الیاف کربنی چگونه از نفت خام/قیر به «طلا سیاه» تبدیل می‌شوند؟

باورتان می‌شود؟ چارچوب اصلی راکت قهرمانان المپیک که قادر به شلیک کردن نردوان با سرعت ۳۰۰ کیلومتر بر ساعت است، ماشین‌های فرمول ۱ با بدنه‌هایی که تحمل شتاب صفر تا ۱۰۰ کیلومتر در ۲٫۳ ثانیه را دارند، و حتی پوسته‌های خارجی موشک‌های فضایی که جو زمین را نفوذ می‌کنند — ستون فقرات همه آنها از همان 'باقی‌مانده سیاه' حاصل از تصفیه نفت گرفته شده است؟

امروز به بررسی ظهور شگفت‌انگیز الیاف کربن، 'ستاره برجسته' علم مواد می‌پردازیم. ببینید چگونه آسفالت ساده نفتی پس از گذراندن آزمون‌های بی‌شماری به 'طلا سیاه' تبدیل شد که ارزش آن بیش از نقره است!

چرا به آن «طلا سیاه» می‌گویند؟
قبل از آنکه به این سفر دگرگونی بپردازیم، ابتدا یک پرسش بنیادین را مطرح کنیم: چرا الیاف کربن اغلب با طلا مقایسه می‌شود؟
(۱) قیمت آن واقعاً «قابل مقایسه با طلا» است: الیاف کربن معمولی چند هزار یوان به ازای هر کیلوگرم قیمت دارد، در حالی که الیاف کربن درجه هوافضا می‌تواند به ۲۰٬۰۰۰ یوان در هر کیلوگرم برسد — گران‌تر از نقره (حدود ۵ یوان در هر گرم).

(2) عملکرد بسیار قوی است: این ماده تنها یک‌چهارم وزن فولاد را دارد، اما ده برابر مقاومت آن را، در مقابل اسیدهای قوی مقاوم است و در دمای 180- درجه سانتی‌گراد نیز شکننده نمی‌شود.

(3) کمبود آن واقعاً چشمگیر است: تنها دوجین یا چند کشور جهان تکنولوژی تولید انبوه آن را دارند، و الیاف کربن باکیفیت به عنوان یک «ماده استراتژیک» طبقه‌بندی می‌شود — چنانچه حتی در صورت تمایل نیز تهیه آن دشوار است.

این «چندمنظوره» از آسفالت، محصول جانبی تصفیه نفت خام، سرچشمه می‌گیرد — شبیه استخراج الماس از توده‌های زغال سنگ، که هر مرحله از آن پر از شگفتی است.

از آسفالت تا الیاف کربن: فرآیند پنج‌مرحله‌ای 'کیمیا' که هیچ یک از مراحل آن قابل صرف‌نظر نیست!

مرحله اول: انتخاب ماده — برترین و بهترین: بیتومن درجه یک
همه انواع بیتومن نمی‌توانند دوباره زنده شوند. بیتومنی که معمولاً برای ساخت جاده استفاده می‌کنیم، ناخالصی زیادی دارد و محتوای کربن پایینی دارد و در نتیجه برای تولید الیاف کربن مناسب نیست. فقط «بیتومن درجه خاص» با خلوص بالا، محتوای کربن بالا (90٪) و محتوای گوگرد و فلز پایین قابل استفاده در تولید الیاف کربن است.

مهندسان از استخراج حلال برای «حمام دادن» آسفالت استفاده می‌کنند: غوطه‌ور کردن آن در حلال‌های تخصصی تا ناخالصی‌هایی مانند گوگرد، نیتروژن و فلزات سنگین را فیلتر کنند، دقیقاً مانند الک کردن شن. سپس تقطیر ساختار مولکولی آن را تصفیه می‌کند و به آن امکان می‌دهد به صورت رشته‌های نازک کشیده شود و در برابر دماهای بالا مقاومت کند.

این مرحله شبیه انتخاب ورزشکاران است: فقط کسانی که «پایه محکمی» دارند می‌توانند تحمل آموزش‌های شدید بعدی را داشته باشند.

مرحله دوم: ریسندگی — کشیدن «رشته‌های طلایی» که ده برابر نازک‌تر از یک رشته مو هستند.
بیتومن خالص تا دمای 200–300 درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود و به یک مذاب چسبناک شبیه عسل تبدیل می‌شود. این مذاب سپس از طریق یک «صفحه رشته‌افکن» حفره‌دار با سوراخ‌های بسیار کوچک عبور داده می‌شود—هر کدام به قطر تنها 5 تا 50 میکرومتر (در مقایسه با 50 تا 100 میکرومتر ضخامت موی انسان)، ظریف‌تر از سوزن دوخت!

رشته‌های آسفالتی که از این سوراخ‌ها بیرون کشیده می‌شوند، بلافاصله در آب سرد یا هوای خنک غوطه‌ور می‌شوند تا «سریعاً سفت شده و ساختار یابند» و رشته‌های پیوسته‌ای از «رشته‌های فیلامنت آسفالتی» را تشکیل دهند. این مرحله نیازمند مهارت فنی بسیار بالایی است: سرعت کمی بالاتر در اکسترود کردن باعث پارگی رشته‌ها می‌شود؛ دمای خنک‌کنندگی کمی پایین‌تر آن‌ها را شکننده می‌کند؛ حتی انسداد یک سوراخ منفرد نیز می‌تواند کل محموله رشته‌ها را غیرقابل استفاده کند.

ممکن است این فرآیند را بتوان به «تولید مصنوعی ککون کرم ابریشم» تشبیه کرد، با این تفاوت که «رشته»‌ای که بیرون کشیده می‌شود ده برابر نازک‌تر از رشته ابریشم است.

مرحله سوم: پیش‌اکسیداسیون — پوشاندن رشته با یک «لباس ضد حریق»
رشته‌های تازه تولید شده آسفالت بسیار ظریف هستند: با کمترین کشش می‌شکنند و با کمترین جرقه مشتعل می‌شوند. برای اینکه این رشته‌ها محکم و انعطاف‌پذیر شوند، اولین قدم، ضد حریق کردن آنهاست.

رشته خام در یک آون با دمای ۱۵۰ تا ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار می‌گیرد و طی چند ساعت به آرامی در هوای اتمسفر گرم می‌شود. در این فرآیند، عناصر هیدروژن و اکسیژن به تدریج از رشته آسفالتی خارج می‌شوند. ساختار مولکولی آن از حالت خطی به حالت شبکه‌ای تبدیل می‌شود و رنگ آن از مشکی به قهوه‌ای تیره تغییر می‌کند. مهم‌تر از همه، مقاوم در برابر آتش می‌شود!

حذف این مرحله کاملاً غیرممکن است: اگر پیش‌اکسیداسیون حذف شده و مستقیماً به پردازش در دمای بالا پرداخته شود، الیاف آسفالتی بلافاصله می‌سوزند و تمام تلاش‌های قبلی بی‌فایده خواهد بود. علاوه بر این، نرخ گرمایش باید کند باشد؛ در غیر این صورت باعث ایجاد "تنش داخلی نامنظم" در الیاف شده و منجر به ترک خوردگی می‌شود.

مرحله چهارم: کربنی‌سازی — تصفیه در دمای بالا برای تولید یک "اسکلت کربنی خالص"
رشته خام، که اکنون با «لباس نارسوز» خود پوشانده شده است، باید در کوره کربونیزاسیون تحت «آزمون نهایی» قرار گیرد. این کوره در دمایی بین ۱۰۰۰ تا ۱۸۰۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کند و باید محیطی عاری از اکسیژن را حفظ کند (در غیر این صورت کربن به دی‌اکسید کربن اکسید می‌شود).

در این دماهای بسیار بالا، آخرین مقادیر عناصر غیرکربنی (مانند هیدروژن و نیتروژن) موجود در رشته به صورت گاز «فرار» می‌شوند. آنچه باقی می‌ماند تقریباً کربن خالص (با محتوای کربن ۹۰٪) است که ساختار مولکولی آن به صورت منظم به «بلورهای شبیه به گرافیت» بازآرایی می‌شود. در این مرحله، «رشته زغالی» به طور رسمی به «پیش‌ماده الیاف کربنی» ارتقا می‌یابد!

دمای کربونیزاسیون به‌طور مستقیم ارزش الیاف کربنی را تعیین می‌کند: الیاف کربنی صنعتی معمولی را می‌توان در دمای حدود ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد تولید کرد، در حالی که برای درجه هوافضا دماهایی بالاتر از ۲۰۰۰ درجه سانتی‌گراد مورد نیاز است. این امر منجر به آرایش منظم‌تری از بلورهای کربن و افزایش چندبرابری مقاومت می‌شود و طبیعتاً قیمت را افزایش می‌دهد.

مرحله پنجم: پرداخت سطحی — ایجاد اتصالات برای الیاف کربنی
الیاف کربنی تازه کربونیزه شده سطحی هموار مانند شیشه دارند که تمایل به «لغزش» در هنگام چسبیدن به موادی مانند رزین یا فلز دارند — دقیقاً مانند دو تکه شیشه صاف که وقتی روی هم فشرده می‌شوند، با یک ضربه کوچک از هم جدا می‌شوند. الیاف کربنی پس از پرداخت سطحی، به صورت بافت (پارچه الیاف کربنی که قبلاً مطرح شد) بافته می‌شوند یا به الیاف کوتاه برش داده می‌شوند و «اسکلت مرکزی» مواد کامپوزیتی را تشکیل می‌دهند.
در این مرحله، سرانجام سفر «تحوّل» ۲ تا ۳ ماهه‌ای که از زغال شروع شد، به پایان می‌رسد.

این حقایق کمتر شناخته‌شده، برای ۹۰٪ از مردم ناشناخته است!

همه فیبر کربن از قیر نفتی ساخته نمی‌شود: علاوه بر قیر نفتی، فیبر پلی‌آکریلونیتریل (PAN) و فیبر ویسکوز نیز می‌توانند برای تولید فیبر کربن استفاده شوند. فیبر کربن مبتنی بر PAN حدود ۹۰٪ از تولید جهانی را تشکیل می‌دهد، در حالی که فیبر کربن مبتنی بر قیر مناسب‌تر برای کاربردهای پیشرفته و با استحکام بالا است.

تولید یک تن فیبر کربن، مصرف ۲۰ تن مواد اولیه دارد: از قیر تا فیبر کربن، میزان بازدهی زیر ۵٪ است. تعجبی نیست که چرا این ماده بسیار گران است.

چین انحصار را شکسته است: قبلاً فیبر کربن درجه بالا در اختیار اروپا، آمریکا و ژاپن بود. اکنون چین به تولید انبوه فیبر کربن درجه T1100 (درجه هوافضا) دست یافته است که ۳۰٪ ارزان‌تر از وارداتی‌ها قیمت دارد.

فیبر کربن چیست محصولات تاکنون با چه نوعی از فیبر کربن مواجه شده‌اید؟
فیبر کربن در واقع از زندگی روزمره ما چندان دور نیست: فراتر از هوافضا و مسابقات موتورسیکلت، امروزه در قاب دوچرخه‌های حرفه‌ای، بازوی پهپادها و حتی بدنه گوشی‌های موبایل نیز استفاده می‌شود.

آیا تاکنون با محصولات الیاف کربنی در اطراف خود مواجه شده‌اید؟ یا چه کاربردهای آینده‌ای را برای این ماده تصور می‌کنید؟ نظرات خود را در قسمت دیدگاه‌ها به اشتراک بگذارید!

قیر نفتی معمولی طی چند ماه تحولی شگرف پیدا کرد و به «طلا سیاه»ای تبدیل شد که پایه تولیدات پیشرفته صنعتی است. پشت این تحول، تلاش بی‌وقفه مهندسان بی‌شمار برای دستیابی به دقتی در حد میلی‌متر و همچنین جست‌وجوی مداوم بشر برای گسترش مرزهای علم مواد نهفته است. دفعه بعد که با یک محصول از الیاف کربنی روبرو شوید، شاید به یاد داشته باشید: این ماده زمانی تنها از باقی‌مانده‌های نفتی دورریخته شروع به شکل‌گیری کرده بود.