Bagaimanakah Gentian Karbon Berubah daripada Petroleum/Bitumen kepada "Emas Hitam"?

Adakah anda percaya? Rangka utama raket juara Olimpik yang mampu memukul bulutangkis pada kelajuan 300km/j, kereta F1 dengan badan yang mampu mencapai pecutan 0-100km/j dalam 2.3 saat, malah luaran roket angkasa yang menembusi atmosfera – tunjang utama semua ini berasal daripada 'sisa hitam' yang dibuang selepas penapisan minyak?

Hari ini kita meneroka kebangkitan gentian karbon, bahan 'top dog' dalam sains bahan. Ketahui bagaimana asfalt petroleum yang biasa berjaya mengatasi pelbagai cabaran untuk berubah menjadi 'emas hitam' yang bernilai lebih tinggi daripada perak!

Mengapa ia dipanggil "emas hitam"?
Sebelum memulakan perjalanan transformasi ini, marilah kita jawab dahulu soalan asas: mengapa gentian karbon kerap diperbandingkan dengan emas?
(1) Harganya benar-benar 'setanding emas': gentian karbon piawai berharga beberapa ribu yuan per kilogram, manakala gentian karbon gred aerospace berkualiti tinggi boleh mencapai sehingga 20,000 yuan per kilogram – lebih mahal daripada perak (kira-kira 5 yuan per gram).

(2) Prestasinya luar biasa: Beratnya hanya satu-perempat daripada keluli tetapi mempunyai kekuatan sepuluh kali ganda, tahan kakisan dalam asid kuat dan tidak rapuh pada suhu -180°C.

(3) Kelangkaannya benar-benar mengagumkan: hanya belasan buah negara sahaja di seluruh dunia yang memiliki teknologi pengeluaran beramai-ramai, dengan gentian karbon premium diklasifikasikan sebagai "bahan strategik" – menjadikannya sukar diperolehi walaupun jika diingini.

"Pelakon serba boleh" ini berasal daripada asfalt, hasil sampingan daripada penapisan petroleum – seolah-olah mengekstrak berlian daripada timbunan arang batu, dengan setiap langkah penuh keajaiban.

Asfalt kepada Gentian Karbon: Proses 'Alkimia' Lima Langkah Di Mana Tidak Satu Langkah Boleh Dilupakan!

Langkah Pertama: Pemilihan Bahan — Yang Terbaik daripada yang Terbaik: Bitumen Premium
Tidak semua bitumen mampu kembali bangkit. Bitumen yang biasanya kita gunakan untuk pembinaan jalan mengandungi terlalu banyak bendasing dan mempunyai kandungan karbon yang rendah, menjadikannya tidak sesuai. Hanya "bitumen gred khas" dengan ketulenan tinggi, kandungan karbon tinggi (90%), dan kandungan sulfur serta logam yang rendah boleh digunakan untuk pengeluaran gentian karbon.

Jurutera menggunakan pengekstrakan pelarut untuk "merendam" asfalt: merendamnya dalam pelarut khas untuk menapis bahan pencemar seperti sulfur, nitrogen, dan logam berat, sama seperti menapis pasir. Penyulingan kemudian memurnikan struktur molekulnya, memberikannya potensi untuk ditarik menjadi filamen dan menahan suhu tinggi.

Peringkat ini menyerupai pemilihan atlet: hanya mereka yang mempunyai "asas yang kuat" sahaja yang mampu menahan latihan intensif seterusnya.

Langkah Kedua: Pemintalan — menarik "benang emas" yang sepuluh kali lebih halus daripada sehelai rambut.
Bitumen yang telah dimurnikan dipanaskan hingga 200–300°C, berubah menjadi cecair likat seperti madu. Cecair ini kemudian dipaksa melalui plat "spinneret" yang penuh dengan lubang-lubang kecil—setiap satu berukuran hanya 5–50 mikrometer (berbanding 50–100 mikrometer diameter rambut manusia), lebih halus daripada jarum sulaman!

Filamen asfalt yang dikeluarkan melalui orifis ini serta merta direndam dalam air sejuk atau udara sejuk untuk "menyejukkan dan membekukan", membentuk "helaian filamen asfalt" yang berterusan. Langkah ini memerlukan kemahiran teknikal yang luar biasa: kelajuan pengeluaran yang sedikit lebih tinggi boleh menyebabkan filamen putus; suhu penyejukan yang sedikit lebih rendah boleh menjadikannya rapuh; malah satu orifis yang tersumbat boleh membuat keseluruhan kumpulan filamen menjadi tidak boleh digunakan.

Seseorang mungkin mengibaratkannya sebagai "menghasilkan kepompong ulat sutera secara buatan," cuma "filamen" yang dikeluarkan adalah sepuluh kali lebih halus daripada sutera.

Langkah Tiga: Pra-pengoksidaan — Melitupi filamen dengan "pakaian tahan api"
Filamen asfalt yang baru dipintal adalah sesuatu yang rapuh: ia putus dengan tarikan ringan dan terbakar dengan percikan kecil. Untuk menjadikannya kuat dan kenyal, langkah pertama ialah menjadikannya tahan api.

Filamen mentah ditempatkan dalam sebuah ketuhar yang dipanaskan pada suhu 150-300°C, di mana ia mengalami pemanasan perlahan di udara selama beberapa jam. Semasa proses ini, unsur hidrogen dan oksigen secara beransur-ansur terbebas daripada filamen asfalt. Struktur molekulnya berubah daripada linear kepada keadaan berjaring, dan warnanya berubah daripada hitam kepada perang gelap. Yang lebih penting, ia menjadi tahan api!

Langkah ini sama sekali tidak boleh dilepaskan: melepaskan pra-pengoksidaan dan teruskan kepada pemprosesan suhu tinggi akan menyebabkan gentian asfalt terbakar serta-merta, menjadikan semua usaha sebelumnya sia-sia. Selain itu, kadar pemanasan mesti perlahan; memburu-buru akan menyebabkan "tegasan dalaman tidak sekata" dalam gentian, yang mengakibatkan retakan.

Langkah Empat: Pengkarbonan — Penyulingan pada suhu tinggi untuk menghasilkan "kerangka karbon tulen"
Filamen mentah, yang kini dilapisi dengan "pakaian tahan api", mesti menjalani "ujian utama" di dalam relau pengkarbonan. Relau ini beroperasi pada suhu antara 1000 hingga 1800°C dan mesti mengekalkan persekitaran bebas oksigen (jika tidak, karbon akan teroksidasi menjadi karbon dioksida).

Dalam suhu ekstrem ini, baki unsur bukan karbon (seperti hidrogen dan nitrogen) di dalam filamen "terlepas" sebagai gas. Apa yang tinggal adalah hampir sepenuhnya karbon (kandungan karbon 90%), dengan struktur molekulnya tersusun semula menjadi "hablur seakan grafit" yang teratur. Pada peringkat ini, "filamen asphalt" secara rasminya dinaik taraf kepada "pra-cursor gentian karbon"!

Suhu pengkarbonan secara langsung menentukan nilai gentian karbon: gentian karbon gred perindustrian biasa boleh dihasilkan pada suhu sekitar 1000°C, manakala gred aerospace memerlukan suhu melebihi 2000°C. Ini menghasilkan susunan hablur karbon yang lebih teratur dan kekuatan yang meningkat berlipat kali ganda, secara semula jadi meningkatkan harga.

Langkah Lima: Rawatan Permukaan — Mewujudkan Sambungan untuk Gentian Karbon
Gentian karbon yang baru dikarbonkan mempunyai permukaan yang licin seperti kaca, yang cenderung 'tergelincir' apabila dilekatkan dengan bahan seperti resin atau logam – ibarat dua keping kaca licin ditekan bersama, hanya untuk terpisah dengan bunyi klik. Gentian karbon yang telah dirawat kemudiannya ditenun menjadi kain (kain gentian karbon yang dibincangkan sebelum ini) atau dipotong menjadi gentian pendek, membentuk "kerangka utama" bahan komposit.
Pada tahap ini, perjalanan "metamorfosis" selama 2-3 bulan yang bermula dengan asfalt akhirnya selesai.

Fakta-fakta yang kurang diketahui ini tidak diketahui oleh 90% orang!

1. Tidak semua gentian karbon berasal daripada tompok petroleum: selain tompok petroleum, poliakrilonitril (PAN) dan gentian viskos juga boleh digunakan untuk menghasilkan gentian karbon. Gentian karbon berbasis PAN menyumbang 90% daripada pengeluaran global, manakala gentian karbon berbasis tompok lebih sesuai untuk aplikasi berkualiti tinggi dan berkekuatan tinggi.

2. Pengeluaran satu tan gentian karbon menggunakan 20 tan bahan mentah: dari tompok hingga gentian karbon, kadar hasil jatuh di bawah 5%. Tiada hairannya ia sangat mahal.

3. China telah memecahkan monopoli: sebelum ini, gentian karbon berkualiti tinggi dikawal oleh Eropah, Amerika dan Jepun. Kini, China telah mencapai pengeluaran besar-besaran gentian karbon gred T1100 (gred aerospace), dengan harga 30% lebih rendah daripada import.

Apa itu gentian karbon produk yang pernah anda jumpa?
Gentian karbon sebenarnya tidak jauh daripada kehidupan harian kita: selain daripada aerospace dan sukan motorsikal, ia kini digunakan dalam rangka basikal premium, lengan dron, dan malah casing telefon mudah alih.

Adakah anda pernah berjumpa produk gentian karbon di sekeliling anda? Atau aplikasi masa depan apakah yang anda jangkakan untuk bahan ini? Kongsikan pemikiran anda dalam ruangan komen!

Asfalt petroleum yang biasa sahaja telah mengalami transformasi luar biasa selama beberapa bulan, berkembang menjadi "emas hitam" yang menjadi asas kepada pembuatan tinggi-tolok. Di sebalik ini terletak usaha gigih para jurutera dalam mengejar ketepatan sehingga ke tahap milimeter, serta usaha berterusan manusia untuk menerokai batasan sains bahan. Lain kali apabila anda berjumpa produk gentian karbon, anda mungkin teringat: ia dahulu bermula sebagai sisa petroleum yang hampir dibuang.