ما هو الألياف الكربونية؟ وما الذي يجعل هذا "نجم المواد" جيدًا إلى هذا الحد؟

عندما تُذكر الألياف الكربونية، قد تكون قد سمعت عنها في أخبار - سهام الصواريخ، وهياكل القطارات فائقة السرعة، والطائرات المُسيرة، وأغلفة السيارات السباقية، وحتى مضارب الريشة الراقية، جميعها تحمل بصمته. هذا المفهوم الذي يبدو وكأنه "تكنولوجيا سوداء" مليئة بالمواد، ما هو في النهاية؟ اليوم سنستخدم أبسط الكلمات لتوصيفك نجم عالم المواد.

الألياف الكربونية، في جوهرها "خيوط كربونية فائقة"

باختصار، الألياف الكربونية هي ليف بوليمر غير عضوي يحتوي على 90٪ أو أكثر من الكربون. وهي ليست معدنًا ولا بلاستيكًا، بل هي "بلورة كربون" — خيط أسود يتكون من خلال عملية خاصة للكربنة عند درجات حرارة عالية للألياف العضوية (مثل البولي أكريلونيتريل والقطران) لإزالة الشوائب.

المظهر: بنسبة قطر تتراوح بين 5 و10 ميكرونات فقط (حوالي 1/10 من شعرة الإنسان)، تبدو للمجرد النظر كأنها خيط قطني أو صوف أسود، لكنها عند اللمس تكون أكثر "صلابة" من سلك الحديد.

الخصائص: "خفيفة، قوية، مقاومة، مستقرة".

(1) قوتها تساوي 7 إلى 9 أضعاف قوة الفولاذ، ومرونتها تفوق بكثير ألياف الزجاج؛
(2) كثافة لا تتجاوز 1.7 غ/سم³، أخف من الألومنيوم (كثافة الألومنيوم 2.7 غ/سم³)
(3) مقاومة عالية للحرارة (لا تنصهر عند درجات حرارة تزيد عن 2000 ℃)، ومقاومة للتآكل (غير معرضة لتأثير الأحماض والقواعد)، وغير موصلة للكهرباء (يمكن جعلها موصلة بالمعالجة الخاصة).

الأداء "شديد الانطلاق": خفيف بشكل سخيف وصلب بشكل مدهش

تستند عظمة ألياف الكربون إلى ثلاث ميزات أساسية:

（1）خفة الريشة، لكنها أقوى من الفولاذ：

الكثافة لا تتجاوز 1.7-2.0 غ/سم³ (ربع كثافة الفولاذ، وثلثي كثافة سبائك الألومنيوم)، ولكن قوة الشد يمكن أن تصل إلى 3000-7000 ميجا باسكال (أكثر من 10 مرات من الفولاذ)، ويمكن لحبل من ألياف الكربون بسُمك إصبع رفع سيارات تزن عدة أطنان.

（2）صلابة فائقة، مستقرة كالصخر:

معامل المرونة (مقياس للصلابة) يصل إلى 200-600 جيجا باسكال، ولا يكاد يحدث له أي تشوه عند التحميل، ويُستخدم كدعامة للأقمار الصناعية للحفاظ على وضع دقيق في الفضاء.

（3）خصائص "مقاومة البناء" مشغّلة بالكامل:

مقاومة عالية للحرارة (في بيئة خاملة تصل إلى 2000 ℃)، ومقاومة للأحماض والقلويات (البحر لا يتآكله على مدى عقود)، ومقاومة للإجهاد (لا ينكسر بسهولة تحت قوى متكررة)، أمامه يجب أن "تستسلم" المعادن.

لماذا يُعتبر الألياف الكربونية "مادة استراتيجية وطنية"؟

يُعد إنتاج الألياف الكربونية صعبًا للغاية، ولا توجد سوى بضع دول في العالم قادرة على إنتاج ألياف كربونية متقدمة بكميات كبيرة (الصين واليابان والولايات المتحدة بشكل رئيسي). إنها ليست فقط "حجر الأساس" للتصنيع المتقدم، بل ترتبط أيضًا بمجالات جوهرية مثل الفضاء الجوي والأمن الدفاعي.

على سبيل المثال، في المجال العسكري، يمكن استخدام الألياف الكربونية لتصنيع هياكل الطائرات الشبحية (امتصاص الموجات)، وأجسام الصواريخ (التخفيض من الوزن لزيادة المدى)؛ وفي مجال الطاقة الجديدة، كلما كانت شفرة توربين الرياح أطول، زادت كفاءة توليد الكهرباء، ويمكن فقط للألياف الكربونية دعم شفرات العملاقة التي تبلغ طولها مئة متر.
في السنوات الأخيرة، حقق قطاع الألياف الكربونية في الصين تقدماً سريعاً، من الاعتماد على الاستيراد إلى تحقيق الإنتاج الجماعي المستقل، بل واحتلال موقع مهيمن في السوق العالمية في بعض المجالات (مثل طاقة الرياح، والسلع الرياضية).

كيف تُصنع الألياف الكربونية؟

تستند عظمة ألياف الكربون إلى ثلاث ميزات أساسية:

（1）تحضير الخيط الأولي

تُستخدم مواد خام مثل البولي أكريلونيتريل (PAN) والفحم القاري، والتي تمر عبر عملية الغزل لإنتاج "الحرير الخام" (تشبه ألياف الأقمشة الكيميائية). هذه الخطوة هي الأساس، حيث يحدد جودة الحرير الخام مباشرة أداء الألياف الكربونية (وقد عانت الصين من توقف في هذه المرحلة لفترة طويلة).

（2）التخليق الكربوني

يتم تسخين الحرير الخام تدريجياً إلى درجات حرارة تتراوح بين 1000 و3000 درجة مئوية في غاز خامل (لمنع الاشتعال)، مما يؤدي إلى إزالة عناصر مثل الهيدروجين والأكسجين، ويترك فقط جزيئات الكربون. بعد هذه الخطوة، يرتفع محتوى الكربون في الليفة من 50٪ إلى أكثر من 90٪، ما يزيد بشكل كبير من قوتها وصلابتها.

（3）المعالجة اللاحقة

حسبما يعتمد على التطبيق ، تُنسج ألياف الكربون في قماش، أو تُلف في أنابيب، أو تُدمج مع الراتنجات أو المعادن وما إلى ذلك لصنع "المركبات الليفية الكربونية" (مثل ما نسميه غالبًا "ألواح الألياف الكربونية" و"أنابيب الألياف الكربونية").

【معلومة غريبة عن الألياف الكربونية】

س: لماذا هي سوداء؟
ج: تمتص هياكل الجرافيت تقريبًا كل الضوء المرئي.

س: هل تخشى النار؟
ج: تبدأ الأكسدة عند درجة حرارة 400°م في الهواء، لكن الكبسولة تستخدمها كدرع حراري.

س: هل يمكن إعادة تدويرها؟
ج: قامت شركة بي إم دبليو بجعل إعادة تدوير أجزاء السيارات من مخلفات الألياف الكربونية أمرًا ممكنًا.