Apa itu serat karbon? Mengapa material "bintang" ini begitu hebat?

Ketika berbicara tentang serat karbon, Anda mungkin pernah mendengarnya dalam berita - panah roket, bodi kereta api cepat, drone, bodi mobil balap, dan bahkan raket bulu tangkis kelas atas pun menggunakan material ini. Material yang terdengar seperti "teknologi canggih" ini sebenarnya apa sih? Hari ini dengan kata-kata paling sederhana, kami ajak Anda mengenal sang "bintang dunia material".

Serat karbon, pada dasarnya adalah "filamen karbon super"

Secara sederhana, serat karbon adalah serat polimer anorganik yang mengandung karbon hingga 90% atau lebih. Serat ini bukan logam maupun plastik, melainkan "kristal karbon" — berupa filamen hitam yang dibentuk melalui proses khusus karbonisasi serat organik (seperti poliakrilonitril dan aspal) pada suhu tinggi untuk menghilangkan kotoran.

Penampilan: berdiameter hanya 5-10 mikron (sekitar 1/10 dari diameter rambut manusia), secara kasat mata tampak seperti benang katun atau wol hitam, tetapi saat disentuh terasa lebih "keras" daripada kawat besi.

Karakteristik: "Ringan, kuat, tahan lama, stabil".

(1) Kekuatannya 7-9 kali lipat baja, ketangguhannya jauh melebihi serat kaca;
(2) Kerapatan hanya 1,7g/cm³, lebih ringan daripada aluminium (kerapatan aluminium 2,7g/cm³)
(3) Tahan suhu tinggi (tidak meleleh di atas 2000 ℃), tahan korosi (tidak takut asam maupun basa), non-konduktif (dengan perlakuan khusus dapat menjadi konduktif).

Performa "hidup-mati": sangat ringan dan secara mengejutkan keras

Kehebatan serat karbon seluruhnya "didukung" oleh tiga keunggulan inti:

（1）Ringan seperti bulu, tetapi lebih kuat dari baja：

Kerapatan hanya 1,7-2,0g/cm³ (1/4 dari baja, 2/3 dari paduan aluminium), namun kekuatan tariknya bisa mencapai 3000-7000MPa (lebih dari 10 kali lipat kekuatan baja), dan seutas tali serat karbon setebal jari dapat mengangkat mobil beberapa ton.

（2）Kekakuan luar biasa, stabil seperti batu:

Modulus elastisitas (ukuran kekakuan) mencapai 200-600GPa, hampir tidak mengalami deformasi saat diberi gaya, jika digunakan sebagai penopang satelit, dapat mempertahankan sikap yang presisi di ruang angkasa.

（3）Atribut "anti-runtuh" bekerja maksimal:

Tahan suhu tinggi (dalam lingkungan inert hingga 2000 ℃), tahan asam dan alkali (di laut selama puluhan tahun tidak korosif), anti lelah (gaya berulang tidak mudah patah), logam di depannya harus "menyerah kalah".

Mengapa serat karbon merupakan "bahan strategis nasional"?

Serat karbon sangat sulit diproduksi, dan hanya ada beberapa negara di dunia yang mampu memproduksi serat karbon kelas atas dalam jumlah besar (terutama Tiongkok, Jepang, dan Amerika Serikat). Bahan ini bukan hanya "pondasi" manufaktur kelas atas, tetapi juga terkait dengan bidang inti seperti aerospace dan keamanan pertahanan.

Misalnya, dalam bidang militer, serat karbon dapat digunakan untuk membuat badan pesawat tempur siluman (penyerap gelombang), badan rudal (ringan sehingga jangkauannya lebih jauh); di bidang energi baru, semakin panjang baling-baling turbin angin, semakin tinggi efisiensi pembangkit listriknya, dan hanya serat karbon yang mampu mendukung baling-baling raksasa level 100 meter.
Dalam beberapa tahun terakhir, industri serat karbon China mengalami terobosan cepat, dari ketergantungan pada impor menjadi mampu memproduksi secara mandiri dalam jumlah besar, bahkan di beberapa bidang (seperti tenaga angin, perlengkapan olahraga) menduduki posisi dominan di pasar global.

Bagaimana serat karbon "dibuat"?

Kehebatan serat karbon seluruhnya "didukung" oleh tiga keunggulan inti:

（1）Persiapan filamen primer

Bahan baku seperti poliakrilonitril (PAN), pitch, dan lainnya, melalui proses pemintalan menghasilkan "benang mentah" (mirip dengan serat serat kimia). Langkah ini merupakan dasar, dan kualitas benang mentah secara langsung menentukan kinerja serat karbon (China lama tertahan pada langkah ini).

（2）Karbonisasi

Benang mentah secara bertahap dipanaskan hingga 1.000-3.000 derajat Celcius di dalam gas inert (untuk mencegah pembakaran), yang menghilangkan elemen-elemen seperti hidrogen dan oksigen, sehingga hanya menyisakan molekul karbon. Setelah langkah ini, kadar karbon pada serat meningkat dari 50% menjadi lebih dari 90%, sehingga kekuatan dan kekerasannya meningkat secara drastis.

（3）Pemrosesan selanjutnya

Tergantung pada aplikasi , serat karbon ditenun menjadi kain, digulung menjadi tabung, atau dikombinasikan dengan resin, logam, dll., untuk membuat "komposit serat karbon" (seperti yang sering kita sebut sebagai "papan serat karbon" dan "tabung serat karbon").

【Pengetahuan Serat Karbon yang Jarang Diketahui】

P：Mengapa berwarna hitam?
J：Struktur grafit menyerap hampir semua cahaya tampak.

P：Takut terhadap api?
J：Oksidasi dimulai pada suhu 400°C di udara, tetapi kapsul menggunakan ini sebagai pelindung panas.

P: Apakah bisa didaur ulang?
J：BMW telah berhasil mendaur ulang suku cadang mobil dari serat karbon bekas.