কার্বন ফাইবার কম্পোজিট উপকরণ তৈরির প্রক্রিয়া

কার্বন-কার্বন যৌগিক পদার্থের সংক্ষিপ্ত বিবরণ

কার্বন/কার্বন (C/C) যৌগিক পদার্থএটি একটি কার্বন ফাইবার রিইনফোর্সড কম্পোজিট উপাদান, যার মধ্যে উচ্চ শক্তি ও মডুলাস, হালকা আপেক্ষিক গুরুত্ব, কম তাপীয় প্রসারণ সহগ, ক্ষয় প্রতিরোধ ক্ষমতা, তাপীয় অভিঘাত প্রতিরোধ ক্ষমতা, ভালো ঘর্ষণ প্রতিরোধ ক্ষমতা এবং ভালো রাসায়নিক স্থিতিশীলতার মতো একাধিক চমৎকার বৈশিষ্ট্য রয়েছে। এটি এক নতুন ধরনের অতি-উচ্চ তাপমাত্রা সহনশীল কম্পোজিট উপাদান।

সি/সি যৌগিক উপাদানএটি একটি চমৎকার তাপীয় কাঠামো ও কার্যকরীভাবে সমন্বিত প্রকৌশল উপাদান। অন্যান্য উচ্চ-কার্যক্ষমতাসম্পন্ন কম্পোজিট উপাদানের মতো, এটিও একটি ফাইবার-শক্তিবর্ধিত পর্যায় এবং একটি মৌলিক পর্যায় দ্বারা গঠিত একটি কম্পোজিট কাঠামো। পার্থক্য হলো, এর শক্তিবর্ধিত পর্যায় এবং মৌলিক পর্যায় উভয়ই বিশেষ বৈশিষ্ট্যসম্পন্ন বিশুদ্ধ কার্বন দ্বারা গঠিত।

কার্বন/কার্বন যৌগিক পদার্থএগুলো প্রধানত কার্বন ফেল্ট, কার্বন ক্লথ, রিইনফোর্সমেন্ট হিসেবে কার্বন ফাইবার এবং ম্যাট্রিক্স হিসেবে ভেপার ডিপোজিটেড কার্বন দিয়ে তৈরি, কিন্তু এতে কেবল একটিই উপাদান থাকে, যা হলো কার্বন। ঘনত্ব বাড়ানোর জন্য, কার্বনাইজেশন প্রক্রিয়ায় উৎপন্ন কার্বনকে কার্বনের সাথে অথবা রেজিন (বা অ্যাসফল্ট)-এর সাথে মিশ্রিত করা হয়, অর্থাৎ, কার্বন/কার্বন কম্পোজিট উপাদানগুলো তিনটি কার্বন উপাদান দিয়ে তৈরি করা হয়।

কার্বন-কার্বন যৌগিক পদার্থের উৎপাদন প্রক্রিয়া

১) কার্বন ফাইবারের পছন্দ

কার্বন ফাইবার বান্ডিলের নির্বাচন এবং ফাইবার ফ্যাব্রিকের কাঠামোগত নকশাই হলো উৎপাদনের ভিত্তি।সি/সি যৌগফাইবারের ধরণ এবং কাপড় বুননের প্যারামিটার, যেমন—সুতার আঁটির বিন্যাসের দিক, সুতার আঁটির ব্যবধান, সুতার আঁটির আয়তনিক পরিমাণ ইত্যাদি যৌক্তিকভাবে নির্বাচনের মাধ্যমে C/C কম্পোজিটের যান্ত্রিক ও তাপভৌত বৈশিষ্ট্য নির্ধারণ করা যায়।

২) কার্বন ফাইবার প্রিফর্মের প্রস্তুতি

কার্বন ফাইবার প্রিফর্ম বলতে এমন একটি ফাঁকা অংশকে বোঝায়, যাকে ঘনীভবন প্রক্রিয়া সম্পাদনের জন্য পণ্যের আকৃতি এবং কার্যক্ষমতার প্রয়োজনীয়তা অনুসারে ফাইবারের প্রয়োজনীয় কাঠামোগত আকারে তৈরি করা হয়। প্রিফর্মড কাঠামোগত অংশগুলির জন্য তিনটি প্রধান প্রক্রিয়াকরণ পদ্ধতি রয়েছে: নরম বুনন, শক্ত বুনন এবং নরম ও শক্ত মিশ্র বুনন। প্রধান বুনন প্রক্রিয়াগুলো হলো: শুকনো সুতার বুনন, প্রাক-প্রলেপিত রড গ্রুপ বিন্যাস, সূক্ষ্ম বুনন ছিদ্র, ফাইবার ওয়াইন্ডিং এবং ত্রিমাত্রিক বহু-দিকীয় সামগ্রিক বুনন। বর্তমানে, কার্বন ফাইবার কম্পোজিট উপকরণে ব্যবহৃত প্রধান বুনন প্রক্রিয়া হলো ত্রিমাত্রিক সামগ্রিক বহু-দিকীয় বুনন। এই বুনন প্রক্রিয়ার সময়, সমস্ত বোনা ফাইবার একটি নির্দিষ্ট দিকে সাজানো হয়। প্রতিটি ফাইবার তার নিজের দিক বরাবর একটি নির্দিষ্ট কোণে অফসেট করা হয় এবং একটি ফ্যাব্রিক তৈরি করার জন্য একে অপরের সাথে আন্তঃবুনন করা হয়। এর বৈশিষ্ট্য হলো এটি একটি ত্রিমাত্রিক বহু-দিকীয় সামগ্রিক ফ্যাব্রিক তৈরি করতে পারে, যা কার্বন ফাইবার কম্পোজিট উপকরণের প্রতিটি দিকের ফাইবারের আয়তনিক পরিমাণকে কার্যকরভাবে নিয়ন্ত্রণ করতে পারে, যাতে কার্বন ফাইবার কম্পোজিট উপকরণটি সমস্ত দিকে যুক্তিসঙ্গত যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্য প্রদর্শন করতে পারে।

৩) C/C ঘনীভবন প্রক্রিয়া

ঘনীভবনের মাত্রা ও কার্যকারিতা মূলত কাপড়ের গঠন এবং মূল উপাদানের প্রক্রিয়াকরণ পরামিতি দ্বারা প্রভাবিত হয়। বর্তমানে ব্যবহৃত প্রক্রিয়াকরণ পদ্ধতিগুলোর মধ্যে রয়েছে ইমপ্রেগনেশন কার্বনাইজেশন, কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন (CVD), কেমিক্যাল ভেপার ইনফিলট্রেশন (CVI), কেমিক্যাল লিকুইড ডিপোজিশন, পাইরোলাইসিস এবং অন্যান্য পদ্ধতি। প্রক্রিয়াকরণ পদ্ধতিগুলোর দুটি প্রধান প্রকার রয়েছে: ইমপ্রেগনেশন কার্বনাইজেশন প্রক্রিয়া এবং কেমিক্যাল ভেপার ইনফিলট্রেশন প্রক্রিয়া।

তরল ফেজ ইমপ্রেগনেশন-কার্বনাইজেশন

তরল ফেজ ইমপ্রেগনেশন পদ্ধতির সরঞ্জাম তুলনামূলকভাবে সহজ এবং এর প্রয়োগক্ষেত্র ব্যাপক, তাই C/C কম্পোজিট উপাদান তৈরির জন্য এটি একটি গুরুত্বপূর্ণ পদ্ধতি। এই পদ্ধতিতে কার্বন ফাইবার দিয়ে তৈরি প্রিফর্মকে তরল ইমপ্রেগন্যান্টের মধ্যে ডুবিয়ে রাখা হয় এবং চাপ প্রয়োগের মাধ্যমে ইমপ্রেগন্যান্টকে প্রিফর্মের ফাঁকা স্থানগুলোতে সম্পূর্ণরূপে প্রবেশ করানো হয়। এরপর কিউরিং, কার্বনাইজেশন এবং গ্রাফিটাইজেশনের মতো ধারাবাহিক প্রক্রিয়ার মধ্য দিয়ে অবশেষে উপাদানটি পাওয়া যায়।C/C যৌগিক পদার্থএর অসুবিধা হলো, প্রয়োজনীয় ঘনত্ব অর্জনের জন্য বারবার ইমপ্রেগনেশন এবং কার্বনাইজেশন চক্রের প্রয়োজন হয়। লিকুইড ফেজ ইমপ্রেগনেশন পদ্ধতিতে ইমপ্রেগনেন্টের গঠন ও কাঠামো অত্যন্ত গুরুত্বপূর্ণ। এটি কেবল ঘনত্ব বৃদ্ধির দক্ষতাকেই প্রভাবিত করে না, বরং পণ্যের যান্ত্রিক এবং ভৌত বৈশিষ্ট্যকেও প্রভাবিত করে। লিকুইড ফেজ ইমপ্রেগনেশন পদ্ধতিতে C/C কম্পোজিট উপাদান তৈরির ক্ষেত্রে ইমপ্রেগনেন্টের কার্বনাইজেশন ইল্ড উন্নত করা এবং এর সান্দ্রতা কমানো সবসময়ই অন্যতম প্রধান সমাধানযোগ্য বিষয় ছিল। ইমপ্রেগনেন্টের উচ্চ সান্দ্রতা এবং কম কার্বনাইজেশন ইল্ড হলো C/C কম্পোজিট উপাদানের উচ্চ মূল্যের অন্যতম গুরুত্বপূর্ণ কারণ। ইমপ্রেগনেন্টের কার্যকারিতা উন্নত করা কেবল C/C কম্পোজিট উপাদানের উৎপাদন দক্ষতা বৃদ্ধি এবং এর খরচ কমানোই নয়, বরং C/C কম্পোজিট উপাদানের বিভিন্ন বৈশিষ্ট্যও উন্নত করতে পারে। C/C কম্পোজিট উপাদানের অ্যান্টি-অক্সিডেশন ট্রিটমেন্ট। কার্বন ফাইবার বাতাসে ৩৬০° সেলসিয়াস তাপমাত্রায় জারিত হতে শুরু করে। গ্রাফাইট ফাইবার কার্বন ফাইবারের চেয়ে কিছুটা ভালো, এবং এর জারণ তাপমাত্রা ৪২০°C-এ শুরু হয়। C/C কম্পোজিট উপাদানের জারণ তাপমাত্রা প্রায় ৪৫০°C। উচ্চ-তাপমাত্রার জারণ পরিবেশে C/C কম্পোজিট উপাদান খুব সহজে জারিত হয়, এবং তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে জারণের হার দ্রুত বৃদ্ধি পায়। যদি জারণ-প্রতিরোধক ব্যবস্থা না থাকে, তবে উচ্চ-তাপমাত্রার জারণ পরিবেশে C/C কম্পোজিট উপাদানের দীর্ঘমেয়াদী ব্যবহার অনিবার্যভাবে ভয়াবহ পরিণতি ডেকে আনবে। তাই, C/C কম্পোজিট উপাদানের জারণ-প্রতিরোধক প্রক্রিয়াকরণ এর প্রস্তুতি প্রক্রিয়ার একটি অপরিহার্য অংশ হয়ে উঠেছে। জারণ-প্রতিরোধক প্রযুক্তির দৃষ্টিকোণ থেকে, একে অভ্যন্তরীণ জারণ-প্রতিরোধক প্রযুক্তি এবং জারণ-প্রতিরোধক আবরণ প্রযুক্তি—এই দুই ভাগে ভাগ করা যায়।

রাসায়নিক বাষ্প পর্যায়

কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন (CVD বা CVI) হলো ব্ল্যাঙ্কের ছিদ্রগুলো পূরণ করা এবং ঘনত্ব বাড়ানোর উদ্দেশ্যে সরাসরি ছিদ্রের মধ্যে কার্বন জমা করার একটি পদ্ধতি। জমা হওয়া কার্বন সহজেই গ্রাফাইটাইজড হয় এবং ফাইবারের সাথে এর ভৌত সামঞ্জস্য ভালো থাকে। ইমপ্রেগনেশন পদ্ধতির মতো এটি পুনরায় কার্বনাইজেশনের সময় সংকুচিত হয় না এবং এই পদ্ধতির ভৌত ও যান্ত্রিক বৈশিষ্ট্যগুলোও উন্নত। তবে, CVD প্রক্রিয়ার সময় যদি ব্ল্যাঙ্কের পৃষ্ঠে কার্বন জমা হয়, তবে এটি গ্যাসকে অভ্যন্তরীণ ছিদ্রের মধ্যে প্রবেশ করতে বাধা দেয়। পৃষ্ঠে জমা হওয়া কার্বন যান্ত্রিকভাবে অপসারণ করে নতুন করে জমার প্রক্রিয়া শুরু করা উচিত। পুরু পণ্যের ক্ষেত্রে CVD পদ্ধতির কিছু অসুবিধাও রয়েছে এবং এই পদ্ধতির চক্রও বেশ দীর্ঘ।