به نام خدا
ترجمه فصل اول کتاب « High performance fibers»
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
فصل اول: پیش گفتار
1-1 نسل جدید الیاف
1-1-1 الیاف موسوم به « فوق کارا »
1-1-2 همةالیاف به جز انواع بسیار ارزان قیمت آنها ، به نوعی فوق کارا محسوب میشوند. تقاضای زیادی در مورد الیاف طبیعی ( پنبه ، پشم ، ابریشم و .... ) در قالب پارچه های مد (لباس ، مبلمان داخلی ، فرش و . .) وجود دارد. در طی صد سال گذشته ، الیاف طبیعی کاربردهایی در زمینههای مهندسی نیز داشته اند که "منسوجات فنی یا صنعتی" نامیده میشود. با ظهور الیاف بشر ساخته (ریون ، استات ، نایلون ، پلی استر و...)در نیمة اول قرن بیستم ، نه تنها کیفیت های با کارایی بالای جدیدی به عرصة پارچههای مد افزوده شد، بلکه خصوصیات فنی برجستهای نیز توسط این الیاف ارائه گردید . برای مثال ، از سال 1900 که تا آن موقع از نخهای پنبهای برای استحکام تایرهای اتومبیل استفاده میشد ، رویکردی به سوی استفاده از نخهای ریون بهبود یافته شکل گرفت و در فاصلة 1935 تا 1955 این جایگزینی به طور کامل محقّق شد و بعد از آن جهتگیری به سمت نایلون ، پلی استر و فولاد بود که امروزه نیز بازار فروش را قبضه کردهاند . به همین شکل جایگزینی الیاف طبیعی و الیاف بازیافتی توسط الیاف مصنوعی در بسیاری از منسوجات فنی اتفاق افتاد.
حداکثر استحکام الیاف پلی استر تجاری حدود g/den 10 (تقریبا برابر N/tex1) یا 1 گیگا پاسکال (Gpa) با افزایش طول تاحدپارگی بیش از 10 درصد می باشد. ساختار دارای استحکام نسبتا بالا و نیز دارای افزایش طول تاحدپارگی نسبتا زیاد، انرژی بسیار بالایی را در هنگام پارگی آزاد میکند که به آن « کارِ گسیختگی» گفته میشود. « خواصّ بازیابی خوب» به این معنی است که این الیاف میتوانند در مقابل ضربات و شوکهای مکرر و شدید مقاومت کنند. دراینرابطه نایلون و پلی استر الیاف فوق کارای بیرقیبی بودهاند. با این وجود افزایش سختی آنها با سرعت یافتن بارگذاری، باعث افت کارایی آنها در زمینههای بالستیک (حرکت پرتابهها) میشود. نکتة مهم این است که پلیاستر بهعنوان یک لیف منتخب جهت ساخت ریسمانهای فوق کارا با قدرت تحمل حداکثر1500تن به ثبت رسیده است و بهعنوان طناب لنگر برای تجهیزات نفتی در عمق 1000 تا 2000متری آب مورد استفاده قرارگرفته است.خصوصیات استحکامی برجستة الیاف الاستومری مثل لایکرا توان بالقوهای برای ایجاد کاربردهای فنی خاص دارد. به هرحال بهدلیل کاربرد وسیع این الیاف در نساجی، این الیاف در کتاب دیگری از این مجموعه مورد بحث قرار خواهند گرفت.
در ربع آخر قرن بیستم، نسل دوم الیاف مصنوعی بوجود آمد. همانگونه که در شکل 1-1 نشان داده شده است. ظهور الیاف« فوق کارا » از لحاظ ایجاد استحکام و سختی بالا، گام جدیدی محسوب می شود. این الیاف دارای مدول و نیز استحکام بالا می باشند این ویژگی ، مشخصة الیاف پلیمری و غیر آلی است که در فصل دوم تا هفتم کتاب تشریح خواهد شد. سایر اعضای این نسل جدید که در فصل های هشتم و نهم توضیح داده می شوند، الیافی با مقاومت حرارتی و شیمیایی بالا هستند . یک نکتة منفی ممکن است در اینجا وجود داشته باشد و آن اینکه هیچ کدام از الیافی که دراین کتاب از آنها نام برده میشود، بازاری در عرصة پوشاک، اثاثیه منزل و سایر مصارف داخلی منازل پیدا نکردهاست. بجز برخی کاربردهای فنی مثل محافظت در مقابل گلوله یا آتش، در بقیة موارد ، این راحتی و زیبایی استکه اولویت را در بازار نساجی به خود اختصاص می دهد. الیاف شیشه که تاریخچه قدیمی دارد، نیز در دهة 1930 و در خلال پیشرفتهایی جنبة تجاری پراهمیتی پیدا کرد. این لیف در حقیقت متعلق به نسل اول الیاف مصنوعی میباشد ؛ اما به هرحال بدلیل خصوصیات و مصارف آن مشمول مباحث این کتاب گردیده است.
نسل سوم الیاف نیز شکل گرفته است که به منزلة گذرگاه اتصال قرن بیستم به قرن بیستویکم تلقی میگردد. در این نسل،« الیاف هوشمند» حضور دارد که با خواص شیمیایی و فیزیکی ویژهاش ابعاد جدیدی به کاربرد منسوجات داده است. یک نمونه از آن با نام سوئیچ نرم ، الیافی است که تحت فشار موضعی، رسانای الکتریکی میشود. لیکن این الیاف در ماوراء قلمروی مطالب این کتاب حرکت می کند و هنوز آمادة مباحث تشریحی نیست.
1-1-2 استحکام و سختی
الیاف صنعتی قدیمی مثل پنبه، پشم و ابریشم نوعا دارای استحکامی در حدود 1/0تا4/0نیوتن برتکس و مدول اولیة بین2 الی 5 نیوتن برتکس می باشند. در عین حال الیافی مثل کتان و رامی می توانند استحکام و سختی بالاتری نیز داشته باشند. بجز ابریشم که در برخی کاربردهای سخت مثل پارچة چتر نجات بکارمیرود، بقیة الیاف مذکور از نوع الیاف کوتاه می باشند و به همین دلیل بازده تبدیل آنها درمورد استحکام نخ یا پارچة تولیدی پایین است. جدیدترین الیاف سلولزی بازیافتی مثل ویسکوزریون واستحکامی کمتر از N/tex2/0دارند. در اینجا مشکلی در جهت دستیابی به استحکام بالاتر در مورد الیاف سلولزی وجود داشت. نخهای فیلامنتی و یکسرة ریون مانند تناسکو با استحکام N/tex4/0 بعنوان نخ تایر مورد استفاده قرار گرفت و این استحکام تا سال 1960 به N/tex6/0 افزایش یافت و افزایش طول تاحدپارگی در آن موقع 13درصد بود. سایر یافته ها معطوف به سمت الیافی با سختی بالاتر بود. بارزترین نمونه آن « فورتیزان» است که از نخ های خیلی کشش یافتة استاتی ساخته شده و تبدیل به سلولز گردیده بود. این لیف استحکام N/tex6/0و مدول N/tex16 را از خود نشان میداد. اما بقای آن بعد از استفادهاش در مصارف جنگی ما بین سالهای 1939 تا 1945 دیری نپائید. اکنون قصه به سرآمده است. در پی آزمایشات انجام شده روی الیاف آرامید ، الیاف سلولزی جدیدی بنام«بوسل» در آزمایشگاه «اکزو – نوبل» از طریق ریسندگی از محلول کریستال مایع در اسید فسفریک تولید شد. [3,4]. پیشرفت های بعدی الیافB را معرفی کرد که استحکام N/tex1/1 و مدول N/tex30 داشت. اما انتظار می رود این افزایشها خصوصا درمورد استحکام ، با بهبود کنترل همراه باشد. این الیاف توسط شرکت هایی چون آکرودیس یا نیوکو به فاز تجاری وارد گردید. ریسندگی سلولز آکرودیس خود زیر مجموعة ریسندگی شرکت آکزو – نوبل می باشد. قیمت این پلیمر میبایست خیلی کمتر از آرامید و سایر الیاف فوق کارای مشابه باشد، هرچند هزینة ریسندگی آنها احتمالا یکسان است. ضمنا، نایلون نیز در سال 1938 وارد بازار شد و مصارف فنی نظامی پیدا کرد. استحکام آن N/tex5/0 و مدول آن N/tex5/2بود. انواع نساجی الیاف پلی استر یعنی پلی اتیلن ترفتالیت، که بعدها آمد، استحکام مشابه اما مدول بالاتری نسبت به نایلون ودر حدود N/tex10داشت. پیشرفت این الیاف جهت مصارف صنعتی مثل نخ تایر و ریسمان، استحکام آنها را به حدود N/tex8/0و مدول N/tex9در مورد نایلون و N/tex12 برای پلی استر رسانده است. در اختراعات ثبت شده مقادیر بالاتری نیز گزارش شده است اما در مورد آنها مشکلاتی در زمینة تولید تجاری وجود دارد.
دو پیشرفت در دهة 1960 تحولی دیگر را پدید آورد که بخش عمدهای از محتوای کتاب را به خود اختصاص می دهد. همانگونه که در فصل دوم توضیح داده خواهد شد، محققین شرکت دو پونت الیاف پاراآرامید را از محلول کریستال مایع تولید کردند. آرایش یافتگی بالا موجب استحکام بالای N/tex2 و مدول بالای N/tex80 در این الیاف شده است. امروزه استحکام سایر الیاف پلیمری به بیش از N/tex5/3 و مدول بالاتر از N/tex150رسیده است. در موسسة هوانوردی رویال انگلستان ، وات و همکارانش ، نخستین الیاف کربن مستحکم را از طری عملیات فرا دما روی الیاف اکریلیکِ تحت کشش تولید کردند. همانگونه که در فصل پنجم توضیح داده خواهد شد. این عمل، استحکام الیاف را به بیش از 5 گیگاپاسکال (معادل 3 نیوتن برتکس) و مدول را به بالای 800 گیگاپاسکال ( معادل 400 نیوتن برتکس ) رسانیده است. الیاف پلیمری همگی در محدودة شیمی آلی قرار دارند و از این میان، الیاف کربن را می توان« شبه آلی» نامید زیرا بههر حال از شیمی آلی منتج شده است. گروه دیگر از الیاف فوق کارا- که در این کتاب به آن پرداخته شده است- الیاف غیر آلی می باشد. شیشه کاربرد وسیعی بهعنوان تقویت کننده سفتی (سفت کننده) در کامپوزیت ها پیدا کرده است. استحکام کششی الیاف شیشه به Gpa4 (معادل N/tex6/1) و مدول آن به Gpa90 (معادل N/tex35) می رسد که براساس وزن ، کمتر از الیاف سرامیک است. الیاف سرامیک بخاطر کارآیی فرا دماییاش در کامپوزیت شبکه ای فلز و سرامیک جهت ساخت موتور مورد استفاده قرار گرفت. این الیاف بهدلیل ساختارشان، طبیعتا دارای مدول بالا، بالغ بر Gpa400 ( معادل N/tex100) هستند. اما استحکام حدود Gpa3 (معادل 1 نیوتن برتکس) بر مبنای وزن، چندان بالا محسوب نمی شود.
1-1-3 پایداری مولکولی
بسیاری از الیاف با مدول بالا یا الیاف با استحکام بالا، پایداری شیمیایی و حرارتی خوبی نیز دارند. اما با توجه به انبساط ناپذیری آنها (کش نیامدن)،کیفیت مناسبی برای ساخت لباسهای راحت و منسوجات خانگی ندارند. این مسئله ایجاب می کند که به سراغ گروه دیگری از الیاف مصنوعی نسل دوم برویم که جزئیات آنها در فصل های هشتم و نهم آورده شده است. سایر الیاف در این گروه برای مقاصد صنعتی و در شرایط سخت، اما نه تحت نیروهای مکانیکی، بکار می روند. این الیاف پلیمری غالبا استحکام، سختی و ازدیاد طول تاحدپارگی قابل قیاس با الیاف رایج در نساجی دارند. تفاوت آنها در پایدار ساختمان شیمیایی و فیزیکی آنهاست. پیوندهای مستحکم درون مولکولی سبب مقاومت حرارتی و گروه های مولکولی بی اثر (خنثی) باعث مقاومت شیمیایی در این الیاف می شود.
1-2 خواص ابعادی مولکولی
1-2-1 سه شکل موجود الیاف دارای استحکام و مدول بالا در سه گروه تقسیم بندی می شوند:
الیاف پلیمری : فصل های 2 تا 4
الیاف کربن : فصل 5
الیاف غیر آلی : فصل های 6 و 7
از یک نظر، همة این الیاف پلیمر هستند زیرا پیوندهای شیمیایی آن ها در طول زنجیرهای بلند گسترش یافته است. تفاوت آن ها بر سر ویژگی ابعادی تشکیل پیوند است. تشابه آنها این است که پیوندهای محوری همواره مستحکم و در امتداد لیف هستند. مناطق آمورف لاستیکی در این الیاف، همانند نایلون و پلی استر وجود ندارد و هیچ خصوصیت ظاهری ویژهای مانند آنچه در پنبه و پشم وجود دارد و منجر به سختی کمتر می شود، در آنها یافت نمی گردد.
1-2-2 پلیمرهای خطی
گروه اول الیاف یک بعدی هستند. در ساده ترین حالت، پلی اتیلن یک رشتة خطی از اتم های کربن است که صرفا دارای اتمهای هیدروژن درجهتهای عرضی میباشد. در بقیة الیاف، زنجیره دارای ساختار عرضی پیچیدهتری متشکل از حلقه اتمها و گروههای جانبی است. در این الیاف، وزن مولکولی بالا و به طور معادل درجة پلیمریزاسیون بالایی مورد نیاز است.
در دهة 1930 اشتادینگر [5] دیاگرامی مطابق شکل 1-2 رسم کرد که شکل ایدهآل یک لیف پلیمری خطی دارای استحکام و سختی بالا را نمایش می دهد. در سال 1936 در انجمن فارادی با نظارت پیشگامان علوم الیاف، مدول تئوریک الیاف برابر با 11000 کیلوگرم بر مترمربع در امتداد پیوند های اصلی محاسبه گردید اما این مقداردرمورد پیوندهای واندروالسی تنها 45 کیلوگرم بر میلیمتر مربع (معادل تقریبی 5/0 گیگا پاسکال یا یک نیوتن برتکس) ارزیابی شد. برای دستیابی به استحکام و سختی، مولکول ها باید کاملا کشیده و آرایشیافته باشند. از خمیدگی زنجیره ها چه منظم و چه نامنظم و نیز هرگونه آرایش غیر محوری قطعات مولکولی باید اجتناب گردد که هر دوی این موارد در روشهای نخستین تولید الیاف پلیمری مصنوعی بوجود می آمدند. ابتکارات جدید برای دستیابی به ساختار مورد نظر لازم است. این ساختار از دو دسته خواص مولکولی مهم ناشی می شود:
از یک طرف سختی ناشی از مولکولهای فعال و از طرف دیگر انعطاف پذیری ناشی از مولکولهای خنثی.در فاز محلول یا مذاب، مولکولهایی که مثل میله های سخت عمل می کنند تمایل دارند به بلوک های حاوی زنجیره های موازی بپیوندند. این ویژگی در کریستالهای مایع نیز تا حدودی وجود دارد البته مشروط بر آنکه نیروهای مولکولی قدرتمندی موجود باشد. بطور طبیعی مولکولها حالت امتداد یافته دارند زیرا خمیدگی سختتر شکل میگیرد. اگر یک باریکه از مادهای که در شرف تبدیل به حالت جامد است تحت کشش واقع گردد، تمامی بلوکهای آن به درون یک ساختار آرایشیافتة محوری کشیده میشوند. اولین مورد از این ساختار که توسط شرکت دوپونت در مقادیر تجاری تولید شد با عنوان" کولار" یک پارا- آرامید بود:
پلی فنیلین ترفتال آمید .که در آن حلقه های بنزنی و گروه های آمیدی به تناوب وجود دارد. حلقه های بنزنی و نیز گروه های فعال فنیلن سختی لیف را بوجود میآورد وگروه های -CO.NH-سبب ایجاد پیوندهای هیدروژنی میشود. تلاش مجّدانهای توسط گروههای مطالعاتی نیروی هوایی ایالات متحده مصروف مطالعه در مورد ایجاد زنجیرههای سختتر گردید. مولکولهایی که دربردارندة گروههایی با حالتهای سهگانة حلقههای ششگوشة بنزنی هستند و در مجاورت حلقههای پنجگوش قرارگرفته باشند، ساختار مناسبی به نظر میرسید. پس از مطالعات کاربردی شرکت دوپونت و دو که تحت حمایت مالی دولتی انجام گرفت، تولید تجاری آخرین لیف قرن بیستم توسط شرکت تویوبو با نام زایلون انجام شد که در حقیقت از پلیبنزوکسازول تشکیل یافته است. در مورد این لیف در بخش 2-4 و 9-4 توضیحاتی بیان شده است.
انواع دیگری از حالت میلهای سخت برای دستیابی به الیاف مستحکم وجود دارد. دردوران طلایی صنعت الیاف مصنوعی، هنگامی که سرمایهگذاری وسیعی روی تحقیقات پرسود انجام میشد،دانشمندان مرکز تحقیقاتی چمسترند که بخشی از موسسة مونسانتو است، آزمایشاتی را با پلی هیدرازیدهایی انجام دادند که حاوی دو گروه آمیدی بین هر دو حلقة بنزنی در داخل زنجیره بودند و نیز پلی اکسادیازولآمیدها که حاوی یک تناوب از حلقههای پنجگوش و حلقههای بنزنی میباشند. اگرچه این پلیمرها مدول بالا و نیز استحکام بالایی ارائه میکنند اما برای رقابت با الیاف کولار مهیا نیستند. به هرحال، تحقیقات انجام شد انتشار نخستین کتاب درموضوع الیاف کاملا آروماتیک مستحکم منتهی شد که توسط بلک و پرستون تألیف گردیده است. [7] در این میان پارا – آرامیدها به زحمت قابل به ذکر هستند.
تولید کوپلیمرهای آرامید با نام تکنورا از شرکت تیجین از پیشرفت های موفقیت آمیزی بود که در فصل دوم به آن پرداخته شده است. همچنینی تولید پلی استر تمام آروماتیک ذوب ریسی شده با نام وکتران از شرکت کلانس (ر.ک. بخش 4-1) و نیز الیاف روسی ( ر. ک. بخش 4-4) نمونه هایی دیگر از این دستهاند. بخش 4-3 کتاب، به توضیح نوع جدیدی از الیاف بنام PIPD یا M5 میپردازد که انتظار میرود توسط شرکت ماگلان در مقادیر تجاری تولید گردد. مختصات زنجیره در M5 مشابه PBO است اما وجود پیوندهای هیدروژنی در هر دو جهت عرضی، برخلاف صفحات مسطح موجود در لیف PPTA، باعث می شود که لیف مدول عرضی و مدول برشی بالاتر و نیز تنش تسلیم فشردگی محوری بالاتری را از خود نشان دهد.
خط سیر دیگر در تولید الیاف HM-HT ، تلاش برای انعطاف پذیر کردن آنهاست. به این منظور مولکولهای زنجیری خنثی را می توان به درون یک ساختار کاملا کشیده و آرایش یافته کشاند. این کار دقیقا مثل شانه کردن مو یا شانه کردن الیاف کوتاه جهت ریسندگی نخ است. مشکل موجود این است که چگونه این عمل را در مقیاس مولکولی انجام دهیم. همانطور که توسط «وارد» و همکارانش در دانشگاه لیدز نشان داده شد، پلی اتیلن ذوبریسی شده میتواند فوق العاده کشیده شود و این کشش تا نسبت بالاتر از 40 برابر انجام پذیر است. الیافی که از این طریق تولید شده اند توسط شرکت snia در ایتالیا و نیز شرکت کلانس در ایالات متحده به عنوان مثال با نام« سرترن» به تولید تجاری رسیده هر چند این الیاف برای تولید ارزان تر بودند ولی خصوصیات آنها نسبت به سایر الیاف پلی اتیلن دارای مدول بالا ضعیفتر بوده و لذا تولید آنها متوقف شد. در فصل سوم، روش دستیابی به موفقیت تجاری در ژلریسی الیاف«داینیما» توسط شرکت DSM و Toyobo و نیز الیاف اسپکترا توسط شرکت الایدفایبرز (که امروزه هانیول نام دارد) مورد بحث قرار میگیرد. اکسترود کردن محلول غلیظ منجر به تولید ژلی میشود که قابلیت جامد شدن و نیز پیوستگی در حینکشش را دارد اما در این حالت آزادی خمش از مولکولها گرفته میشود. بدلیل نیروهای ضعیف مولکولی در پلیاتیلن، استفاده از وزن مولکولی بالا برای الیاف HMPE ضروری است. در بخش 4-5 شیوة دیگری نیز برای فرآیند حالت جامد تشریح گردیده است. هر دو شیوة تولید الیاف HM-HT دشواریهایی را در بردارد. بجز در مورد کوپلیاسترها، پلیمرهای میلهای شکلسخت، فرایند دشواری دارند؛ زیرا قبل از آنکه ذوب شوند از لحاظ شیمیایی تجزیه میشوند و نیاز به حلالهای اسیدی قوی خواهند داشت. الیاف HMPE نقطة ذوب پائینی دارد که کاربرد آنرا محدود میسازد، متأسفانه راهی برای تولید الیاف خیلی آرایش یافته و نیز الیاف دارای زنجیره های کشیده از پلیآمیدها و پلیاسترها که به آسانی قابل تهیه و نیز از لحاظ نقطة ذوب درحد مناسبی باشند، یافت نشده است. تحقیقات اخیر نشان داده است که تار عنکبوت که یک لیف پروتئینی است، هنوز قویترین لیف شناخته شدهاست که افزایش طول پارگی بالاتری نسبت به الیافHM-HTدارد. البته مهندسی ژنتیک، دستیابی به تولید پروتئینهای مناسب را از طریق زیست مندهای (ارگانیسمهای) دیگر امکان پذیر ساختهاست ؛ اما مشکلی که باقی میماند کنترل نحوة قرارگیری مولکولها در هنگام ریسیدن الیاف جهت دستیابی به مستحکم ترین ساختار است .در مورد مقاومت حرارتی و شیمیایی در فصل های 8 و 9 بحث شده است. نکتة قابل ذکر از این فصول آنست که افزایش ماهیت آروماتیک زنجیره، افزایش سختی و نیز ارتقاء « بازده چینش تراکمی» و همچنین افزایش پایداری حرارتی لیف می شود. این خصوصیات نتیجة افزایش بازده نیروهای درون مولکولی و نیز افزایش انرژی برش پیوندهای زنجیره اصلی و در ضمن کاهش مقدار هیدروژن ( و از این رو کاهش اشتعال پذیری ) است.
1-2-3 ورقه های گرافیتی
مولکولهای بزرگ دو بعدی (2D) متعارف نیستند. واکنشگرهای تک عاملی مولکولهای کوچکی بدست میدهند. در مقابل، واکنشگرهای دو عاملی پلیمرهای خطی را حاصل میکنند و در نهایت واکنشگرهای سه عاملی یا بالاتر، اغلب شبکه های سه بعدی (3D) را می سازند. فقط یک هندسة ویژه از جهتهای پیوندی منجر به ایجاد ورقههای مولکولی میشود. گرافیت با یک شبکة مسطح ششضلعی از اتمهای کربن یک مثال ساده از این دست میباشد. همانگونه که در فصل 5 توضیح داده شده است، عملیات فرادمایی HT)) روی الیاف آلی تحت کشش، الیاف کربنی سخت و مستحکمی ایجاد میکند. که در آن ورقههای گرافیتی در جهت موازی با محور لیف آرایش یافتهاند. هرچند آرایشیافتگی کامل کریستالهای گرافیت میبایست بیشترین استحکام محوری و نیز بالاتری حدّ سختی را سبب شود اما از سوی دیگر چنین ساختاری بهعنوان یک لیف غیرقابل استفاده به نظر میرسد. زیرا خصوصیات عرضی می بایست آنقدر نامطلوب باشد که ورقهها روی هم بلغزند همچنانکه در گرافیت مغز مداد یا روان کننده ها اینگونه است. خوشبختانه برخی از بینظمی ها اجتناب ناپذیرند! و این باعث ایجاد چسبندگی جهت نگهداشتن الیاف در کنار هم میشود. نتایج تحقیقات نشان می دهد که مولهای بسیار متفاوتی از این بی نظمی ها وجود دارد. یک مثال قدیمی از این بی نظمی در شکل 1-3 نشان داده شده است. دیگری در شکل 5-11 مشاهده میگردد. فرم واقعی ساختار، بسته به شرایط فرآیند متفاوت است که این امر، امکان بهینه سازی الیاف را برای کاربردهای مختلف فراهم میکند؛ البته باتوجه به اینکه کدام یک از فاکتورهای استحکام بالا، سختی زیاد، رسانایی الکتریکی خوب، صرفة اقتصادی و یا سایر عوامل مهمترند. این ورقهها که غالباً در حالت چرخشی– لایهای و بدون ثبات عرضی گرافیت قرار گرفته اند، ترجیحا در جهت محوری لیف آرایش مییابند. در حالیکه در جهت عرضی در یک الگوی درهم تنیده خمیده میشوند. ضمناً این موضوع نشانگر آن است که به احتمال زیاد این ورقهها کامل نیستند بلکه امکان دارد حاوی تعدادی پیوندهای شیمیایی مازاد و اتصال دهنده به ورقههای دیگر باشند و یا حاوی موقعیتهایی باشند که در آنها، ورقة مورد نظر در یک انقطاع مولکولی به دو ورقه تقسیم می شود؛ همانطور که در شکل 1-4 دیده می شود.
1-2-4 شبکه های سه بعدی
شبکه های سه بعدی پلیمری بهعنوان رزینهای گرماسخت شناخته شده هستند. همانطور که در بخش
9-2 توضیح داده شده است، این شبکهها در فرم الیاف نیز قابل تولیداند. با این که این مواد سختند، اما تقسیم بار برای ایجاد استحکام کافی نیست. کاربرد این الیاف براساس مقاومت حرارتی آنهاست. لیکن شبکههای سهبعدی غیرآلی هر دو عامل سختی و استحکام را دارا میباشند و در ضمن کارایی فرادمایی را نیز ایجاد میکنند.
نمای ظاهری شبکههای غیرآلی کریستالی و آمورف در شکل 1-5 نشان داده شده است. البته اینها جلوههای متناظر دوبعدی از واقعیت سه بعدی هستند. چنین شبکهای در الیاف شیشه یافت میشود که در فصل ششم به آن پرداخته شده است. و نیز الیاف سرامیک که در فصل هفتم آمده است، چنین ساختاری دارد. غالبا چنین موادی، اکسیدها یا کربیدهای سیلیکون یا فلزات گوناگونند.
1-3خصوصیات مکانیکی متضاد
1-3-1 ایجاد پیوندهای جهت دار
تقسیمبندی ساختاری الیافHM-HT در سه گروه ، از تفاوتهای اساسی درخصوصیات مکانیکی آنها نشأت گرفته است که آن نیز خود منشأ در تفاوت استحکام پیوندها در جهات مختلف مولکول زنجیره دارد. در هر سه نوع الیاف، در امتداد لیف، زنجیرهای از پیوندهای کوالانس وجوددارد. بنابراین سختی محوری و همچنین استحکام بالاست؛ بجز در نقاط شبکهای سهبعدی آمورف که توزیع بار ضعیفی دارند و یا در نقاطی که آسیب سختی دیدهاند و باعث شکستگی لیف میشوند. اما فرق اصلی به خصوصیات عرضی این الیاف مربوط میشود. الیاف پلیمری خطی مدول عرضی و برشی کمی دارند در حالی که الیاف دارای شبکه سه بعدی، مقادیر بالایی دارند. این آثار کم کرنش نتیجة مستقیم ثبات بالای پیوندهای کوالانسی در مقابل نیروهای تحمیلی در مقایسه با مقادیر کم مربوط به پیوندهای واندروالس یا پیوندهای کمی محکمتر هیدروژنی و دیگر پیوندهای با برهمکنش الکترونی ذاتی است. این تفاوتها در مواجهه با آثار مخرب پیچیده تر است.