كيف يتحول الألياف الكربونية من النفط الخام/البيتومين إلى "الذهب الأسود"؟

هل يمكنك أن تصدق ذلك؟ الهيكل الأساسي لمضارب بطل الأولمبياد القادرة على ضرب الريشة بسرعة 300 كم/س، وسباقات الفورمولا 1 التي تتحمل أجسامها الانطلاق من 0 إلى 100 كم/س في 2.3 ثانية، وحتى الأغلفة الخارجية للصواريخ الفضائية التي تخترق الغلاف الجوي – جذورها كلها تنبع من 'البقايا السوداء' المهملة المتبقية بعد تكرير النفط؟

اليوم نتعمق في الارتفاع الاستثنائي لألياف الكربون، وهي 'النجمة المطلقة' في علم المواد. اكتشف كيف تغلبت ألياف الكربون المتواضعة المشتقة من القار البترولي على عدد لا يحصى من التحديات لتصبح 'الذهب الأسود' الذي يفوق قيمته قيمة الفضة!

لماذا تُسمى "الذهب الأسود"؟
قبل الشروع في هذه الرحلة التحولية، دعونا نتناول سؤالاً أساسياً: لماذا تُقارن ألياف الكربون غالباً بالذهب؟
(1) إن سعرها يستحق فعلاً أن يُوصف بـ'الذهبي': حيث تبلغ تكلفة ألياف الكربون القياسية عدة آلاف من اليوان لكل كيلوغرام، ويمكن لألياف الكربون عالية الجودة المستخدمة في مجال الطيران والفضاء أن تصل إلى 20,000 يوان لكل كيلوغرام – أي أكثر تكلفة من الفضة (حوالي 5 يوان للجرام).

(2) أداؤها مذهل: إذ تزن ربع وزن الصلب فقط، لكنها تمتلك قوة تفوقه بعشر مرات، كما أنها مقاومة للتآكل في الأحماض القوية ولا تصبح هشة حتى عند درجة حرارة -180°م.

(3) ندرتها حقيقية وفظيعة: لا تمتلك سوى اثني عشر دولة أو نحو ذلك حول العالم تقنية الإنتاج الجماعي، ويُصنف ألياف الكربون عالية الجودة كـ"مادة استراتيجية" – مما يجعل من الصعب الحصول عليها حتى عند الرغبة بذلك.

ينبع هذا "اللاعب الشامل" من القار، وهو منتج ثانوي لتنقية النفط الخام – تمامًا مثل استخراج الألماس من أكوام الفحم، حيث يمتلئ كل خطوة بالدهشة.

من القار إلى ألياف الكربون: عملية 'كيميائية' من خمس خطوات لا يمكن تجاوز خطوة واحدة منها!

الخطوة الأولى: اختيار المادة — أفضل ما في المحصول: بيتومين عالي الجودة
ليس كل البيتومين يمكنه العودة. فبيتومين الطرق الذي نستخدمه عادةً يحتوي على الكثير من الشوائب ومحتوى كربون منخفض، مما يجعله غير مناسب. ولا يمكن استخدام سوى "بيتومين درجة خاصة" ذو نقاء عالٍ ومحتوى كربون مرتفع (90٪) ومنخفض الكبريت والمعادن لإنتاج ألياف الكربون.

يستخدم المهندسون استخلاص المذيبات لـ"استحمام" الإسفلت: من خلال غمره في مذيبات متخصصة لإزالة الشوائب مثل الكبريت والنيتروجين والمعادن الثقيلة، تمامًا كما يُغربل الرمل. ثم يتم تنقية هيكله الجزيئي بواسطة التقطير، ما يمنحه القدرة على السحب إلى خيوط والتحمل درجات الحرارة العالية.

تشبه هذه المرحلة اختيار الرياضيين: ففقط أولئك الذين لديهم "أساس قوي" يمكنهم تحمل التدريب المكثف اللاحق.

الخطوة الثانية: الغزل — سحب "خيوط ذهبية" أدق بعشر مرات من شعرة الإنسان.
يُسخّن القار النقي إلى درجة حرارة تتراوح بين 200 و300°م، ليتحول إلى مادة لزجة تشبه العسل تُعرف بـ"المصهور". ثم يُضطهد هذا المصهور عبر لوحة تُسمى "بلاطة الرشح" مثقبة بعدد من الفتحات الصغيرة جدًا، يبلغ قطر كل منها 5–50 ميكرومترًا فقط (مقارنة بشعيرة الإنسان التي تتراوح بين 50–100 ميكرومتر)، أي أدق من إبرة التطريز!

تُغمر خيوط الإسفلت التي تُخرج من خلال هذه الفتحات فورًا في ماء بارد أو هواء مبرد لـ"التبريد والتماسك"، مشكلةً بذلك "خيوطًا مستمرة من خيوط الإسفلت". تتطلب هذه الخطوة مهارة تقنية استثنائية: إذ يؤدي ارتفاع طفيف في سرعة البثق إلى انقطاع الخيوط، بينما يجعل التبريد الأقل حرارةً قليلًا الخيوط هشة؛ بل وإن انسداد فتحة واحدة فقط يمكن أن يجعل دفعة الخيوط بأكملها غير قابلة للاستخدام.

قد يشبه البعض ذلك بـ"إنتاج أقمصة دودة القز اصطناعيًا"، باستثناء أن "الخيط" الذي يُبَرز أرفع بعشر مرات من الحرير.

الخطوة الثالثة: الأكسدة المسبقة — تغليف الخيط بـ"بدلة مقاومة للحريق"
إن خيط الإسفلت الطازج الممسوح يكون هشًا جدًا: ينقطع عند أدنى شد، ويشتعل نارًا عند أدنى شرارة. ولجعله قويًا ومرنًا، فإن أول خطوة هي جعله مقاومًا للحريق.

يتم وضع الخيط الخام في فرن تسخينه إلى درجة حرارة تتراوح بين 150 و300°م، حيث يُسخّن ببطء في الهواء لمدة عدة ساعات. خلال هذه العملية، تهرب تدريجيًا عناصر الهيدروجين والأكسجين من خيط القار. ويتحول هيكله الجزيئي من الحالة الخطية إلى حالة شبكة، كما يتغير لونه من الأسود إلى البني الداكن. والأهم من ذلك، أنه يصبح مقاومًا للحريق!

لا يمكن تخطي هذه الخطوة بأي حال: إن تخطي عملية الأكسدة المسبقة والانتقال مباشرة إلى المعالجة عند درجات حرارة عالية سيؤدي إلى اشتعال ألياف القار فورًا، مما يجعل كل الجهود السابقة بلا جدوى. علاوة على ذلك، يجب أن تكون سرعة التسخين بطيئة؛ إذ أن التعجيل بها يؤدي إلى "إجهاد داخلي غير متساوٍ" داخل الليف، ما يسبب تشققات.

الخطوة الرابعة: التكربن — تنقية عند درجات حرارة عالية لإنتاج "هيكل كربوني نقي"
يجب أن يخضع الخيط الخام، الذي اكتسى الآن بـ"الملابس المقاومة للحريق"، لـ"الاختبار النهائي" داخل فرن التكربن. يعمل هذا الفرن بدرجات حرارة تتراوح بين 1000 و1800°م ويجب أن يحافظ على بيئة خالية من الأكسجين (وإلا فإن الكربون سيتأكسد ليصبح ثاني أكسيد الكربون).

تحت هذه الدرجات الحرارية الشديدة، تهرب آخر آثار العناصر غير الكربونية (مثل الهيدروجين والنيتروجين) الموجودة داخل الخيط على شكل غازات. وما يتبقى هو كربون نقي تقريبًا (بمحتوى كربوني 90%)، حيث يعيد ترتيب هيكله الجزيئي إلى بلورات منظمة تشبه "الجرافيت". وفي هذه المرحلة، يتم رفع مستوى "الخيط القاروري" رسميًا إلى "سلف الليف الكربوني"!

تحدد درجة حرارة التكربن بشكل مباشر قيمة ألياف الكربون: يمكن إنتاج ألياف كربونية صناعية عادية عند حوالي 1000°م، في حين تتطلب الدرجة المستخدمة في الفضاء الجوي درجات حرارة تتجاوز 2000°م. وهذا يؤدي إلى ترتيب أكثر انتظاماً لystals الكربون وزيادة متعددة في القوة، مما يرفع السعر بشكل طبيعي.

الخطوة الخامسة: المعالجة السطحية — إقامة الروابط لألياف الكربون
يتميز سطح ألياف الكربون الطازجة بالتكربن بنعومة تشبه الزجاج، ما يجعلها تنزلق عند الالتصاق بمواد مثل الراتنج أو المعدن – تماماً مثل لوحي زجاج ناعمين يتم ضغطهما معاً ثم ينفصلان فجأة. بعد ذلك، تُنسج ألياف الكربون المعالجة إلى قماش (وهو القماش المصنوع من ألياف الكربون الذي ناقشناه سابقاً) أو تُقطع إلى ألياف قصيرة، مشكلة "الهيكل الأساسي" للمواد المركبة.
في هذه المرحلة، تكتمل رحلة التحوّل التي استغرقت شهرين إلى ثلاثة أشهر، والتي بدأت بالأسفلت أخيراً.

هذه الحقائق غير المعروفة لدى معظم الناس تظل مجهولة بالنسبة لـ 90٪ من الأشخاص!

ليست كل ألياف الكربون مشتقة من القطران البترولي: إلى جانب القطران البترولي، يمكن استخدام البولي أكريلونيتريل (PAN) والليف الصناعي (الفيكوز) أيضًا لإنتاج ألياف الكربون. ويُشكل ليف الكربون المستند إلى PAN نحو 90% من الإنتاج العالمي، في حين أن ليف الكربون المستند إلى القطران يتمتع بملاءمة أفضل للتطبيقات المتقدمة ذات القوة العالية.

إنتاج طن واحد من ألياف الكربون يستهلك 20 طنًا من المواد الخام: من القطران إلى ليف الكربون، تكون نسبة العائد أقل من 5%. لا عجب أنه مكلف جدًا.

لقد كسرت الصين الاحتكار: كانت أوروبا وأمريكا واليابان تهيمن سابقًا على إنتاج ألياف الكربون عالية الجودة. أما الآن، فقد نجحت الصين في الإنتاج الضخم لألياف الكربون من الدرجة T1100 (المخصصة للصناعات الجوية والفضائية)، وبسعر أقل بنسبة 30% من الواردات.

ما هو ليف الكربون منتجات هل واجهت من قبل؟
في الحقيقة، ليف الكربون ليس بعيدًا عن حياتنا اليومية: فبالإضافة إلى استخدامه في الفضاء الجوي وسباقات السيارات، أصبح الآن يُستخدم في هياكل الدراجات الفاخرة، وأذرع الطائرات المُسيرة، وحتى في أغلفة الهواتف المحمولة.

هل واجهت منتجات ألياف الكربون في محيطك؟ أو ما هي التطبيقات المستقبلية التي تتوقعها لهذا المATERIAL؟ شاركنا أفكارك في التعليقات!

خضع القار البترولي المتواضع لتحول ملحوظ على مدى عدة أشهر، ليصبح "الذهب الأسود" الذي يُشكل أساس التصنيع عالي المستوى. وراء هذا التحول تكمن السعي الحثيث لتحقيق دقة تصل إلى مستوى الملليمترات من قبل عدد لا يحصى من المهندسين، فضلاً عن سعي البشرية المستمر لدفع حدود علم المواد. في المرة القادمة التي تواجه فيها منتجًا من ألياف الكربون، قد تتذكر: إنه بدأ يومًا ما كبقايا بترولية لم تكن تُعدو أكثر من نفايات.