - तंतु संपीड़क ब्लेड के साथ अमेरिकी बाजार में प्रवेश करने के लिए नई सामग्री के गुणों का लाभ उठाया। दुर्भाग्य से, ब्लेड पक्षी संघात से क्षति के प्रति संवेदनशील प्रमाणित हुए। इस समस्या और अन्य के कारण रोल्स-रॉयस को ऐसे झटके लगे कि 1971 में कंपनी का राष्ट्रीयकरण कर दिया गया। ब्रिस्टल संयोजन सामग्री अभियांत्रिकी लिमिटेड बनाने के लिए कार्बन-तंतु उत्पादन संयंत्र को बेच दिया गया। (प्रायः ब्रिस्टल सम्मिश्र के रूप में जाना जाता है)।

1960 के दशक के अंत में, जापानियों ने पैन-आधारित कार्बन तंतु के निर्माण का बीड़ा उठाया। 1970 के एक संयुक्त प्रौद्योगिकी समझौते ने समुच्च कार्बाइड को जापान के टोरे इंडस्ट्रीज के उत्पाद निर्माण की अनुमति दी। मॉर्गनाइट ने निर्णय लिया कि कार्बन-तंतु का उत्पादन उसके मुख्य व्यवसाय के लिए परिधीय था, जिससे कोर्टटॉल्ड्स एकमात्र बड़े UK निर्माता के रूप में रह गए। कोर्टेल की जल-आधारित अकार्बनिक प्रक्रिया ने उत्पाद को उन अशुद्धियों के लिए अतिसंवेदनशील बना दिया जो अन्य कार्बन-तंतु निर्माताओं द्वारा उपयोग की जाने वाली जैविक प्रक्रिया को प्रभावित नहीं करती थीं, 1991 में कार्बन-तंतु उत्पादन को बंद करने वाले प्रमुख कोर्टेलड्स।

1960 के दशक के दौरान, वैकल्पिक कच्चे पदार्थ को खोजने के लिए प्रायोगिक कार्य ने तेल प्रसंस्करण से प्राप्त पेट्रोलियम प्रकाष्ठा से बने कार्बन तंतु की शुरुआत की। इन रेशों में लगभग 85% कार्बन होता है और इनमें उत्कृष्ट वंक शक्ति होती है। इसके अलावा, इस अवधि के दौरान, जापानी सरकार ने घर में कार्बन तंतु के विकास का भारी समर्थन किया और कई जापानी कंपनियों जैसे टोरे, निप्पॉन कार्बन, टोहो रेयन और मित्सुबिशी ने अपना विकास और उत्पादन प्रारम्भ किया। 1970 के दशक के उत्तरार्ध से, कार्बन तंतु सूत के अन्य प्रकारों ने वैश्विक बाजार में प्रवेश किया, उच्च तन्यता ताकत और उच्च लोचदार मापांक की पेशकश की। उदाहरण के लिए, तोरे T400 4,000 MPa की तन्य शक्ति और M40, 400 GPa का मापांक है। अन्तःस्थायी कार्बन तंतु, जैसे टोहो रेयान से 6,000 MPa तक IM 600 विकसित किए गए थे। टोरे, कृत्रिम रेशम और अक्जो से कार्बन तंतु ने पहले सैन्य और बाद में नागरिक विमानों में मैकडॉनेल डगलस, बोइंग, एयरबस और इरकुट MC-21 विमानों के रूप में माध्यमिक से प्राथमिक भागों में अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी अनुप्रयोग के लिए अपना रास्ता खोज लिया। 1988 में, डॉ. जैकब लेहगेन ने स्वचालित और अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों में बड़े पैमाने पर उपयोग किए जाने वाले संतुलित परा - उच्च यंग अनुखंड (100 Mpsi से अधिक) और उच्च तन्यता ताकत पिच कार्बन तंतु (500 Kpsi से अधिक) का आविष्कार किया। मार्च 2006 में, टेनेसी शोध प्रतिष्ठान विश्वविद्यालय को एकस्व अधिकार सौंपा गया था।

संरचना और गुण
चरखी पर निरंतर टो घाव के रूप में कार्बन तंतु की आपूर्ति प्रायः की जाती है। टो हजारों निरंतर व्यक्तिगत कार्बन रेशों का एक बंडल है जो एक साथ आयोजित किया जाता है और कार्बनिक विलेपन, या आकार, जैसे पॉलिएथिलीन ऑक्साइड (PEO) या पॉलीविनायल मद्यसार (PVA) द्वारा संरक्षित होता है। उपयोग के लिए शिरोगुच्छ को आसानी से चरखी से खोला जा सकता है। शिरोगुच्छ में प्रत्येक कार्बन रेशा 5-10 सूक्ष्ममापी के व्यास वाला एक निरंतर बेलनाकार है और इसमें लगभग विशेष रूप से कार्बन होता है। सबसे पुरानी पीढ़ी (जैसे T300, HTA और AS4) का व्यास 16-22 सूक्ष्ममापी था। बाद के तंतुओं (जैसे IM6 या IM600) का व्यास लगभग 5 सूक्ष्ममापी होता है।

कार्बन तंतु की परमाणु संरचना ग्रेफाइट के समान होती है, जिसमें एक नियमित षट्भुज पतिरूप (ग्राफीन पत्रक) में व्यवस्थित कार्बन परमाणुओं की चादरें होती हैं, इन पत्रक के अंतःपाशन करने के तरीके में अंतर है। ग्रेफाइट एक स्फटिकीय सामग्री है जिसमें पत्रक नियमित रूप से एक दूसरे के समानांतर खड़े होते हैं। पत्रकों के बीच अंतराआण्विक बल अपेक्षाकृत कमजोर वैन डेर वाल का बल होते हैं, जो ग्रेफाइट को नरम और भंगुर गुण प्रदान करते हैं।

तंतु बनाने के अग्रदूत के आधार पर, कार्बन तंतु टर्बोस्थैतिक या ग्रेफाइटिक हो सकता है, या ग्रेफाइटिक और टर्बोस्थैतिक दोनों भागों के साथ एक संकर संरचना हो सकती है। टर्बोस्थैतिक कार्बन तंतु में कार्बन परमाणुओं की चादरें क्रमहीनतः मुड़ी हुई या उखड़ी हुई होती हैं। पालिएक्रिलोनाइट्राइट (PAN) से प्राप्त कार्बन तंतु टर्बोस्थैतिक हैं, जबकि मध्य प्रावस्था पिच से प्राप्त कार्बन तंतु 2200 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान पर ऊष्मा उपचार के बाद ग्रेफाइटिक होते हैं। टर्बोस्थैतिक कार्बन तंतु में उच्च परम तन्य शक्ति होती है, जबकि ऊष्मा-उपचारित मध्य प्रावस्था-पिच-व्युत्पन्न कार्बन तंतु में उच्च यंग के मापांक (यानी, उच्च कठोरता या भार के तहत विस्तार के लिए प्रतिरोध) और उच्च तापीय चालकता होती है।

अनुप्रयोग
2012 में, कार्बन तंतु बाजार की अनुमानित वैश्विक मांग 2012 से 2018 तक 10-12% की अनुमानित वार्षिक वृद्धि के साथ $1.7 बिलियन थी। कार्बन तंतु की सबसे मजबूत मांग विमान और अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी, पवन ऊर्जा, साथ ही अनुकूलित राल प्रणाली वाले स्वचालितयंत्र उद्योग से आती है। कार्बन तंतु की अन्य सामग्रियों की तुलना में अधिक लागत हो सकती है जो स्वीकरण के सीमित कारकों में से एक रहा है। स्वचालितयंत्र उद्योग के लिए इस्पात और कार्बन तंतु सामग्री की तुलना में, कार्बन तंतु 10-12 गुना अधिक महंगा हो सकता है। हालांकि, यह लागत अधिमूल्य पिछले एक दशक में 2000 के दशक की शुरुआत में स्टील की तुलना में 35 गुना अधिक महंगा होने के अनुमान से कम हो गया है।

समग्र सामग्री
कार्बन तंतु का उपयोग विशेष रूप से समग्र सामग्री को मजबूत करने के लिए किया जाता है, विशेष रूप से कार्बन तंतु प्रबलित बहुलक के रूप में जाने वाली सामग्रियों की श्रेणी। गैर-बहुलक सामग्री का उपयोग कार्बन तंतु के आव्यूह के रूप में भी किया जा सकता है। धातु करबैड के निर्माण और जंग संबंधी विचारों के कारण, धातु आव्यूह समग्र अनुप्रयोगों में कार्बन को सीमित सफलता मिली है। प्रबलित कार्बन-कार्बन (RCC) में कार्बन तंतु-प्रबलित ग्रेफाइट होता है, और उच्च तापमान अनुप्रयोगों में संरचनात्मक रूप से उपयोग किया जाता है। तंतु उच्च सतह क्षेत्र और त्रुटिहीन संक्षारण प्रतिरोध के साथ एक विद्युतद्वार के रूप में और एक प्रति-ट्राइबोइलेक्ट्रिक प्रभाव घटक के रूप में उच्च तापमान गैसों के निस्पंदन में भी उपयोग करता है। कार्बन तंतु की एक पतली परत को ढालने से बहुलक या थर्मोसेट संयोजन के अग्नि प्रतिरोध में काफी सुधार होता है क्योंकि कार्बन तंतु की घनी, संक्षिप्त परत कुशलता से ऊष्मा को दर्शाती है।

गैल्वेनिक जंग के विवादास्पद विषय के कारण कार्बन तंतु संयोजन का बढ़ता उपयोग अन्य धातुओं के पक्ष में अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी अनुप्रयोगों से एल्यूमीनियम को विस्थापित कर रहा है।

विद्युत प्रवाहकीय डामर कंक्रीट बनाने के लिए कार्बन तंतु को डामर के लिए एक योजक के रूप में उपयोग किया जा सकता है। परिवहन अवसंरचना में इस समग्र सामग्री का उपयोग, विशेष रूप से हवाई अड्डे के फुटपाथ के लिए, कुछ सर्दियों के रखरखाव की समस्याओं को कम करता है जो बर्फ और बर्फ की उपस्थिति के कारण उड़ान रद्द या देरी का कारण बनता है। कार्बन तंतु के समग्र सामग्री 3डी नेटवर्क के माध्यम से करंट पास करने से तापीय ऊर्जा नष्ट हो जाती है जो डामर की सतह के तापमान को बढ़ा देती है, जो इसके ऊपर बर्फ और बर्फ को पिघलाने में सक्षम है।

कपड़ा
कार्बन तंतु के अग्रदूत पॉलीएक्रिलोनिट्रिल (पैन), रेयान और पिच (राल) हैं। कार्बन तंतु रेशा सूत का उपयोग कई प्रसंस्करण तकनीकों में किया जाता है: प्रत्यक्ष उपयोग प्रीप्रेगिंग, रेशा वाइंडिंग, पुल्ट्रूजन, बुनाई, ब्रेडिंग आदि के लिए होता है। कार्बन तंतु सूत को रैखिक घनत्व (प्रति इकाई लंबाई वजन; यानी, 1 ग्राम/1000) द्वारा रेट किया जाता है। m = 1 tex (यूनिट)#Tex) या प्रति सूत के तंतुओं की संख्या, हज़ारों में। उदाहरण के लिए, कार्बन तंतु के 3,000 रेशा के लिए 200 टेक्स 1,000 कार्बन रेशा सूत से तीन गुना मजबूत है, लेकिन यह तीन गुना भारी भी है। इस धागे का उपयोग तब कार्बन तंतु रेशा [[कपड़ा]] या कपड़ा बुनने के लिए किया जा सकता है। इस कपड़े की उपस्थिति आम तौर पर सूत के रैखिक घनत्व और चुनी गई बुनाई पर निर्भर करती है। सामान्यतः उपयोग की जाने वाली बुनाई के कुछ प्रकार टवील, साटन बुनाई और सादे बुनाई हैं। कार्बन रेशा सूत बुनाई या ब्रेडिंग भी हो सकता है।

सूक्ष्म विद्‍युदग्र
कार्बन-तंतु माइक्रोविद्युतद्वार के निर्माण के लिए कार्बन तंतु का उपयोग किया जाता है। इस एप्लिकेशन में सामान्यतः 5-7 माइक्रोन के व्यास वाले एक कार्बन तंतु को एक ग्लास केशिका में सील कर दिया जाता है। टिप पर केशिका या तो कार्बन-तंतु डिस्क माइक्रोविद्युतद्वार बनाने के लिए एपॉक्सी के साथ सील कर दी जाती है या कार्बन-तंतु बेलनाकार विद्युतद्वार बनाने के लिए तंतु को 75-150 माइक्रोन की लंबाई में काटा जाता है। जैवरासायनिक संकेतन का पता लगाने के लिए कार्बन-तंतु माइक्रोविद्युतद्वार या तो धारामिति या शीघ्र-पर्यवेक्षण चक्रीय वोल्टधारामिति में उपयोग किया जाता है।

विभक्तिग्राही ताप
अपनी विद्युत चालकता के लिए पहचाने जाने के बाद भी, कार्बन तंतु अपने दम पर बहुत कम धाराएँ ले जा सकते हैं। जब बड़े कपड़ों में बुने जाते हैं, तो उनका उपयोग विभक्तिग्राही विद्युत ताप तत्वों की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों में मज़बूती से (अवरक्त) ताप प्रदान करने के लिए किया जा सकता है और आसानी से 100 डिग्री सेल्सियस से अधिक तापमान बनाए रख सकते हैं। इस प्रकार के आवेदन के कई उदाहरण कपड़ों और कंबलों के DIY गर्म लेखों में देखे जा सकते हैं। इसकी रासायनिक निष्क्रियता के कारण, इसे अधिकांश कपड़ों और सामग्रियों में अपेक्षाकृत सुरक्षित रूप से उपयोग किया जा सकता है; हालांकि, सामग्री के अपने ऊपर वापस मुड़ने के कारण होने वाली कमी से ऊष्मा उत्पादन में वृद्धि होगी और आग लग सकती है।

संश्लेषण
[[File:PAN stabilization.PNG|thumb|पॉलीएक्रिलोनाइट्राइल (पैन) से कार्बन तंतु का संश्लेषण: 1. Polymerization of acrylonitrile to PAN,

2. Cyclization during the low-temperature process,

3. High-temperature oxidative treatment of carbonization (hydrogen is removed). After this process of graphitization starts where nitrogen is removed and chains are joined into graphite planes.]]प्रत्येक कार्बन रेशा पॉलीएक्रिलोनिट्राइल (PAN), रेयॉन या पेट्रोलियम पिच (राल) जैसे बहुलक से उत्पन्न होता है। पैन या रेयॉन जैसे कृत्रिम बहुलक के लिए, पूर्ववर्ती को पहले रेशा सूत में काटा जाता है, रासायनिक और यांत्रिक प्रक्रियाओं का उपयोग करके प्रारंभिक रूप से पूर्ण कार्बन फाइबर के अंतिम भौतिक गुणों को बढ़ाने के लिए बहुलक अणुओं को संरेखित किया जाता है। रेशा सूत कताई के दौरान उपयोग की जाने वाली पूर्ववर्ती रचनाएं और यांत्रिक प्रक्रियाएं निर्माताओं के बीच भिन्न हो सकती हैं। आहरण या प्रचक्रण के बाद, बहुलक रेशा सूत को गैर-कार्बन परमाणुओं (कार्बनीकरण) को चलाने के लिए गर्म किया जाता है, जिससे अंतिम कार्बन तंतु का उत्पादन होता है। कार्बन तंतु रेशा सूत को संभालने के गुणों में सुधार करने के लिए आगे इलाज किया जा सकता है, फिर अटेरन पर लपेटा जा सकता है।

निर्माण की एक सामान्य विधि में शिथिल पैन रेशों को हवा में लगभग 300 °C तक गर्म करना सम्मिलित है, जो कई उदजन आबंध को तोड़ता है और सामग्री को ऑक्सीकरण करता है। फिर ऑक्सीकृत पैन को एक भट्टी में रखा जाता है जिसमें आर्गन जैसी गैस का निष्क्रिय वातावरण होता है, और लगभग 2000 °C तक गर्म किया जाता है, जो ग्रेफाइट को प्रेरित करता है, और आणविक बंधन संरचना को बदलता है। जब सही परिस्थितियों में गर्म किया जाता है, तो ये श्रृंखलाएं पार्श्व (सीढ़ी बहुलक) बंध जाती हैं, जो संकीर्ण ग्राफीन पत्रक बनाती हैं, जो अंततः एक एकल, स्तंभकार रेशा बनाने के लिए विलीन हो जाती हैं। परिणाम सामान्यतः 93-95% कार्बन होता है। निम्न-गुणवत्ता वाले तंतु का निर्माण पैन के बजाय पिच (राल) या रेयान को अग्रदूत के रूप में उपयोग करके किया जा सकता है। ऊष्मा उपचार प्रक्रियाओं द्वारा कार्बन को उच्च मापांक या उच्च शक्ति वाले कार्बन के रूप में और बढ़ाया जा सकता है। 1500-2000 °C (कार्बनीकरण) की सीमा में गरम किया गया कार्बन उच्चतम तन्य शक्ति (5,650 डिग्री सेल्सियस) प्रदर्शित करता है (MPa, या 820,000Psi)। जबकि कार्बन तंतु को 2500 से 3000 डिग्री सेल्सियस (ग्रेफाइटिंग) से गरम किया जाता है, लोच का एक उच्च मापांक प्रदर्शित करता है (531GPa, या 77,000,000psi).

यह भी देखें

 * बेसाल्ट तंतु
 * कार्बन तंतु प्रबलित बहुलक
 * कार्बन तंतु प्रबलित मृद्भांड सामग्री
 * कार्बन नैनोट्यूब
 * ESD सामग्री
 * ग्राफीन

बाहरी संबंध

 * Making Carbon Fiber
 * How carbon fiber is made
 * Carbon Fibres – the First 5 naked years