कार्बन फाइबर : अनुप्रयोग, चुनौतियां एवं समाधान

संदर्भ 

एलन मस्क ने हाल ही में बताया कि स्पेसएक्स ने अपने स्टारशिप रॉकेट निर्माण के लिए कार्बन फाइबर के विकल्प के रूप में स्टेनलेस स्टील को चुना है।

क्या होता है कार्बन फाइबर 

• कार्बन फाइबर कार्बन के पतले और मजबूत क्रिस्टलीय तंतुओं से बना होता है जो एक दूसरे से कसकर बंधे होते हैं, जिसके परिणामस्वरूप एक उच्च-शक्ति संरचना बनती है। 
• कार्बन फाइबर के परमाणुओं को क्रिस्टल की लंबी स्ट्रिंग में तैयार किया जाता है, जो एक जाली जैसी संरचना बनाते हैं।
• ये फाइबर मानव बाल से भी पतले (लगभग 5 से 10 माइक्रोमीटर व्यास) और हज़ारों गुना ज़्यादा मज़बूत होते हैं।
• कार्बन फाइबर न्यूनतम अशुद्धियों के साथ शुद्ध कार्बन से बना होता है, इसलिए इसे उच्च शुद्धता वाला पदार्थ माना जाता है।
• कार्बन फाइबर का निर्माण सबसे पहले 19 वीं सदी में थॉमस एडिसन और जोसेफ स्वान ने लाइट बल्ब में इस्तेमाल के लिए किया था।

कार्बन फाइबर के प्रमुख लाभ 

• वजन अनुपात से उच्च शक्ति (High strength-to-weight ratio): कार्बन फाइबर असाधारण रूप से मजबूत और हल्का होता है। 
  • स्टील जैसी सामग्रियों की तुलना अधिक तन्य शक्ति और कम वजन इसे  ऐसे अनुप्रयोगों के लिए एक आदर्श विकल्प बनाता है जहाँ वजन कम रखना महत्वपूर्ण होता है।
• कठोरता (Stiffness) : कार्बन फाइबर में उच्च कठोरता होती है, जिसका अर्थ है कि यह लगाए गए भार के तहत विरूपण का प्रतिरोध कर सकता है। 
  • यह गुण कार्बन फाइबर घटकों को अत्यधिक तनाव में भी आकार और संरचनात्मक अखंडता बनाए रखने की अनुमति देता है।
• कम घनत्व (Low density): कार्बन फाइबर का घनत्व कम होता है, जिसके परिणामस्वरूप हल्की संरचनाएँ बनती हैं। 
  • यह विशेषता एयरोस्पेस और ऑटोमोटिव जैसे उद्योग में उपयोगी है, जहाँ ईंधन दक्षता और समग्र प्रदर्शन को बढ़ाने के लिए वजन कम करना महत्वपूर्ण है।
• उत्कृष्ट थकान प्रतिरोध (Excellent fatigue resistance) : कार्बन फाइबर उत्कृष्ट थकान प्रतिरोध प्रदर्शित करता है, जिसका अर्थ है कि यह प्रदर्शन में महत्वपूर्ण गिरावट का अनुभव किए बिना बार-बार लोडिंग और अनलोडिंग चक्रों का सामना कर सकता है।
  • यह गुण इसे ऐसे अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त बनाता है जिनमें चक्रीय लोडिंग या कंपन शामिल है, जैसे कि खेल उपकरण।
• संक्षारण प्रतिरोध (Corrosion resistance) : कार्बन फाइबर संक्षारण के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी होता है और धातुओं के सामान जंग लगने इसका क्षरण नहीं होता है। 
  • यह विशेषता इसे ऐसे वातावरण में लाभप्रद बनाती है जहाँ नमी या रसायनों के संपर्क में आना चिंता का विषय है।
• तापीय स्थिरता (Thermal stability): कार्बन फाइबर एक उत्कृष्ट तापीय चालक है और उत्कृष्ट ताप प्रतिरोध प्रदान करता है, जिससे यह उच्च प्रदर्शन वाले वाहनों और एयरोस्पेस में ताप कवच (heat shields) और निकास प्रणाली बनाने जैसे अनुप्रयोगों के लिए आदर्श है।

कार्बन फाइबर के अनुप्रयोग 

• अंतरिक्ष उद्योग:  एयरोस्पेस और अंतरिक्ष क्षेत्रों में, कार्बन फाइबर का उपयोग विमान के घटकों, जिनमें पंख और संरचनात्मक तत्व शामिल हैं, में बड़े पैमाने पर किया जाता है, क्योंकि यह उत्कृष्ट शक्ति और वजन बचत प्रदान करता है।
• ऑटोमोटिव उद्योग : ऑटोमोटिव उद्योग ईंधन दक्षता बढ़ाने और संरचनात्मक अखंडता में सुधार के लिए उच्च प्रदर्शन वाले वाहनों में कार्बन फाइबर का उपयोग करता है ।
• समुद्री उद्योग : कार्बन फाइबर समुद्री उद्योग में प्रयुक्त होने वाली प्रमुख सामग्रियों में से एक है , जिसका उपयोग सुपरयाट, बचाव जहाजों आदि में किया जाता है।
• खेल उद्योग : खेल और मनोरंजन के उपकरण, जैसे साइकिल, टेनिस रैकेट और गोल्फ क्लब, कार्बन फाइबर के हल्केपन, मजबूती और कठोरता से लाभान्वित होते हैं।
• उर्जा क्षेत्र : नवीकरणीय ऊर्जा के क्षेत्र में , प्रदर्शन को अनुकूलतम बनाने के लिए पवन टरबाइन ब्लेडों में कार्बन फाइबर का उपयोग किया जाता है।
• चिकित्सा उद्योग : कार्बन फाइबर का उपयोग चिकित्सा उद्योग में उन्नत कृत्रिम अंगों में किया जाता है।
• रक्षा क्षेत्र : इसका उपयोग सैन्य और रक्षा क्षेत्र में भी किया जा सकता है , तथा बुलेटप्रूफ पुर्जे बनाने के अलावा अन्य अनेक कार्यों में भी इसका उपयोग किया जा सकता है।

कार्बन फाइबर से संबंधित चुनौतियां

• उच्च लागत (High cost) : कार्बन फाइबर उत्पादन में जटिल विनिर्माण प्रक्रियाएं और महंगे कच्चे माल शामिल होते हैं, जिससे यह स्टील या एल्यूमीनियम जैसी पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में महंगा हो जाता है।
• प्रभाव क्षति संवेदनशीलता (Impact damage susceptibility): जबकि कार्बन फाइबर अविश्वसनीय रूप से मजबूत है, यह प्रभाव क्षति के लिए अतिसंवेदनशील हो सकता है। एक भी प्रभाव संरचना में दरारें या विघटन पैदा कर सकता है, जिससे इसकी अखंडता कमजोर हो सकती है।
• पुनर्चक्रण में कठिनाई (Difficulty in recycling): कार्बन फाइबर कंपोजिट को उनकी जटिल संरचना के कारण पुनर्चक्रण करना चुनौतीपूर्ण है। वर्तमान पुनर्चक्रण विधियाँ सीमित हैं, जिससे पर्यावरण संबंधी चिंताएँ और कचरे का संभावित संचय होता है।
• सीमित मरम्मत (Limited reparability): धातुओं के विपरीत, क्षतिग्रस्त कार्बन फाइबर घटकों की मरम्मत एक जटिल और महंगी प्रक्रिया हो सकती है। व्यापक क्षति के लिए मरम्मत के बजाय पूर्ण प्रतिस्थापन की आवश्यकता हो सकती है, जिससे लागत बढ़ जाती है।
• विद्युत चालकता (Electrical conductivity): कार्बन फाइबर विद्युत चालक होता है। हालांकि यह कुछ अनुप्रयोगों में एक लाभ हो सकता है, लेकिन यह अन्य अनुप्रयोगों में समस्याएँ पैदा कर सकता है जहाँ विद्युत चालकता को नियंत्रित या अलग करने की आवश्यकता होती है।
• UV क्षरण (UV degradation): कार्बन फाइबर कंपोजिट लंबे समय तक सूर्य की रोशनी या UV विकिरण के संपर्क में रहने पर क्षरण का अनुभव कर सकते हैं। UV-प्रेरित क्षति को रोकने और सामग्री की अखंडता को बनाए रखने के लिए सुरक्षात्मक कोटिंग्स या फिनिशिंग की आवश्यकता हो सकती है।
• सीमित अग्नि प्रतिरोध (Limited fire resistance): कार्बन फाइबर ज्वलनशील होता है और धातुओं की तुलना में अधिक तापमान पर जलता है। इसके अग्नि प्रतिरोध गुणों को बढ़ाने के लिए अग्निरोधक उपाय या अग्निरोधी पदार्थ मिलाना आवश्यक हो सकता है।
• विनिर्माण के दौरान पर्यावरण पर प्रभाव (Environmental impact during manufacturing): कार्बन फाइबर की विनिर्माण प्रक्रिया में रसायनों का उपयोग और उच्च-ऊर्जा खपत शामिल है, जिसका पर्यावरण पर प्रभाव पड़ सकता है। 
• डिज़ाइन सीमाएँ (Design limitations): पारंपरिक सामग्रियों की तुलना में कार्बन फाइबर कंपोजिट में कुछ डिज़ाइन सीमाएँ हैं। उदाहरण के लिए, वे जटिल मोल्डिंग या फ़ॉर्मिंग प्रक्रियाओं की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त नहीं हो सकते हैं।

कार्बन फाइबर को अधिक व्यवहार्य बनाने के उपाय  

• लागत प्रभावी उत्पादन विधियों और वैकल्पिक पूर्ववर्ती सामग्रियों पर अनुसंधान।
• स्थायित्व में सुधार के लिए पुनर्चक्रण प्रौद्योगिकियों में प्रगति।
• गुणों को बढ़ाने के लिए कार्बन नैनोट्यूब और ग्रेफीन का एकीकरण।
• बेहतर प्रदर्शन के लिए कार्बन फाइबर संरचनाओं का अनुकूलन।
• नवीकरणीय ऊर्जा , इलेक्ट्रिक वाहन और अंतरिक्ष अन्वेषण में नवीन अनुप्रयोगों की खोज ।
• साथ ही, वैकल्पिक समाधान के नवाचार में निवेश की आवश्यकता है, 
  • उदाहरण के लिए स्पेस एक्स द्वारा स्टारशिप राकेट के निर्माण में कार्बन फाइबर के स्थान पर स्टेनलेस स्टील का प्रयोग किया गया है।