Τι είναι η άνθρακας ίνα; Τι κάνει αυτό το «αστέρι των υλικών» τόσο καλό;

Όταν πρόκειται για άνθρακα ίνα, ίσως να το έχετε ακούσει στα νέα - βέλη πυραύλων, αμαξώματα ταχείας σιδηροδρομικής μεταφοράς, drones, αμαξώματα αγωνιστικών αυτοκινήτων και ακόμη και επαγγελματικές ρακέτες μπαντμίντον έχουν το ίχνος του. Αυτή η πλήρης «μαύρη τεχνολογία» με υλικά, τελικά τι είναι; Σήμερα, με τους πιο κοινούς όρους, για να σας εισαγάγουμε στον «αστέρα του κόσμου των υλικών».

Ίνες άνθρακα, ουσιαστικά «υπερ-νήματα άνθρακα»

Με απλά λόγια, οι ίνες άνθρακα είναι ανόργανα πολυμερή νήματα που περιέχουν άνθρακα έως 90% ή περισσότερο. Δεν είναι ούτε μέταλλο ούτε πλαστικό, αλλά ένα «κρύσταλλο άνθρακα» — ένα μαύρο νήμα που δημιουργείται μέσω ειδικής διαδικασίας ανθρακοποίησης οργανικών ινών (όπως το πολυακρυλονιτρίλιο και το πετρελαικό άσφαλτο) σε υψηλές θερμοκρασίες για την αφαίρεση προσμίξεων.

Εμφάνιση: διαμέτρου μόλις 5-10 μικρομέτρων (περίπου 1/10 της τρίχας), με γυμνό μάτι μοιάζει με μαύρο νήμα ή μαλλί, αλλά στην αφή είναι πιο «σκληρό» από σύρμα σιδήρου.

Χαρακτηριστικά: «Ελαφρύ, δυνατό, ανθεκτικό, σταθερό».

(1) Η αντοχή του είναι 7-9 φορές αυτή του χάλυβα, η ολκιμότητα του είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή της γυάλινης ίνας·
(2) Πυκνότητα μόλις 1,7g/cm³, ελαφρύτερο από το αλουμίνιο (πυκνότητα αλουμινίου 2,7g/cm³)
(3) Ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες (δεν τήκεται πάνω από 2000 ℃), ανθεκτικότητα σε διάβρωση (δεν φοβάται ούτε οξέα ούτε αλκάλια), μη αγώγιμο (με ειδική επεξεργασία μπορεί να γίνει αγώγιμο).

Απόδοση «ανάβει-σβήνει»: ανόητα ελαφρύ και εκπληκτικά σκληρό

Η σπουδαιότητα των ινών άνθρακα όλη της «υποστηρίζεται» από τρεις βασικά πλεονεκτήματα:

（1）Ελαφρύ σαν φτερό, αλλά ισχυρότερο από το χάλυβα：

Η πυκνότητα είναι μόνο 1,7-2,0g/cm³ (1/4 του χάλυβα, 2/3 του κράματος αλουμινίου), αλλά η εφελκυστική αντοχή μπορεί να φτάσει τα 3000-7000MPa (περισσότερο από 10 φορές από το χάλυβα), και ένα σχοινί από ίνες άνθρακα πάχους δακτύλου μπορεί να σηκώσει αυτοκίνητα μερικών τόνων.

（2）Άκαμπτο σαν έκρηξη, σταθερό σαν βράχος:

Το μέτρο ελαστικότητας (ένα μέτρο της ακαμψίας) φτάνει τα 200-600GPa, σχεδόν χωρίς παραμόρφωση όταν υπόκειται σε δύναμη, και χρησιμοποιώντας το ως στήριξη για δορυφόρο, μπορεί να διατηρήσει ακριβή στάση στο διάστημα.

（3）Τα χαρακτηριστικά "ανθεκτικότητας" ενεργοποιούνται πλήρως:

Ανθεκτικότητα σε υψηλές θερμοκρασίες (σε αδρανές περιβάλλον μέχρι 2000 ℃), ανθεκτικότητα σε οξέα και αλκάλια (στη θάλασσα δεν διαβρώνεται για δεκαετίες), αντοχή σε κόπωση (επαναλαμβανόμενες δυνάμεις δεν το σπάνε εύκολα), έναντι του οποίου ακόμη και τα μέταλλα «υποχωρούν».

Γιατί η άνθρακας ίνα θεωρείται «στρατηγικό υλικό εθνικής σημασίας»;

Η παραγωγή ινών άνθρακα είναι εξαιρετικά δύσκολη, και μόνο λίγες χώρες στον κόσμο μπορούν να παράγουν μαζικά υψηλής ποιότητας ίνες άνθρακα (κυρίως Κίνα, Ιαπωνία και Ηνωμένες Πολιτείες). Δεν αποτελεί μόνο το «θεμέλιο λίθο» της υψηλής τεχνολογίας βιομηχανίας, αλλά αφορά επίσης κρίσιμους τομείς όπως η αεροδιαστημική και η αμυντική ασφάλεια.

Για παράδειγμα, στον στρατιωτικό τομέα, οι ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή του αμφισκελούς αεροσκαφών stealth (απορρόφηση κυμάτων), του σώματος πυραύλων (ελαφρύτερος για αύξηση της εμβέλειας). Στον τομέα των νέων πηγών ενέργειας, όσο μεγαλύτερη είναι η πτερωτή της ανεμογεννήτριας, τόσο υψηλότερη είναι η απόδοση παραγωγής ενέργειας, και μόνο οι ίνες άνθρακα μπορούν να υποστηρίξουν πτερωτές μήκους 100 μέτρων.
Τα τελευταία χρόνια, η βιομηχανία των ανθρακονημάτων της Κίνας σημείωσε γρήγορη πρόοδο, μεταβαίνοντας από εξάρτηση σε εισαγωγές σε ανεξάρτητη μαζική παραγωγή, και ακόμη και σε ορισμένους τομείς (όπως αιολική ενέργεια, αθλητικά είδη) κατέχει κυρίαρχη θέση στην παγκόσμια αγορά.

Πώς «κατασκευάζεται» το ανθρακονήμα;

Η σπουδαιότητα των ινών άνθρακα όλη της «υποστηρίζεται» από τρεις βασικά πλεονεκτήματα:

（1）Προετοιμασία πρωτογενούς νήματος

Το πολυακρυλονιτρίλιο (PAN), η πίσσα και άλλες πρώτες ύλες, μέσω διεργασίας βαφής, παράγουν «ωμό μετάξι» (παρόμοιο με τις χημικές ίνες). Αυτό το βήμα αποτελεί τη βάση, και η ποιότητα του ωμού μεταξιού καθορίζει άμεσα την απόδοση του ανθρακονήματος (η Κίνα είχε «κολλήσει» σε αυτό το στάδιο για μεγάλο χρονικό διάστημα).

（2）Ανθρακοποίηση

Το ωμό μετάξι θερμαίνεται σταδιακά σε θερμοκρασίες 1.000-3.000 βαθμών Κελσίου σε αδρανές αέριο (για να αποφευχθεί η καύση), με αποτέλεσμα την αφαίρεση στοιχείων όπως το υδρογόνο και το οξυγόνο, αφήνοντας μόνο τα μόρια άνθρακα. Μετά από αυτό το στάδιο, το περιεχόμενο άνθρακα της ίνας αυξάνεται από 50% σε περισσότερο από 90%, με αποτέλεσμα τη δραματική αύξηση της αντοχής και της σκληρότητάς της.

（3）Μετα-επεξεργασία

Εξαρτάται από το εφαρμογή , τα ινώδη υλικά άνθρακα υφαίνονται σε ύφασμα, τυλίγονται σε σωλήνες ή συνδυάζονται με ρητίνες, μέταλλα κ.λπ., για να δημιουργηθούν «σύνθετα υλικά άνθρακα» (όπως αυτά που συχνά αποκαλούμε «πλακέτες άνθρακα» και «σωλήνες άνθρακα»).

【Μυστικά του Άνθρακα】

Ε: Γιατί είναι μαύρο;
Α: Οι γραφιτικές δομές απορροφούν σχεδόν όλο το ορατό φως.

Ε: Φοβάται τη φωτιά;
Α: Η οξείδωση ξεκινά στους 400°C στον αέρα, αλλά η κάψουλα το χρησιμοποιεί ως θερμικό θώρακα.

Ερώτηση: Μπορεί να ανακυκλωθεί;
Α: η BMW έχει καταστήσει δυνατή την ανακύκλωση αυτοκινητικών εξαρτημάτων από πεπιεσμένες ίνες άνθρακα.