Mi az a szénszálas anyag? Miért olyan jó ez a „materiálcsillag”?

Amikor a szénszálas anyagokról van szó, talán már hallott róla hírekben – hír - rakétanyilaktól, nagysebességű vasúti kocsiktesteken, drónokon, versenyautó-karosszériákon át a prémium minőségű badmintonütőkig számos területen felbukkan. Ez a „fekete technológiának” tűnő anyag vajon mi is pontosan? Ma a legközérthetőbb szavakkal vezetünk be a „sztáranyag” világába.

Szénszálas anyag lényegében „szuper szénszálak”

Egyszerűen fogalmazva, a szénszál egy olyan szervetlen polimer szál, amely legalább 90%-ban szénből áll. Sem nem fém, sem nem műanyag, hanem egy „széntartalmú kristály” – fekete szál, amely úgy keletkezik, hogy szerves szálakat (például akrilnitril-polimert vagy kátrányt) speciális eljárással magas hőmérsékleten karbonizálnak, és így eltávolítják a szennyeződéseket.

Megjelenés: csak 5–10 mikron átmérőjű (kb. egy hajszál tizede), szabad szemmel nézve olyan, mint egy fekete pamutszál vagy gyapjúfonal, de tapintásra „merevebb”, mint egy acélhuzal.

Jellemzők: „Könnyű, erős, ellenálló, stabil”.

(1) Szilárdsága 7–9-szerese az acélénak, ütőállósága messze meghaladja az üvegszálét;
(2) Csak 1,7 g/cm³-es sűrűség, könnyebb az alumíniumnál (az alumínium sűrűsége 2,7 g/cm³)
(3) Magas hőállóság (2000 ℃ felett nem olvad), korrózióállóság (nem fél a savaktól és lúgoktól), szigetelő (különleges kezeléssel vezetővé tehető).

Teljesítmény „be- és kikapcsolva”: nevetségesen könnyű és meglepően kemény

A szénszálas anyag nagyságát mindhárom alapvető előnye „támogatja”:

（1）Pehelykönnyű, de acélnál erősebb:

A sűrűsége csupán 1,7–2,0 g/cm³ (az acél negyede, az alumíniumötvözet kétharmada), de a szakítószilárdsága elérheti a 3000–7000 MPa-t (több mint tízszerese az acélénak), és egy ujjnyi vastag szénszálas kötél több tonnás autót is felemelhet.

（2）Rigidity robbanás, stabil, mint a szikla:

A rugalmassági modulus (merevség mértéke) 200–600 GPa-ra emelkedik, erőhatás alatt majdnem nincs deformáció, műholdtartóként használva pontos helyzetet tart fenn az űrben.

（3) Az „ellenálló” tulajdonságok teljes kihasználása:

Magas hőállóság (inert környezetben akár 2000 ℃-ig), sav- és lúgállóság (az óceánban évtizedekig nem korróziós), fáradásállóság (ismételt terhelés hatására sem törik könnyen), a fémtől eltérően ebben az anyagban minden fém „meghátrál”.

Miért számít a szénszálas anyag „nemzeti stratégiai nyersanyagnak”?

A szénszálat rendkívül nehéz előállítani, és csak néhány ország képes nagy mennyiségben gyártani a magas minőségű szénszálakat (főként Kína, Japán és az Egyesült Államok). Ez nemcsak a felsőfokú gyártás „alappillére”, hanem közvetlenül kapcsolódik az űrkutatáshoz és a védelmi biztonsághoz is.

Például a katonai alkalmazásokban a szénszálas anyagból készülhetnek elrejtett repülőgépek törzsei (hullámelnyelő tulajdonság), rakétatestek (könnyűségük miatt növelik a hatótávolságot); az új energiatermelés területén pedig minél hosszabb a szélturbina lapátja, annál hatékonyabb az áramtermelés, és csak a szénszálas anyag képes megtartani a 100 méteres nagyságrendű óriás lapátokat.
Az elmúlt években Kína szénszálas ipara jelentős áttörést ért el, az importtól függő helyzettől eljutott az önálló tömeggyártásig, sőt egyes területeken (például szélerőművek, sporteszközök) már domináns pozíciót foglal el a világpiacon.

Hogyan készül a szénszál?

A szénszálas anyag nagyságát mindhárom alapvető előnye „támogatja”:

（1）Elsődleges szál előkészítése

A poliakrilnitril (PAN), kátrány és egyéb nyersanyagokat szövési folyamaton keresztül alakítják „nyersselyemmé” (hasonlóan a kémiai szálas anyagokhoz). Ez a lépés az alapozó fázis, a nyersselyem minősége közvetlenül meghatározza a szénszál teljesítményét (Kína hosszú ideig ezen a ponton „akadt el”).

（2）Karbonizáció

A nyersselymet nemesgáz jelenlétében fokozatosan 1000–3000 °C-ra hevítik (a meggyulladás elkerülése érdekében), amely során eltávolítják a hidrogén, oxigén és más elemeket, csupán a szénmolekulákat hagyva hátra. E lépés után a szál széntartalma 50%-ról több mint 90%-ra emelkedik, ami drasztikusan növeli a szál szilárdságát és keménységét.

（3）További feldolgozás

Attól függően, hogy milyen alkalmazás , a szénszálakat anyaggá szövik, csövekké tekernék, vagy gyantákba, fémekbe ágyazva „szénszálas kompozitokat” hoznak létre (amilyen például amit gyakran „szénszálas lemezeknek” és „szénszálas csöveknek” nevezünk).

【Szénszálas hidegtudás】

K: Miért fekete?
V: A grafit szerkezet majdnem az összes látható fényt elnyeli.

K: Félni kell a tűztől?
V: 400 °C-on kezdődik az oxidáció levegőn, de a kapszula hőpajzsként használja.

K: Reciklálandó?
V: A BMW lehetővé tette a selejtes szénszálas autóalkatrészek újrahasznosítását.