تفاوت های الیاف شیشه و فیبر کربن چیست؟

الیاف شیشه و فیبر کربن هر دو از مواد کامپوزیتی سبک و مقاوم هستند، اما تفاوت های مهمی دارند. الیاف شیشه از شیشه ذوب شده ساخته می شوند و ویژگی هایی مانند مقاومت خوب در برابر خوردگی، قیمت پایین تر و عایق بودن در برابر جریان برق دارند، اما نسبت به فیبر کربن وزن بیشتری دارند و استحکام کششی و سختی کمتری ارائه می دهند.

در مقابل، فیبر کربن از رشته های کربنی با ساختار کریستالی تشکیل شده و استحکام، سفتی و مقاومت حرارتی بسیار بالاتری دارد، اما هزینه تولید آن بیشتر است و در برابر ضربه ناگهانی شکننده تر عمل می کند.

به طور کلی، الیاف شیشه برای کاربردهای اقتصادی تر و عمومی تر مناسب اند، در حالی که فیبر کربن در صنایع پیشرفته مانند هوافضا، خودروهای مسابقه ای و تجهیزات ورزشی استفاده می شود.

الیاف شیشه چیست؟

الیاف شیشه نوعی ماده تقویت کننده کامپوزیتی است که از ذوب و کشش شیشه های مخصوص به رشته های بسیار نازک و ظریف تولید می شود. این الیاف عموما از ترکیبات سیلیکا، آلومینا، آهک، بور و سایر اکسیدهای معدنی ساخته می شوند که پس از ذوب در دمای بالا، به صورت رشته هایی با قطر چند میکرون بیرون کشیده می شوند.

الیاف شیشه به دلیل وزن کم، مقاومت مناسب در برابر کشش، خوردگی، رطوبت و مواد شیمیایی، و همچنین خاصیت عایق حرارتی و الکتریکی، در صنایع مختلف کاربرد گسترده ای دارند.

از آن ها به عنوان ماده تقویت کننده در تولید پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه، قطعات خودرو، قایق، لوله، مخزن، سازه های ساختمانی، عایق های حرارتی و صوتی، و تجهیزات الکترونیکی استفاده می شود.

علاوه بر این، الیاف شیشه به دلیل انعطاف پذیری، قابلیت شکل دهی بالا و هزینه تولید نسبتا پایین، جایگزینی اقتصادی و کارآمد برای بسیاری از فلزات و مواد سنگین تر به شمار می رود.

نوع، ترکیب و نحوه بافت الیاف شیشه می تواند ویژگی های مکانیکی و فیزیکی آن را تغییر دهد و آن را برای کاربردهای خاصی مانند مقاومت در برابر حرارت بالا یا افزایش سختی بهینه کند.

فیبر کربن چیست؟

فیبر کربن نوعی ماده کامپوزیتی بسیار سبک، مستحکم و مقاوم است که از رشته های نازک کربنی با ساختار کریستالی خاص تشکیل می شود و به دلیل نسبت استحکام به وزن بسیار بالا، در صنایع پیشرفته کاربرد فراوانی دارد.

این الیاف از پیش ماده هایی مانند پلی آکریلونیتریل، قیر یا ریون تولید می شوند که طی فرآیندهای حرارتی و شیمیایی در دمای بالا (حدود ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتی گراد) کربونیزه شده و به رشته هایی از اتم های کربن با آرایش منظم گرافیتی تبدیل می گردند.

نتیجه ی این فرآیند، الیافی است با مقاومت کششی بسیار زیاد، سختی بالا، پایداری حرارتی عالی و مقاومت بالا در برابر خوردگی و مواد شیمیایی، در حالی که وزن آن بسیار کمتر از فلزاتی مانند فولاد یا آلومینیوم است.

فیبر کربن در ترکیب با رزین های اپوکسی یا پلی استری به صورت کامپوزیت استفاده می شود تا قطعاتی سبک و مقاوم تولید گردد.

از مهم ترین کاربردهای آن می توان به صنایع هوافضا، خودروسازی پیشرفته، دوچرخه و تجهیزات ورزشی حرفه ای، توربین های بادی، سازه های مهندسی دقیق و تجهیزات نظامی اشاره کرد.

هرچند تولید فیبر کربن هزینه بر و نیازمند فناوری بالا است، اما ویژگی های منحصربه فرد آن در افزایش عملکرد، کاهش وزن و صرفه جویی در انرژی، باعث شده که در بسیاری از زمینه ها جایگزین مواد سنتی شود.

تفاوت های الیاف شیشه و فیبر کربن

در ادامه، تفاوت های اصلی الیاف شیشه و فیبر کربن بیان شده است.

ترکیب و ساختار مواد

الیاف شیشه از ترکیب مواد معدنی مانند سیلیکا، اکسید بور، آهک، و آلومینا ساخته می شود که در دمای بالا ذوب شده و به رشته های شیشه ای نازک تبدیل می گردد.

این ترکیبات ماهیت غیرآلی دارند و ساختار الیاف شیشه به صورت آمورف (غیرکریستالی) است. در مقابل، فیبر کربن از مواد آلی مانند پلی آکریلونیترل یا قیر تولید می شود و در فرآیند حرارتی ویژه ای به رشته هایی از اتم های کربن با ساختار کریستالی گرافیتی تبدیل می گردد.

همین تفاوت در ترکیب و ساختار باعث می شود فیبر کربن استحکام و سختی بیشتری داشته باشد، در حالی که الیاف شیشه مقاومت شیمیایی و پایداری الکتریکی بالاتری ارائه می دهد.

وزن و چگالی

الیاف شیشه نسبت به فیبر کربن چگالی بیشتری دارد و در نتیجه سنگین تر است. چگالی الیاف شیشه حدود ۲.۵ گرم بر سانتی متر مکعب است، در حالی که فیبر کربن چگالی حدود ۱.۷ تا ۱.۹ گرم بر سانتی متر مکعب دارد.

همین تفاوت موجب می شود فیبر کربن برای کاربردهایی که کاهش وزن اهمیت زیادی دارد (مانند هوافضا و خودروهای مسابقه ای) بسیار مطلوب تر باشد. در مقابل، در پروژه هایی که وزن نقش حیاتی ندارد و هزینه مهم تر است، الیاف شیشه گزینه ای اقتصادی تر محسوب می شود.

استحکام و سختی مکانیکی

فیبر کربن به طور قابل توجهی استحکام کششی و سختی بالاتری نسبت به الیاف شیشه دارد. این خاصیت به دلیل پیوندهای قوی بین اتم های کربن و ساختار کریستالی آن است که انرژی زیادی برای شکستن نیاز دارد.

در مقابل، الیاف شیشه هرچند مقاوم است، اما به دلیل ماهیت آمورف شیشه، در برابر تنش های بالا زودتر از فیبر کربن تغییر شکل می دهد یا می شکند. بنابراین، در سازه هایی که نیاز به مقاومت زیاد در برابر نیروهای مکانیکی دارند، فیبر کربن انتخاب مناسب تری است.

مقاومت حرارتی و شیمیایی

الیاف شیشه در برابر دما و مواد شیمیایی بسیار مقاوم است و حتی در شرایط مرطوب یا خورنده نیز عملکرد پایداری دارد. از این رو در صنایع شیمیایی، لوله ها، مخازن و عایق های حرارتی استفاده فراوانی دارد.

فیبر کربن نیز در برابر حرارت مقاوم است، اما در برخی محیط های اکسیدکننده یا اسیدی ممکن است دچار تخریب سطحی شود. با این حال، فیبر کربن در دماهای بسیار بالا (بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتی گراد) استحکام خود را بهتر حفظ می کند، در حالی که الیاف شیشه ممکن است نرم یا ذوب شود.

قیمت و هزینه تولید

یکی از بزرگ ترین تفاوت ها بین این دو ماده در هزینه تولید است. الیاف شیشه فرایند تولید ساده تر و ارزان تری دارد و در مقیاس صنعتی با هزینه پایین تولید می شود.

در مقابل، تولید فیبر کربن بسیار پرهزینه و زمان بر است زیرا شامل چندین مرحله دقیق مانند اکسیداسیون، کربونیزه سازی و کنترل دمایی پیچیده است. به همین دلیل، فیبر کربن برای کاربردهای خاص و صنعتی با ارزش افزوده بالا استفاده می شود، نه در پروژه های عمومی.

خواص الکتریکی و رسانایی

الیاف شیشه یک عایق الکتریکی کامل است و به همین دلیل در صنایع الکترونیک، عایق های برق و تجهیزات مخابراتی بسیار کاربرد دارد.

اما فیبر کربن رسانای الکتریسیته است، زیرا ساختار گرافیتی آن اجازه حرکت آزاد الکترون ها را می دهد. این خاصیت باعث می شود در کاربردهایی مانند تجهیزات ضد الکتریسیته ساکن، هواپیماها و خودروهای پیشرفته که نیاز به هدایت الکتریکی کنترل شده دارند، مورد استفاده قرار گیرد.

کاربردها و زمینه استفاده

الیاف شیشه به دلیل قیمت پایین، مقاومت در برابر خوردگی و ویژگی های عایق، بیشتر در صنایع ساختمانی، لوله سازی، قایق سازی، عایق کاری حرارتی و الکتریکی کاربرد دارد.

در حالی که فیبر کربن به دلیل استحکام بالا، وزن کم و پایداری مکانیکی بی نظیر، در صنایع هوافضا، خودروسازی لوکس، تجهیزات ورزشی حرفه ای، سازه های دقیق و حتی پزشکی مورد استفاده قرار می گیرد. در واقع، انتخاب میان این دو ماده بیشتر به اولویت پروژه (هزینه یا عملکرد) بستگی دارد.