1- الیاف کربن:

همونطور که به تفضیل در مقاله “الیاف کربن“در خصوص خواص و ساختار الیاف کربن توضیح دادیم این الیاف از اتم های کربن با قطری بین پنج تا ده میکرومتر ساخته شده است. خواص بارز آن شامل نسبت بالای استحکام (کششی) به وزن، انبساط حرارتی کم، مقاومت دمایی بالا، مقاومت شیمیایی و رسانایی الکتریکی استثنایی است. این ویژگی ها آن را به یک مواد اولیه استراتژیک در صنایع  دفاعی، هوافضا، خودرو سازی، ساخت و ساز، ساخت سازه های ورزشی و ساخت توربین های بادی تبدیل کرده است. در این مقاله مجموعه ایران کامپوزیت کاویان به عنوان یکی از پیشروان تامین الیاف و پارچه کربن در ایران به تشریح:

• روند بازار جهانی تولید:
  • • • برحسب نوع
      • برحسب منطقه
• صنایع مصرف کننده ی الیاف کربن:(کاربرد الیاف کربن)
  • • • صنایع هوایی و نظامی
      • وسایل ورزشی
      • صنعت مصرف کننده ی قطعات کامپوزیتی الیاف کربن

خواهد پرداخت.

2- بررسی بازار جهانی الیاف کربن:

در بررسی بازار جهانی الیاف کربن در سال های اخیر باید توجه داشت شیوع ویروس کرونا به دلیل قرنطینه سراسری و تعطیلی نسبی کارخانه ها تاثیر منفی بر رشد تولید و مصرف این الیاف در صنایع مختلف گذاشته است. با این حال اندازه بازار جهانی الیاف کربن 3/07 بیلیون دلار در سال 2022 ارزش گذاری شد.

                                                                                                                                                                                                           شکل 1: بازار جهانی الیاف کربن در آسیا

با این حال پیش بینی می شود با باز شدن تدریجی اقتصادها در سال 2022 و افزایش تقاضا برای اسن محصول اندازه بازار از سال 2023 تا 2030 این مقدار از 3/32 بیلیون به5/96 بیلیون دلار برسد که نشان دهنده ی رشد 8/8 درصدی در طول دوره پیش بینی شده است.(شکل 1) در تصویر زیر برخی از بازیگران اصلی تولید الیاف کربن آورده شده است:

2.1- برحسب نوع:

همانطور که در مقاله “الیاف کربن” گفته شد الیاف کربنی ساخته شده بسته به نوع مواد اولیه مصرفی در دو نوع تقسیم می شوند:

1. بر پایه مواد اولیه لیفی(textile precursors) مانند پلی آکریلونیتریل(PAN) و رایون
2. بر پایه مواد اولیه قیری (Pitch precursors)

در بررسی بازار هر دو نوع الیاف پلی آکریلونیتریل (PAN) بیشترین سهم بازار را به خود اختصاص داده است و پیش بینی می شود در آینده نزدیک به دلیل افزایش تقاضا از سوی صنایع مصرفی نهایی چون صنایع دفاعی، هوافضا و خودروسازی، بر بازار تسلط یابد.

حجم تولید الیاف PAN از سال 2009 تا 2013 در جدول 1 خلاصه شده است. نکته جالب اینکه پنج تولید کننده اول رشته‌های کوچک PAN، 80% سهم بازار را در اختیار دارند و 30% این نوع الیاف در ژاپن تولید می‌شود.

الیاف کربن بر اساس تعداد  فیلامنت  به رشته الیاف کمتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت که توو (TOW) کوچک یا سبک و رشته الیاف بیشتر از ۲۴۰۰۰ فیلامنت  که اصطلاحاً توو بزرگ یا سنگین نامیده می‌شوند، دسته‌بندی می‌گردند.در سال‌های 2010-2013 تولید رشته‌های بزرگ کربن با بازیگران جدیدی مواجه شده است. شرکت‌هایی از ترکیه و هند از جملة این تولید کنندگان جدید هستند. این نوع از لیف کربن به دلیل مزیت کیفیت به قیمت، برای مصارف صنعتی ترجیح داشته، امکان دستیابی به رشد تولید بالاتر را دارا است.

از طرف دیگر ظرفیت تولید الیاف کربن پایه قیر (Pitch)، دستخوش تغییرات بسیار محدودی شده است و به نظر می‌رسد با بازار اشباعی مواجه است.

2.2- برحسب منطقه:

مقایسه منطقه ای بازار الیاف کربن نشان می دهد اروپا در سال 2022 پیشرو بازار بوده است و ارزش آن به 1/01 بیلیون رسیده است. رشد بیشتر بازار در این منطقه به دلیل وجود پایگاه گسترده ای از تولیدکنندگان خودروهای برقی و افزایش تقاضا برای خودروهای سبک وزن و کم مصرف است. علاوه بر این حضور یک بخش هوانوردی توسعه یافته خانواده ی یوروفایتر در آلمان فرصت رشد بازار مطلوبی را در اروپا فراهم آورده است.

از طرفی، بازار آسیا و اقیانوسیه پتانسیل رشد سریعی را در این بازار از خود نشان می دهد. این رشد می تواند حاصل رشد بازار های خودرو سازی ژاپن یا استفاده از کامپوزیت های ساختمانی در ساخت تونل ها، ساختمان ها و پل ها در پروژه های زیر بنایی و عمرانی در کشور های بزرگی چون هند و چین باشد. علاوه براین در بررسی اخبار آسیا شاهد افزایش سرمایه گذاری در حوزه هوانوردی، هوافضا و انرژی های تجدیدپذیری چون توربین های بادی هستیم که همگی از صنایع بزرگ مصرف کننده ی الیاف کربن هستند.

3- بازار صنایع مصرف کننده ی الیاف کربن:

چهل سال پیش الیاف کربن یک چیز جدید بود که فقط در فضای تحقیق و پژوهش دیده می شد اما امروزه در وسایلی که به صورت روزمره از آن استفاد ه می کنیم نقش پر رنگی دارد. این ماده در اشکال گوناگون تولید و در بازار مصرف می شود اما صنایع مصرف کننده غالبا به جای خرید مستقیم الیاف، صفحات پیش آغشته (Prepreg) الیاف کربن را تهیه می کنند. (جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص پیش آغشته سازی می توانید به مقالات “کاربرد پیش آغشته ها و مواد پیش آغشته سازی” و “تکنولوژی و فرآیند تولید پیش آغشته سازی” مراجعه فرمایید )

بازار های نهایی مصرف کننده الیاف کربن به سه دسته کلی: صنعت، هوافضا و وسایل ورزشی است. در مقایسه ای برای سال 2010، کاربردهای صنعتی (غیر از صنایع تفریحی-ورزشی و هوافضا) با مصرف 20.000 تن الیاف کربن در سال، دو سوم کل مصرف 31.000 تنی را به خود اختصاص داده بودند و این مقادیر تا به امروز روند صعودی در پیش داشتند.

شکل 2- سهم بازار صنایع مختلف در مصرف الیاف کربن از سال 2008 تا 2015 بر حسب هزار تن.

در ادامه قصد داریم به معرفی اجمالی استفاده از الیاف کربن در هر یک از صنایع مصرفی بپردازیم:

3.1- صنایع هوایی و نظامی:

گزارشات سال 2020 نشان داده است که 30 درصد الیاف کربن در صنعت هوافضا استفاده می شود.

• برای دهه ها هواپیما های مسافربری از آلومینیوم ساخته می شدند اما نیاز به کاهش مصرف سوخت طراحان را به سوی جایگزینی آلومینیوم با یک ماده سبکتر برده است. در 15 سال گذشته الیاف کربن بهترین کاندید در این جایگزینی بوده است زیرا علاوه بر کاهش وزن خواص مکانیکی را به شدت افزایش داده و منجر به طول عمر هواپیما ها می شود. در معرفی نمونه هایی از هواپیما های ساخته شده از Carbon fiber می توان به بوئینگ B787 و ایرباس A350 اشاره کرد که به پادشاه هوا معروف است.

• الیاف کربن علاوه بر استفاده در بدنه خارجی هواپیما در ساخت سازه های داخلی چون پنل صندلی های کربنی، میزهای کربنی و قطعات حساس موتور استفاده می شود.

• این محصول استراتژیک یکی از اجزای اصلی ساخت جنگنده های نظامی به شمار می رود. به عنوان مثال در ساخت جنگنده آمریکایی F-22 350 قطعه کربنی مشاهده می شود و یک سوم جنگنده F-35 را الیاف کربن تشکیل داده است.

• علاوه بر وزن سبک و خواص مکانیکی بالا این محصول می تواند در ساخت بدنه های جاذب رادار و همچنین تیغه های جاذب حرارت استفاده شود. این مسئله یک کاربرد استراتژیک و یک فناوری نوین است که ایران به عنوان اولین کشور در منطقه خاورمیانه و یازدهمین کشور در جهان به آن دست یافته است.

• ساخت پهباد خصوصا پهباد های حامل تجهیزات الکترونیکی و حسگر های حساس یکی دیگر از حوزه های کاربرد الیاف کربن است. در حال حاضر شرکت Bold Valuable Technology مشغول طراحی و مهندسی ساختاری فوق سبک با وزنی کمتر از 800 گرم و طولی حدود یک متر برای این کاربرد است. گزارشات بیان نموده اند که ضخامت بدنه این سازه در بیشتر قسمت ها کمتر از 0/1 میلیمتر است که این دقت و نازکی در ضخامت در هیچ سازه فلزی قابل دستیابی نیست. یکی از پهپادهای پیشرفته در جهان که به طور کامل از بدنه ای از جنس الیاف کربن ساخته شده است ، پهپاد اروپایی Barracuda می باشد. این پهپاد از موتور جت بهره می برد.

• در حال حاضر بخش زیادی از ماهواره ها و ماهواربر های جدید در سطح جهانی و در ایران با این ماده تکمیل شده است.

ماژول سرنشین دار ماهواره اوریون ناسا با سپر حرارتی از جنس تیتانیوم و الیاف کربن

• در پایان میتوان به کاربرد های بیشتر شناخته شده این الیاف در صنایع نظامی با هدف کاهش وزن در جنگ افزار (از یک سلاح کمری تا یک ناوهواپیمابر) و مقاومت بالای ضربه آن (در ساخت لباس ضدگلوله و کلاخود) اشاره کرد.

3.2- وسایل ورزشی:

گزارشات بازار مصرفی حاکی از آن است که در سال 2015، سهم صنایع تفریحی- ورزشی از کاربرد الیاف کربن بیش از 7.000 تن در سال بود و مصارف صنعتی از 20.000 به 47.000 تن رسید.  غالب سازه های ورزشی نیازمند استحکام بالا و وزن پایین و گاها وجود خاصیت ارتجاعی هستند و پاسخ به این نیازها، ورود الیاف کربن در ساخت این سازه ها را توجیح می کند. از پرمصرفترین سازه های ورزشی ساخته شده ار الیاف کربن می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• راکت های ورزشی چون راکت تنیس
• چوب و توپ گلف
• دوچرخه
• قایق های نانو کربنی
• نیزه پرش
• کمان تیر اندازی
• میله ماهیگیری
• بردها و چوب های اسکی

3.3- صنعت:

این بخش شامل استفاده از الیاف کربن در ساخت قطعات کامپوزیتی می شود و صنایع مصرف کننده ی این قطعات هیچ محدودیتی ندارندکه بخوایم از اونها نام ببریم. بزرگترین صنایع مصرف کننده ی قطعات کامپوزیتی الیاف کربن شامل سه مورد زیر است:

• خودروسازی
• ساختمانی و عمرانی
• ساخت توربین های بادی

اگر نگاهی به آمار های گزارش شده بیاندازید ساخت توربین‌های بادی در دهه گذشته، مهمترین عامل رشد مصرف الیاف کربن در میان مدت، و صنعت خودرو مهمترین عامل رشد در دراز مدت بوده است.

در آینده نزدیک مقالات ساخت قطعات کامپوزیتی هر یک از این صنایع را منتشر خواهیم کرد و شما می توانید جهت کسب آموزش بیشتر بخش مقالات سایت ایران کامپوزیت کاویان رو دنبال کنید.

منبع:

https://www.fortunebusinessinsights.com/industry-reports/carbon-fiber-market-101719

https://boldvaluable.tech/blog/carbon-fiber/

https://www.comsol.com/blogs/protecting-aircraft-composites-from-lightning-strike-damage/

https://www.mashreghnews.ir/news/

https://www.thoughtco.com/applications-of-carbon-fiber-820384