Kan jy dit glo? Die kernraamwerk van Olimpiese kampioene se rackets wat badmintonballe teen 300km/u kan afsit, Formule 1-motors met liggame wat versnelling van 0-100km/u in 2,3 sekondes uithou, selfs die buitekante van ruimtetuie wat deur die atmosfeer boor – hul heeltemal basis kom van die teruggeworpe 'swart residu' wat oorbly na olie-raffinering?
Vandag verdiep ons ons in die opmerklike opkoms van koolstofvesel, die 'tophond' van materialewetenskap. Ontdek hoe beskeie petroleumasfalt ongetalde toetse oorwin het om te verander in 'swart goud' wat meer werd is as silwer!
Hoekom word dit 'swart goud' genoem?
Voordat ons hierdie transformasiereis onderneem, moet ons eers 'n basiese vraag beantwoord: waarom word koolstofvesel dikwels met goud vergelyk?
(1) Sy prys is regtig 'goud-waardig': standaard koolstofvesel kos verskeie duisend yuan per kilogram, terwyl hoë-end lugvaartgraad koolstofvesel tot 20 000 yuan per kilogram kan haal – duurder as silwer (ongeveer 5 yuan per gram).
(2) Prestasie is formidabel: Dit weeg slegs 'n kwart van staal, maar het tien keer sy sterkte, weerstaan korrosie in sterk sure en bly nie bros by -180°C nie.
(3) Sy skaarsheid is werklik indrukwekkend: slegs 'n dosyn of so nasies wêreldwyd besit massaproduksietegnologie, met hoë-end koolstofvesel wat as 'n "strategiese materiaal" geklassifiseer word – wat dit moeilik maak om te verkry, selfs wanneer dit gewens word.
Hierdie "alrounder" kom van asfalt, 'n neweproduk van petroleumraffinering – soos om diamante uit kolehope te haal, met elke stap vol wonder.
Van Asfalt na Koolstofvesel: 'n Vyf-Stap 'Alkemiestaproses' Waar Geen Enkele Stap Oorgeslaan Kan Word Nie!
Stap Een: Materiaalkeuse — Die Kers van die Koring: Hoë-End Bitumen
Nie alle bitumen kan 'n terugkoms maak nie. Die bitumen wat ons gewoonlik vir padkonstruksie gebruik, bevat te veel onsuiverhede en het 'n lae koolstofinhoud, wat dit ongeskik maak. Slegs "spesiale-graad bitumen" met hoë suiwerheid, hoë koolstofinhoud (90%) en lae swawel- en metaalinhoud kan gebruik word vir koolstofveselproduksie.
Ingenieurs gebruik oplosmiddel-ekstraksie om die asfalt te "bad": dit in gespesialiseerde oplosmiddele onder te doop om onsuiverhede soos swawel, stikstof en swaar metale te filtreer, net soos wat sand gesif word. Destillasie verfyner dan die molekulêre struktuur, wat dit die potensiaal gee om tot filamente getrek te word en hoë temperature te weerstaan.
Hierdie fase lyk soos die keuring van atlete: slegs dié met 'n "sterk fondament" kan die daaropvolgende intensiewe opleiding weerstaan.
Stap Twee: Spin – die uittrek van "goue drade" wat tien keer fyners is as 'n haarstraand.
Die gezuiverde bitumen word verhit tot 200–300°C, wat dit in 'n heuningagtige, stroperige "smelt" verander. Hierdie smelt word dan deur 'n "spinneretplaat" gedwing wat vol klein gaatjies is—elk slegs 5–50 mikrometer in deursnee (vergelyk met 'n menslike hare se 50–100 mikrometer), fyners as 'n borduurnaald!
Die asfaltfilamente wat deur hierdie openinge geëkstrudeer word, word onmiddellik in koue water of gekoelde lug gedompel om te "koel en vas te stel", en sodoende voortdurende "asfaltfilamentstringe" te vorm. Hierdie stap vereis uitsonderlike tegniese vaardigheid: 'n effens hoër ekstrusiespoed laat die filamente breek; effens laer koeltemperatuure maak dit bros; selfs een enkele verstopte opening kan 'n hele bondel filamente onbruikbaar maak.
Mens kan dit vergelyk met "kunsmatige produksie van sieldanser-kokonne", behalwe dat die "filament" wat geëkstrudeer word tien keer fyners is as siedwol.
Stap Drie: Voor-oksidasie — Die filament aantrek met 'n "vuurvaste klere"
Ververs gespinde asfaltfilament is 'n delikate dingetjie: dit breek by die minste trek en vlam op by die minste vonkie. Om dit taai en veerkragtig te maak, is die eerste stap om dit vuurvastig te maak.
Die rou filament word in 'n oond geplaas wat verhit is tot 150-300°C, waar dit stadig oor 'n paar ure in lug verhit word. Tydens hierdie proses ontsnap waterstof- en suurstofelemente geleidelik uit die asfaltfilament. Sy molekulêre struktuur verander van lineêr na 'n netwerktoestand, en sy kleur verander van swart na donkerbruin. Wat belangrik is, word dit vuurvastig!
Hierdie stap kan absoluut nie oorgeslaan word nie: indien voor-oksidasie oorgeslaan word en daar dadelik na hoë-temperatuurverwerking oorgegaan word, sal die asfaltvesel dadelik brand, wat alle vorige pogings vrugteloos maak. Bovendien moet die verhittingstempo stadig wees; om dit te haastig, sal lei tot "onewevredige interne spanning" binne-in die vesel, wat skeure veroorsaak.
Stap Vier: Kalsinisering — Verfyning by hoë temperature om 'n "suiwer koolstofraamwerk" te produseer
Die rou filament, wat nou toegedek is met sy "vuurvaste klere", moet die "uiterste toets" binne die karboniseringsom ondergaan. Hierdie oond werk by temperature wat wissel van 1000 tot 1800°C en moet 'n suurstofvrye omgewing handhaaf (anders sou die koolstof in koolstofdioksied oksideer).
Onder hierdie ekstreme temperature ontsnap die laaste spore van nie-koolstofelemente (soos waterstof en stikstof) binne die filament as gasse. Wat oorbly, is byna suiwer koolstof (koolstofinhoud 90%), met 'n molekulêre struktuur wat herrangskik word in geordende "grafliker kristalle". Op hierdie stadium word die "asfaltfilament" formeel opgegradeer tot "koolstofveselprekursor"!
Die karboniserings temperatuur bepaal direk die waarde van koolstofvesel: gewone industriële gradering koolstofvesel kan by ongeveer 1000°C vervaardig word, terwyl lug- en ruimtevaartgradering temperature bo 2000°C vereis. Dit lei tot 'n meer geordende rangskikking van koolstofkristalle en 'n sterkte wat vele kere toeneem, wat natuurlik die prys laat styg.
Stap Vyf: Oppervlakbehandeling — Die Vestiging van Verbindings vir Koolstofvesel
Pas gekarboniseerde koolstofvesel het 'n oppervlak so glad soos glas, wat geneig is om te 'gly' wanneer dit met materiale soos hars of metaal verbind word – net soos twee gladde glasplate wat saamgedruk word, maar dan skielik loskom. Die behandelde koolstofvesel word dan in materiaal geweef (die koolstofveseldoek wat vroeër bespreek is) of in kort vesels gesny, en vorm so die "kerkskelet" van saamgestelde materiale.
Op hierdie stadium is die 2-3 maande lange "metamorfose"-reis wat met asfalt begin het, uiteindelik voltooi.
Hierdie min bekende feite is aan 90% van mense onbekend!
1. Nie alle koolstofvesel kom vanaf petroliumpits nie: langs petroliumpits kan poliakrilonitriel (PAN) en viskose vesel ook gebruik word om koolstofvesel te vervaardig. PAN-gebaseerde koolstofvesel maak 90% van wêreldproduksie uit, terwyl pitsgebaseerde koolstofvesel beter geskik is vir hoëprestasie, hoësterkte toepassings.
2. Die vervaardiging van een ton koolstofvesel verbruik 20 ton grondstowwe: vanaf pits tot koolstofvesel lê die opbrengs onder 5%. Geen wonder dit is so duur nie.
3. China het die monopolie verbreek: voorheen was hoëprestasie-koolstofvesel onder beheer van Europa, Amerika en Japan. Tans het China massaproduksie van T1100-graad koolstofvesel (lugvaartgradering) bereik, teen 'n prys wat 30% laer is as ingevoerde produk.
Watter koolstofvesel produkte het jy al teëgekom?
Koolstofvesel is eintlik glad nie verwyderd van ons daaglikse lewens nie: buite lugvaart en motorsport, word dit nou ingesluit in hoëprestasie fietsrame, drone-arme, en selfs mobiele foonomhulsels.
Het u al koolstofveselprodukte in u omgewing teëgekom? Of watter toekomstige toepassings sien u vir hierdie materiaal raak? Deel u gedagtes in die opmerkings!
Die onopvallende petroleumasfalt het oor verskeie maande 'n opmerklike omskepping ondergaan, en het ontwikkel tot die "swart goud" wat hoë-end vervaardiging moontlik maak. Agter hierdie verandering lê die onvermoeide soeke na millimeter-noukeurigheid deur ontelbare ingenieurs, sowel as die mensdom se voortdurende strewe om die grense van materialewetenskap te verbreed. Die volgende keer wat u 'n koolstofveselproduk teëkom, kan u dalk onthou: dit het eens begin as min meer as afvalpetroleumresidu.
Auteursreg © 2025 Zhangjiagang Weinuo Komposiete Beperk. Alle regte voorbehou
EN
