מהו סיבי פחמן? מה גורם ל"כוכב החומר" הזה להיות כל כך טוב?

כשמדובר בסיבי פחמן, ייתכן ששמעתם עליו ב חדשות - חצים של טילים, גופי רכבות מהירות, רחפנים, קליפות של מכוניות מרוץ, ואפילו רackets בדמינטון מתקדמות כוללים את החומר הזה. איך זה שמערפל sounding כמו "טכנולוגיה שחורה", אבל מה זה בעצם? היום נסביר במונחים הפשוטים ביותר כדי להכיר לכם את 'כוכב עולם החומרים'.

סיבי פחמן, בעצם "סיבים על-קטיינים של פחמן"

באופן פשוט, סיבי פחמן הם סיבים אורגניים עם אחוזי פחמן של 90% או יותר. הם לא מתכת ולא פלסטיק, אלא "גביש של פחמן" – סיבים שחורים שנוצרים בתהליך מיוחד של כריזציה של סיבים אורגניים (כמו פוליאקרילוניטריל ואספלט) בטמפרטורות גבוהות, כדי להסיר זיהומים.

מראה: בקוטר של 5-10 מיקרון בלבד (בערך עשירית מקוטר שערה אנושית), לעין הרמה נראה כמו חוט כותנה שחור או צמר, אך למישוש הוא "קשיח" יותר מסلك ברזל.

מאפיינים: "קל, חזק, עמיד ויציב".

(1) העצמה שלו היא פי 7–9 מזו של פלדה, והעמידות שלו גבוהה בהרבה מסיבי זכוכית;
(2) צפיפות של רק 1.7 גרם/סמ"ק, קל יותר מאלומיניום (צפיפות אלומיניום 2.7 גרם/סמ"ק)
(3) עמידות בטמפרטורה גבוהה (לא ניתן להמיס מעל 2000 ℃), עמידות בפני קורוזיה (לא מפחד מחומצות ובסיסים), לא מוליך (טיפול מיוחד יכול להיות מוליך).

ביצועים "דולק וכבה": קל באופן שטותי וקשה בצורה מפתיעה

הגדול של סיבי הפחמן נתמך כולו על ידי שלושה יתרונות מרכזיים:

（1）קל כנוצה, אך חזק מפלדה：

הצפיפות היא רק 1.7-2.0 גרם/סמ"ק (רבע מזו של פלדה, שני שליש מזו של סגסוגת אלומיניום), אך חוזק המשיכה יכול להגיע ל-3000-7000 MPa (יותר מ-10 פעמים מזו של פלדה), וחבל עבה באצבע אחת עשוי סיבי פחמן יכול להרים מכוניות במספר טונות.

（2）קשיחות מטורפת, יציבה כמו סלע:

מודול האלסטיות (מדד לקשיחות) מגיע ל-200-600 GPa, כמעט ואין עיוות תחת כוח, ושימוש בו כתמיכה לוויין מאפשר לשמור על ייצוב מדויק בחלל.

（3）תכונות 'נגד בניה' ממומשות במלואן:

עמידות גבוהה בדרגת חום (סביבה אינרטית המסוגלת לשאת 2000 ℃), עמידות לחומצות ולقلים (האוקיינוס לא גורם לבליה במשך עשרות שנים), עמידות נגד עייפות (כפלי פעילות חוזרות אינה שוברת אותו בקלות), כל המתכות לפניו חייבות "לנטות".

למה פיברגלד הוא "חומר אסטרטגי לאומי"?

ייצור פיברגלד הוא דבר קשה ביותר, ורק מספר קטן של מדינות בעולם מסוגל לייצר בכמויות גדולות פיברגלד מתקדם (בעיקר סין, יפן והארצות הברית). זהו לא רק ה"אבן פינה" של ייצור מתקדם, אלא גם קשור לתחומים מרכזיים כמו תעופה וחלל וביטחון דיפנסיבי.

לדוגמה, בתחום הצבאי, סיבי פחמן יכולים לשמש לייצור גוף של מטוסי קרב סילוניים (סופגי גלים), גופי טילים (קלים כדי להגביר טווח), ובתחום האנרגיה החדשה, ככל שהלהט של טורבינת הרוח ארוך יותר, כך יעילות ייצור החשמל גבוהה יותר, ורק סיבי פחמן יכולים לתמוך בלהט ענק ברמה של 100 מטר.
בשנים האחרונות, התעשייה של סיבי פחמן בסין עשתה קפיצה מכרעת, מעיון בייבוא' ליצרן עצמאית בקנה מידה גדול, ואפילו השיגה עמדה דומיננטית בשוק העולמי בכמה תחומים (כגון אנרגיית רוח וציוד ספורט).

איך מייצרים סיבי פחמן?

הגדול של סיבי הפחמן נתמך כולו על ידי שלושה יתרונות מרכזיים:

（1）הכנה של החוט הראשוני

חומר גלם כמו פוליאקרילוניטריל (PAN), שזיף ואחרים, עוברים תהליך טווייה כדי ליצור "משי גולמי" (דומה לסיבים כימיים). שלב זה הוא הבסיס, ואיכות המשי הגולמי קובעת ישירות את ביצועי סיבי הפחמן (בסין נתקעו בשלב זה לאורך זמן).

（2）פחמיזציה

המשי הגולמי מחומם בהדרגה ל-1,000–3,000 מעלות צלזיוס בגז אינרט (כדי למנוע בעירה), ובכך מוסרים יסודות כמו מימן וחמצן, ונשארים רק מולקולות פחמן. לאחר שלב זה, תוכן הפחמן של הסיבים עולה מ-50% ליותר מ-90%, מה שמגדיל בצורה דרמטית את העוצמה והקשיות שלו.

（3）עיבוד נוסף

תלוי ב שימוש , סיבי פחמן מת woven לטלית, מלופפים לצינורות או משולבים עם רזינים, מתכות וכו' כדי ליצור "קומפוזיטי סיבי פחמן" (כגון מה שغالבי קוראים לו "לוחות סיבי פחמן" ו"צינורות סיבי פחמן").

【ידיעת סיבי פחמן מקוררת】

שאלה: למה זה שחור?
תשובה: מבני גרפיט בולעים כמעט את כל האור הנראה.

שאלה: מפחדים מאש?
תשובה: חמצון מתחיל ב-400°C באוויר, אך הקبسולה משתמשת בו כמגן חום.

שאלה: האם ניתן להחזר אותו?
תשובה: BMW הצליחה לאפשר מחזור של חלקים 자וטי מכלי רכב מסיבי פחמן משומשים.