فیبر کربن در مقابل فایبرگلاس: چرا برای یک نوع فیبر، تفاوت قیمت و عملکرد اینقدر زیاد است؟

فیبر کربن در مقابل فایبرگلاس: چرا برای یک نوع فیبر، تفاوت قیمت و عملکرد اینقدر زیاد است؟

آیا تا به حال به این فکر کرده‌اید؟ یک میله ماهیگیری با فیبر کربن درجه بالا ممکن است هزاران دلار هزینه داشته باشد، در حالی که یک میله معمولی فایبرگلاس را می‌توانید با ده‌ها دلار تهیه کنید. هر دو «فیبر» نام دارند و نامشان شبیه خویشاوند است، اما چرا از نظر قیمت و عملکرد، فاصله‌ای مثل «طبقة اشراف» و «عوام» بین آنها ایجاد شده است؟ امروز قصد داریم به مقایسه این دو عضو از «خانواده فیبرها» بپردازیم و ببینیم تفاوت واقعی آنها از درون چیست.

از زمینه‌های متفاوت: «نسل دوم ثروتمندان» و «کارگران سخت‌کوش» در دنیای مواد

برای درک تفاوت، باید از «نژاد و تبار» آنها شروع کنیم.

فیبر گلس

ماده اصلی سیلیس است و این مواد اولیه به مقدار زیاد در ذخایر عظیم زمین به صورت ارزان موجود هستند. از طریق فرآیندهایی مانند ذوب در دمای بالا، کشیدن و سایر مراحل، الیاف شیشه‌ای تولید می‌شوند. این ماده مانند یک موجود با منشأ مشترک اما بسیار سخت‌گیر است که با بهره‌مندی از هزینه مناسب، در رقابت با جهان عمل می‌کند.

فیبر کربن

مولفه اصلی کربن است. پیش‌سازهای آن معمولاً پلیمرهای آلی مانند پلی‌آکریلونیتریل، قیر یا الیاف ویسکوز هستند. این رشته‌ها باید تحت حفاظت گاز بی‌اثر، تحت فرآیند کربونیزاسیون و گرافیتی‌سازی در دمای هزاران درجه قرار گیرند تا اتم‌های غیرکربنی خارج شوند و در نهایت ماده‌ای فوق‌العاده حاوی بیش از ۹۰٪ کربن تشکیل شود. این فرآیند پیچیده، پر مصرف از نظر انرژی و با موانع فنی قوی است و در صنعت مواد به آن «فلز» گفته می‌شود. بنابراین، الیاف کربن شبیه فردی با دقت پرورش یافته و مصرف‌کننده منابع عظیم است منابع «فرزند ثروتمند نسل دوم» یا «ورزشکاران برتر».
از تولد مشخص است که تفاوت‌های قیمتی دارد. یکی از موارد استفاده از «شن»، و دیگری استفاده از «مواد خام شیمیایی + فرآیند پیچیده» است؛ قیمت «ارستocrat» الیاف کربن از همان ابتدا تعیین شده است.

مقایسه عملکرد: چرا الیاف کربن «پادشاه» است؟

نگاه کردن به مشخصات کافی نیست، باید به عملکرد واقعی توجه کنیم. در اینجا یک جدول مقایسه عملکرد آورده شده تا تصویری روشن به شما بدهد:

تمرکز روی «مدول» :می‌توانید مدول را به عنوان «سختی» ماده در نظر بگیرید.

فیبر گلس

مثل یک نی سفت، محکم است و به راحتی پاره نمی‌شود، اما وقتی با نیرو آن را می‌شکنید، خم می‌شود و تغییر شکل قابل توجهی می‌دهد.

فیبر کربن

مثل یک میله فولادی سخت، نه تنها قوی است، بلکه در برابر تغییر شکل بسیار مقاوم است. وقتی همان نیرو را برای شکستن آن اعمال می‌کنید، تقریباً حرکتی نمی‌کند.
این ویژگی «عدم خمش» در حوزه‌های پیشرفته بسیار مهم است. برای مثال:

(1) ماشین فرمول 1: شاسی باید بسیار سفت باشد تا در پیچ‌های پرسرعت کنترل دقیق حفظ شود، هرگونه تغییر شکل کوچکی کشنده است.
(2) هوافضا: ساختار بال و بدنه هواپیما باید تحت بارهای سنگین دچار حداقل تغییر شکل شوند تا عملکردآیرودینامیکی و ایمنی تضمین شود.
(3) راکت بدمینتون درجه یک: در لحظه برخورد به توپ، هرچه تغییر شکل قاب راکت کمتر باشد، انتقال نیرو مستقیم‌تر و حس لمسی واضح‌تری ایجاد می‌شود که همین امر تجربه‌ای است که توسط «فیبر کربن ماژول بالا» ایجاد می‌شود.

هر کدام معایب خاص خود را دارند

فیبر کربن:

(1) شکننده: اگرچه سخت و محکم است، اما مقاومت ضربه‌ای ضعیفی دارد و در اثر برخورد شدید اشیاء تیز به راحتی می‌شکند، به جای اینکه خم شود.
(2) هدایت الکتریکی: این ویژگی هم می‌تواند مزیت و هم معایب محسوب شود. در مواردی که عایق‌بندی لازم است (مانند تجهیزات برقی)، تبدیل به یک خطر پنهان می‌شود.
(3) قیمت: باز هم، گران است!

فیبر گلس

(1) استحکام خوب: مقاومت در برابر ضربه بهتر از فیبر کربن است و ممکن است پس از برخورد تنها ترک بخورد، نه اینکه بلافاصله له شود.
(2) عایق‌بندی خوب: مواد عایق الکتریکی عالی، دامنه کاربرد گسترده‌تری دارند.
(3) مزیت هزینه‌ای: در جاهایی که سفتی بسیار بالا و وزن سبک حیاتی نیست، پادشاه جایگزین‌ناپذیر از نظر عملکرد هزینه است.

سناریوی کاربرد

«تقسیم کار» بین این دو نوع الیاف به خوبی مشخص شده و در اصل تعادلی بین «نیازهای عملکردی» و «بودجه هزینه» است:

الیاف کربن: «پادشاه عملکرد» در حوزه پیشرفته

(1) هوافضا: بدنه هواپیما، نگهدارنده‌های ماهواره (کاهش 30٪ وزن می‌تواند مصرف سوخت و هزینه‌های پرتاب را به طور قابل توجهی کاهش دهد);
(2) تولید پیشرفته: بدنه اتومبیل‌های لوکس، قطعات مسابقات فرمول 1، چرخ‌های الیاف کربنی (با در نظر گرفتن همزمان استحکام و سبکی);
(3) وسایل ورزشی: راکت‌های بدمینتون حرفه‌ای، میله‌های صیادی، اسکی‌ها (مدول بالای کشش، حس دقیق‌تر);
(4) سناریوهای خاص: تجهیزات پزشکی، تجهیزات نظامی (مقاوم در برابر دمای بالا، مقاوم در برابر خوردگی و بدون تداخل مغناطیسی).

فیبرگلاس: «بازی عملی» در معیشت مردم

(1) صنعت ساخت‌وساز: پنل‌های عایق دیوار خارجی، کاشی‌های تقویت‌شده با فیبر شیشه، پنل‌های ضد خوردگی (مقاوم در برابر شرایط آب‌وهوایی و ارزان قیمت);
(2) حمل‌ونقل: محفظه کامیون‌های یخچالی، بدنه کامیونت‌های تفریحی، بدنه کلی قایق‌های عمومی (ضد خوردگی، شکل‌پذیری آسان);
(3) برق و الکترونیک: زیرسازی برد مدار، غلاف عایق (عایق‌بندی خوب، مقرون‌به‌صرفه)
(4) وسایل مصرفی روزانه: مبلمان فایبرگلاس تقویت‌شده پلاستیکی (FRP)، سطل‌های زباله سازگار با محیط زیست، لوله‌ها (دوام بالا و کنترل هزینه)

در مجموع: چرا این شکاف به این اندازه گسترده است؟

با بازگشت به سوال اولیه ما، پاسخ واضح است:

مواد اولیه و فرآیند: تولید الیاف کربنی مانند "تولد دوباره از خاکستر" است و هزینه مواد اولیه و فرآیندها بسیار بالاتر از الیاف شیشه‌ای که از طریق ذوب کشیده تولید می‌شوند، است.

سقف عملکرد: الیاف کربنی در دو شاخص کلیدی مقاومت ویژه و مدول ویژه، برتری قاطعی نسبت به الیاف شیشه‌ای دارند و به‌ویژه در حوزه‌هایی که نیاز به سفتی بالا و کاهش وزن حداکثری است، جایگزین‌ناپذیرند.

بازار و جایگاه: فیبر کربن در صنایع پیشرفته و مصرف‌کنندگان سطح بالا استفاده می‌شود و یک محصول «مبنی بر فناوری» است؛ در حالی که فیبر شیشه در طیف گسترده‌ای از حوزه‌های صنعتی و مدنی نفوذ دارد و یک محصول «مبنی بر بازار» محسوب می‌شود.

پس دفعه بعد که یک میله ماهیگیری یا قاب دوچرخه از جنس فیبر کربن را وزن می‌کنید، آنچه احساس می‌کنید تنها سبکی و سختی محصول نیست، بلکه تراکمی از علم مواد پیشرفته، فناوری پیچیده و تمایل به عملکرد بی‌نظیر است. در مقابل، فیبر شیشه همسفری آرام، قابل اعتماد و مقرون‌به‌صرفه در زندگی ما است.