Carbon fiber क्या है?

कार्बन फाइबर एक हल्का, उच्च शक्ति वाला पदार्थ है जो क्रिस्टल संरेखण में एक साथ बंधे कार्बन परमाणुओं से बना है। यह अपने असाधारण ताकत-से-वजन अनुपात के लिए जाना जाता है और आमतौर पर एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव, खेल के सामान और अन्य उद्योगों में ऐसे घटकों को बनाने के लिए उपयोग किया जाता है जो मजबूत और हल्के दोनों होने चाहिए। इसके गुण इसे विमान के हिस्सों, साइकिल फ्रेम और यहां तक कि स्पोर्ट्स कारों के कुछ हिस्सों जैसे अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बनाते हैं। आज के हमारे इस लेख में हम लोग इस बारे में जानकारी लेंगे की कार्बन फाइबर का उपयोग एवं इसकी वैज्ञानिक संरचना के साथ-साथ Carbon fiber क्या है? इस बारे में भी जानकारी लेंगे।

What is Carbon fiber? – कार्बन फाइबर क्या है?

कार्बन फाइबर, जिसे अक्सर कुछ क्षेत्रों में “कार्बन फाइबर” कहा जाता है, एक मिश्रित सामग्री है जो अपनी असाधारण ताकत, कठोरता और कम वजन के लिए जानी जाती है। यह एक लंबी, पतली और कसकर पैक की गई क्रिस्टलीय संरचना में एक साथ बंधे कार्बन परमाणुओं से बना है।

कार्बन फाइबर का इतिहास एवं विकास – कार्बन फाइबर की खोज (19वीं सदी के अंत में): 19वीं सदी के अंत में, थॉमस एडिसन और सर जोसेफ स्वान ने गरमागरम प्रकाश बल्बों के लिए फिलामेंट्स में सुधार पर स्वतंत्र रूप से काम करते हुए कार्बन फाइबर की खोज की। उन्होंने पाया कि सेल्युलोज-आधारित फिलामेंट्स को कार्बोनाइज करके, वे छोटे कार्बन फाइबर का उत्पादन कर सकते हैं। हालाँकि, इन शुरुआती फ़ाइबरों का उपयोग प्रकाश बल्ब निर्माण के बाहर बड़े पैमाने पर नहीं किया गया था।

द्वितीय विश्व युद्ध और अनुसंधान (1930-1940): द्वितीय विश्व युद्ध के दौरान, शोधकर्ताओं ने सैन्य अनुप्रयोगों के लिए कार्बन फाइबर के साथ प्रयोग करना शुरू किया, जैसे रॉकेट नोजल और विमान घटकों के लिए सामग्री को मजबूत करना। हालाँकि, इस अवधि के दौरान ध्यान कांच और सिंथेटिक फाइबर जैसी अन्य सामग्रियों पर अधिक था।

1950-1960 के दशक में विकास: एक मजबूत और उपयोगी सामग्री के रूप में कार्बन फाइबर का वास्तविक विकास 1950 और 1960 के दशक में शुरू हुआ। यूनियन कार्बाइड में रोजर बेकन और जापान के तोहोकू विश्वविद्यालय में अकीओ शिंडो जैसे शोधकर्ताओं ने कार्बन फाइबर उत्पादन तकनीकों में महत्वपूर्ण प्रगति की है।

1960 और 1970 के दशक में कार्बन फाइबर का व्यावसायीकरण देखा गया। संयुक्त राज्य अमेरिका में यूनियन कार्बाइड और हरक्यूलिस इनकॉर्पोरेटेड ने इन फाइबर के विकास और उत्पादन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाई। उनके असाधारण ताकत-से-वजन अनुपात के कारण उन्हें एयरोस्पेस और सैन्य उद्योगों में आवेदन मिला। कार्बन फाइबर का उपयोग विमान घटकों, फॉर्मूला 1 रेसिंग कारों, खेल उपकरण और औद्योगिक मशीनरी सहित विभिन्न अनुप्रयोगों में किया जाने लगा।

21वीं सदी में कार्बन फाइबर का विकास जारी रहा। विनिर्माण तकनीकों में प्रगति और विभिन्न गुणों वाले नए प्रकार के कार्बन फाइबर के विकास ने इसके अनुप्रयोगों की सीमा का विस्तार किया।

हाल के वर्षों में, कार्बन फाइबर उत्पादन को अधिक टिकाऊ बनाने और कार्बन फाइबर कंपोजिट के लिए रीसाइक्लिंग विधियों को विकसित करने पर जोर बढ़ रहा है।

आज, कार्बन फाइबर कई उद्योगों में एक महत्वपूर्ण सामग्री है, जो अपने हल्के और उच्च शक्ति गुणों के लिए जाना जाता है। इसके अनुप्रयोग एयरोस्पेस और ऑटोमोटिव से लेकर खेल के सामान और बुनियादी ढांचे तक हैं। कार्बन फाइबर का इतिहास प्रयोगशाला की जिज्ञासा से आधुनिक प्रौद्योगिकी में बहुमुखी और व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली सामग्री तक इसकी यात्रा को दर्शाता है।

Structure of Carbon fiber – कार्बन फाइबर की संरचना

कार्बन फाइबर की संरचना कार्बन परमाणुओं की उच्च क्रमबद्ध व्यवस्था की विशेषता है, जो इसे इसकी असाधारण ताकत और अन्य अद्वितीय गुण प्रदान करती है। यहां इसकी संरचना का सरलीकृत विवरण दिया गया है:

• कार्बन परमाणु: कार्बन फाइबर मुख्य रूप से कार्बन परमाणुओं (सी) से बने होते हैं। ये परमाणु एक क्रिस्टलीय संरचना में एक साथ बंधे होते हैं।
• ग्रेफाइटिक संरचना: कार्बन फाइबर में कार्बन परमाणु ग्रेफाइट की संरचना के समान हेक्सागोनल पैटर्न में व्यवस्थित होते हैं। इस षट्कोणीय व्यवस्था को “ग्राफ़िक संरचना” के रूप में जाना जाता है।
• कार्बन शीट की परतें: ये हेक्सागोनल कार्बन रिंग कार्बन परमाणुओं की शीट बनाती हैं, जिन्हें ग्राफीन शीट के रूप में जाना जाता है। कार्बन फाइबर में, ग्राफीन शीट की कई परतें एक दूसरे के ऊपर खड़ी होती हैं।
• बांड: प्रत्येक ग्राफीन शीट के भीतर कार्बन परमाणु मजबूत सहसंयोजक बांड द्वारा एक साथ बंधे होते हैं। ये बंधन असाधारण संरचनात्मक स्थिरता और मजबूती प्रदान करते हैं।
• अंतर-आणविक बल: वैन डेर वाल्स बल या कमजोर अंतर-आणविक बल ग्राफीन शीट की परतों के बीच मौजूद होते हैं। ये बल परतों को कुछ हद तक एक-दूसरे से आगे बढ़ने की अनुमति देते हैं, जो फाइबर के लचीलेपन में योगदान देता है।
• अभिविन्यास: कार्बन फाइबर निर्माण के महत्वपूर्ण पहलुओं में से एक इन ग्राफीन परतों के अभिविन्यास को नियंत्रित करना है। फाइबर की लंबाई के साथ परतों का संरेखण इसके गुणों को निर्धारित करने में महत्वपूर्ण है।
• फाइबर निर्माण: कार्बन फाइबर बनाने के लिए, पूर्ववर्ती सामग्री (आमतौर पर पॉलीएक्रिलोनिट्राइल या पैन, रेयान, या पेट्रोलियम पिच) को गर्म किया जाता है और इस तरह से संसाधित किया जाता है कि वे कार्बन परमाणुओं में बदल जाते हैं, और फिर उन्हें फाइबर में फैलाया जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान, कार्बन परमाणु स्वयं को ग्रेफाइटिक संरचना में व्यवस्थित करते हैं।
• क्रिस्टलीय संरचना: परिणामी कार्बन फाइबर में अत्यधिक क्रिस्टलीय संरचना होती है, जिसमें ग्राफीन शीट की परतें फाइबर की धुरी के समानांतर चलती हैं। परतों का यह संरेखण फाइबर की लंबाई के साथ उच्च तन्यता ताकत प्रदान करता है।
• अनाकार क्षेत्र: जबकि अधिकांश कार्बन फाइबर में क्रिस्टलीय संरचना होती है, सामग्री के भीतर कुछ अनाकार, अव्यवस्थित क्षेत्र भी हो सकते हैं। ये क्षेत्र लचीलेपन जैसे गुणों को प्रभावित कर सकते हैं।
• गुण: कार्बन फाइबर में कार्बन परमाणुओं की अनूठी व्यवस्था के परिणामस्वरूप इसके असाधारण गुण होते हैं, जिनमें उच्च शक्ति, कठोरता, कम वजन और तापमान और रसायनों के प्रतिरोध शामिल हैं।

संक्षेप में, कार्बन फाइबर की संरचना को ग्रेफाइटिक संरचना में कार्बन परमाणुओं की उच्च क्रमबद्ध व्यवस्था की विशेषता है। यह संरचना, विनिर्माण के दौरान फाइबर अभिविन्यास के सावधानीपूर्वक नियंत्रण के साथ, कार्बन फाइबर को इसके उल्लेखनीय गुण प्रदान करती है, जिससे यह विभिन्न उद्योगों में एक मूल्यवान सामग्री बन जाती है।

Specifications of Carbon fibre – कार्बन फाइबर की विशेषता

कार्बन फाइबर की विशिष्टताएं प्रयुक्त पूर्ववर्ती सामग्री के प्रकार, विनिर्माण प्रक्रिया और लागू किए गए किसी भी अतिरिक्त उपचार जैसे कारकों के आधार पर काफी भिन्न हो सकती हैं। हालाँकि, यहाँ कुछ सामान्य विशिष्टताएँ और गुण हैं जो आमतौर पर कार्बन फाइबर से जुड़े होते हैं:

1. तन्य शक्ति: कार्बन फाइबर अपनी असाधारण तन्य शक्ति के लिए जाना जाता है, जो 3000 एमपीए (मेगापास्कल) से 7000 एमपीए या अधिक तक हो सकती है। यह इसे समान वजन के स्टील से कई गुना अधिक मजबूत बनाता है।
2. घनत्व: कार्बन फाइबर बहुत हल्का होता है, जिसका घनत्व आमतौर पर 1.5 ग्राम/सेमी³ से 1.8 ग्राम/सेमी³ तक होता है, जो स्टील या एल्यूमीनियम जैसी धातुओं की तुलना में बहुत कम है।
3. यंग मापांक: इसमें उच्च यंग मापांक है, जो इसकी कठोरता को दर्शाता है। फाइबर के ग्रेड और उपचार के आधार पर मान 200 GPa से 700 GPa तक होते हैं।
4. टूटने पर बढ़ाव: कुछ सामग्रियों की तुलना में कार्बन फाइबर अपेक्षाकृत भंगुर होता है। टूटने पर इसका बढ़ाव आमतौर पर 1% से 2% के आसपास होता है, जिसका अर्थ है कि टूटने से पहले यह ज्यादा विकृत नहीं होता है।
5. तापीय चालकता: कार्बन फाइबर कम तापीय चालकता प्रदर्शित करता है, जिसका अर्थ है कि यह बहुत अच्छी तरह से गर्मी का संचालन नहीं करता है। यह संपत्ति कुछ अनुप्रयोगों में फायदेमंद हो सकती है।
6. विद्युत चालकता: कार्बन फाइबर आम तौर पर विद्युत प्रवाहकीय होता है, लेकिन कुछ उपचार इसे गैर-प्रवाहकीय बना सकते हैं।
7. रासायनिक प्रतिरोध: यह अम्ल और क्षार सहित कई रसायनों के प्रति प्रतिरोधी है, जो इसे कठोर वातावरण में उपयोग के लिए उपयुक्त बनाता है।
8. थर्मल विस्तार गुणांक (सीटीई): कार्बन फाइबर में थर्मल विस्तार का गुणांक कम होता है, जिसका अर्थ है कि यह तापमान परिवर्तन के साथ ज्यादा विस्तार या अनुबंध नहीं करता है।
9. प्रतिरोध: कार्बन फाइबर में थकान प्रतिरोध अच्छा होता है, लेकिन यह दोहराए जाने वाले तनाव से क्षति के लिए अतिसंवेदनशील हो सकता है, खासकर जब कंपोजिट में अन्य सामग्रियों के साथ मिलाया जाता है।
10. उपस्थिति: कार्बन फाइबर में आमतौर पर चमकदार काली उपस्थिति होती है, जो कई लोगों को सौंदर्य की दृष्टि से आकर्षक लगती है।
11. प्रकार और ग्रेड: कार्बन फाइबर विभिन्न गुणों के साथ विभिन्न प्रकार और ग्रेड में आता है। सामान्य प्रकारों में मानक मापांक, मध्यवर्ती मापांक, उच्च मापांक और अति-उच्च मापांक शामिल हैं, प्रत्येक में अलग-अलग कठोरता और ताकत होती है।
12. फाइबर व्यास: कार्बन फाइबर का व्यास अलग-अलग हो सकता है, लेकिन यह आमतौर पर 5 से 10 माइक्रोमीटर की सीमा में होता है।
13. अनुप्रयोग: कार्बन फाइबर का उपयोग एयरोस्पेस घटकों से लेकर ऑटोमोटिव पार्ट्स, खेल उपकरण और औद्योगिक मशीनरी तक कई प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है।
14. लागत: कार्बन फाइबर की लागत गुणवत्ता, प्रकार और विनिर्माण प्रक्रिया के आधार पर काफी भिन्न हो सकती है। यह आमतौर पर कई अन्य सामग्रियों की तुलना में अधिक महंगा है।
15. पर्यावरणीय विचार: कार्बन फाइबर उत्पादन के पर्यावरणीय प्रभाव और टिकाऊ विनिर्माण प्रक्रियाओं और रीसाइक्लिंग विधियों की आवश्यकता पर ध्यान बढ़ रहा है।

ध्यान रखें कि ये विशिष्टताएँ सामान्य दिशानिर्देश हैं, और कार्बन फाइबर के विशिष्ट गुण निर्माता और इच्छित अनुप्रयोग के आधार पर भिन्न हो सकते हैं। इंजीनियर और डिज़ाइनर अपने प्रोजेक्ट की ताकत, वजन, कठोरता और अन्य गुणों की आवश्यकताओं के आधार पर कार्बन फाइबर ग्रेड और प्रकार चुनते हैं।

Why Carbon fibre used in bike and cars – कार्बन फाइबर का इस्तेमाल बाइक और कर में क्यों किया जाता है?

कार्बन फाइबर का उपयोग बाइक और कारों में कई प्रमुख कारणों से किया जाता है:

• हल्का वजन: उच्च शक्ति बनाए रखते हुए कार्बन फाइबर असाधारण रूप से हल्का होता है। यह संपत्ति बाइक और कार दोनों के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह वाहन के समग्र वजन को कम करने में मदद करती है। साइकिल चलाने में, हल्की बाइक चलाना आसान होता है और पैडल चलाने में कम प्रयास की आवश्यकता होती है। कारों में, कम वजन से ईंधन दक्षता और हैंडलिंग में सुधार हो सकता है।
• ताकत और कठोरता: कार्बन फाइबर एक उत्कृष्ट ताकत-से-वजन अनुपात और उच्च कठोरता प्रदान करता है। बाइक में, इससे सवार से पहियों तक पावर ट्रांसफर में वृद्धि होती है, जिसके परिणामस्वरूप प्रदर्शन में सुधार होता है। कारों में, कार्बन फाइबर घटक संरचनात्मक कठोरता और सुरक्षा को बढ़ा सकते हैं।
• वायुगतिकीय: कार्बन फाइबर को आसानी से वायुगतिकीय आकार में ढाला जा सकता है, जो इसे चिकना, सुव्यवस्थित फ्रेम और बॉडी पैनल डिजाइन करने के लिए आदर्श बनाता है। साइकिल चलाने में, इससे वायु प्रतिरोध कम हो जाता है, जिससे सवारों को तेजी से चलने की अनुमति मिलती है। कारों में, यह ड्रैग को कम करके ईंधन दक्षता को बढ़ाता है।
• कंपन डंपिंग: कार्बन फाइबर में प्राकृतिक कंपन-अवमंदन गुण होते हैं, जो बाइक में एक आसान और अधिक आरामदायक सवारी और कारों में एक शांत, अधिक परिष्कृत अनुभव प्रदान कर सकता है।
• अनुकूलन: कार्बन फाइबर को स्टील या एल्यूमीनियम जैसी पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में अधिक आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है। यह निर्माताओं को विशिष्ट प्रदर्शन विशेषताओं और सौंदर्यशास्त्र के लिए सामग्री को तैयार करने की अनुमति देता है।
• संक्षारण प्रतिरोध: धातुओं के विपरीत, कार्बन फाइबर संक्षारण नहीं करता है, जिससे यह बाइक और कार घटकों में बाहरी उपयोग के लिए एक टिकाऊ विकल्प बन जाता है।
• उच्च-प्रदर्शन अनुप्रयोग: कार्बन फाइबर का उपयोग अक्सर उच्च-प्रदर्शन और रेसिंग बाइक और कारों में किया जाता है जहां वजन का प्रत्येक ग्राम और दूसरे का हर अंश मायने रखता है। इसके बेहतर गुण इन संदर्भों में प्रतिस्पर्धात्मक बढ़त प्रदान कर सकते हैं।
• डिज़ाइन लचीलापन: कार्बन फाइबर को जटिल आकार में ढाला जा सकता है, जो बाइक और कार दोनों में अद्वितीय और वायुगतिकीय डिज़ाइन बनाने के लिए विशेष रूप से उपयोगी है।
• ईंधन की खपत में कमी: ऑटोमोबाइल में, बॉडी पैनल, चेसिस घटकों और आंतरिक भागों में कार्बन फाइबर के उपयोग से वाहन के समग्र वजन को कम करने में मदद मिल सकती है, जिससे ईंधन दक्षता में सुधार हो सकता है।
• विलासिता और विशिष्टता: हाई-एंड और लक्जरी कारों में, कार्बन फाइबर का उपयोग अक्सर आंतरिक ट्रिम टुकड़ों के लिए किया जाता है, जिससे वाहन में विलासिता और विशिष्टता की भावना जुड़ जाती है।

जबकि कार्बन फाइबर कई फायदे प्रदान करता है, यह ध्यान देने योग्य है कि स्टील और एल्यूमीनियम जैसी पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में इसका निर्माण और मरम्मत करना अधिक महंगा हो सकता है। इसलिए, इसका उपयोग अक्सर बाइक और ऑटोमोटिव बाजारों के प्रीमियम और उच्च-प्रदर्शन खंडों में अधिक प्रचलित है।