فیبر کربن چیست؟ چه چیزی این «ستارهٔ مواد» را به این خوبی تبدیل کرده است؟

هنگامی که صحبت از فیبر کربن می‌شود، شاید قبلاً درباره آن شنیده باشید در اخبار - پیکان‌های موشکی، بدنه قطارهای پرسرعت، پهپادها، شاسی ماشین‌های مسابقه‌ای و حتی راکت‌های بدمینتون لوکس همگی از آن استفاده می‌کنند. این ماده که به ظاهر «فناوری سیاه» به نظر می‌رسد در نهایت چیست؟ امروز با ساده‌ترین کلمات، شما را با «ستاره دنیای مواد» آشنا می‌کنیم.

فیبر کربن، در واقع «رشته‌های کربنی فوق‌العاده محکم»

به زبان ساده، فیبر کرب یک الیاف پلیمری غیرآلی است که حاوی ۹۰ درصد یا بیشتر کربن است. این ماده نه فلز است و نه پلاستیک، بلکه یک «بلور کربنی» است — رشته‌ای سیاه که از طریق فرآیند خاصی از کربونیزه کردن الیاف آلی (مانند پلی‌آکریلونیتریل و قیر) در دمای بالا و با حذف ناخالصی‌ها تشکیل می‌شود.

ظاهر: قطر آن تنها ۵ تا ۱۰ میکرون است (حدود یک دهم قطر موی سر)، از دید چشم غیرمسلح شبیه نخ یا کلاف پشم سیاه است، اما لمس آن نسبت به سیم آهنی «سخت‌تر» است.

ویژگی‌ها: "سبک، محکم، مقاوم، پایدار"

(۱) استحکام آن ۷ تا ۹ برابر فولاد و چقرمگی آن بسیار بیشتر از الیاف شیشه است؛
(2) چگالی تنها 1.7 گرم/سانتیمتر مکعب، سبک‌تر از آلومینیوم (چگالی آلومینیوم 2.7 گرم/سانتیمتر مکعب)
(3) مقاومت در برابر دمای بالا (در دمای بالای 2000 درجه سلسیوس ذوب نمی‌شود)، مقاومت در برابر خوردگی (ترسی از اسیدها و بازها ندارد)، عایق برقی (با پردازش خاص می‌توان آن را هادی کرد).

عملکرد «روشن و خاموش»: به شدت سبک و با حیرت سخت

بزرگی الیاف کربن کاملاً توسط سه مزیت اصلی «پشتیبانی می‌شود»:

（1）سبک‌وزن مانند پره‌های پرنده، اما قوی‌تر از فولاد：

چگالی تنها 1.7-2.0 گرم/سانتیمتر مکعب (یک چهارم فولاد، دو سوم آلیاژ آلومینیوم) است، اما استحکام کششی آن می‌تواند به 3000-7000 مگاپاسکال برسد (بیش از 10 برابر فولاد)، و یک طناب ضخامت انگشتی از الیاف کربن می‌تواند چند تن وزن ماشین را بلند کند.

（2）سفتی انفجاری، پایدار مانند صخره:

مدول الاستیسیته (معیاری از سفتی) به 200-600 گیگاپاسکال می‌رسد، تقریباً بدون تغییر شکل در اثر نیرو، و استفاده از آن به عنوان نگهدارنده ماهواره می‌تواند وضعیت دقیقی را در فضا حفظ کند.

（3）ویژگی‌های «ضد ساخت» کاملاً فعال شده‌اند:

مقاومت بالا در برابر دماهای بالا (در محیط بی‌اثر تا 2000 درجه سانتیگراد)، مقاومت در برابر اسید و قلیا (دریایی بدون خوردگی به مدت دهه‌ها)، مقاومت در برابر خستگی (نیروی مکرر باعث شکستن آسان نمی‌شود)، فلزات مقابل آن مجبور به «تن‌دست کشیدن» هستند.

چرا الیاف کربن یک «ماده استراتژیک ملی» است؟

تولید الیاف کربن بسیار دشوار است و تنها تعداد کمی از کشورها قادر به تولید انبوه الیاف کربن پیشرفته هستند (عمدتاً چین، ژاپن و ایالات متحده). این ماده نه تنها «سنگ بنیان» صنعت تولید پیشرفته است، بلکه به حوزه‌های کلیدی مانند هوافضا و امنیت دفاعی نیز مربوط می‌شود.

به عنوان مثال، در زمینه نظامی، الیاف کربن برای ساخت بدنه هواپیماهای نامرئی (جذب‌کننده امواج) و بدنه موشک (سبک‌وزن برای افزایش برد) استفاده می‌شود؛ در حوزه انرژی نو، هرچه تیغه توربین بادی بلندتر باشد، کارایی تولید برق بالاتر است و تنها الیاف کربن می‌تواند از تیغه‌های غول‌پیکر در سطح 100 متری پشتیبانی کند.
در سال‌های اخیر، صنعت الیاف کربن چین پیشرفت سریعی داشته است و از وابستگی به واردات به تولید انبوه مستقل دست یافته و حتی در برخی حوزه‌ها (مانند توربین‌های بادی، وسایل ورزشی) جایگاهی پیشرو در بازار جهانی به دست آورده است.

الیاف کربن چگونه "تولید" می‌شوند؟

بزرگی الیاف کربن کاملاً توسط سه مزیت اصلی «پشتیبانی می‌شود»:

（1）آماده‌سازی فیلامنت اولیه

مواد اولیه مانند پلی‌آکریلونیتریل (PAN)، قیر و سایر مواد از طریق فرآیند ریسندگی به «ابریشم خام» تبدیل می‌شوند (مشابه الیاف شیمیایی). این مرحله پایه‌ای است و کیفیت ابریشم خام به طور مستقیم عملکرد الیاف کربن را تعیین می‌کند (چین مدت طولانی در همین مرحله «گیر کرده» بود).

（2）کربن‌سازی

ابریشم خام به تدریج در محیط گاز بی‌اثر (برای جلوگیری از احتراق) تا دمای ۱۰۰۰ تا ۳۰۰۰ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود تا عناصری مانند هیدروژن و اکسیژن حذف شده و تنها مولکول‌های کربن باقی بمانند. پس از این مرحله، میزان کربن در الیاف از ۵۰٪ به بیش از ۹۰٪ افزایش یافته و استحکام و سختی آن به شدت بالا می‌رود.

（3）پردازش مرحله بعدی

بسته به درخواست , الیاف کربن به صورت بافته‌شده به منظور تولید پارچه، پیچیده‌شده در اشکال لوله‌ای، یا ترکیب‌شده با رزین‌ها، فلزات و غیره برای ساخت "ترکیبات الیاف کربنی" (مانند آنچه ما اغلب آن را "تابلوهای الیاف کربنی" و "لوله‌های الیاف کربنی" می‌نامیم) استفاده می‌شوند.

【دانستنی‌های کمتر شناخته‌شده درباره الیاف کربنی】

سوال: چرا مشکی است؟
پاسخ: ساختار گرافیتی تقریباً تمام نور مرئی را جذب می‌کند.

سوال: آیا از آتش می‌ترسد؟
پاسخ: اکسیداسیون در دمای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد در هوای آزاد آغاز می‌شود، اما کپسول از آن به عنوان محافظ حرارتی استفاده می‌کند.

سوال: آیا می‌تواند بازیابی شود؟
پاسخ: بی‌ام‌و توانسته بازیافت قطعات خودرو از الیاف کربنی دورریز را ممکن سازد.