Apa itu gentian karbon? Apa yang menjadikan "bintang bahan" ini begitu hebat?

Apabila disebut gentian karbon, anda mungkin pernah mendengarnya dalam berita - anak panah roket, badan kereta api laju tinggi, dron, kulit kereta lumba, dan malah raket badminton premium turut menggunakan bahan ini. Bahan yang kedengaran seperti "teknologi hitam" ini sebenarnya apakah? Hari ini, dengan kata-kata yang paling biasa, kami akan membawa anda mengenali "bintang dunia bahan".

Fiber karbon, pada asasnya "filamen karbon super"

Secara ringkas, fiber karbon ialah polimer organik bukan logam yang mengandungi kandungan karbon sehingga 90% atau lebih. Ia bukan logam mahupun plastik, tetapi merupakan "hablur karbon" — satu filamen hitam yang terbentuk melalui proses khas penkarbonan fiber organik (seperti poliakrilonitril dan bitumen) pada suhu tinggi untuk mengeluarkan bendasing.

Penampilan: berdiameter hanya 5-10 mikron (sekitar 1/10 daripada diameter rambut manusia), kelihatan seperti benang kapas hitam atau bulu biri-biri dengan mata kasar, tetapi sentuhannya lebih "keras" daripada dawai besi.

Ciri-ciri: "Ringan, kuat, tahan lasak, stabil".

(1) Kekuatannya 7-9 kali ganda berbanding keluli, manakala ketegangannya jauh melebihi fiber kaca;
(2) Ketumpatan hanya 1.7g/cm³, lebih ringan daripada aluminium (ketumpatan aluminium 2.7g/cm³)
(3) Rintangan suhu tinggi (tidak melebur di atas 2000 ℃), rintangan kakisan (tidak takutkan asid dan alkali), tidak konduktif (rawatan khas boleh menjadikannya konduktif).

Prestasi "hidup-mati": remeh ringan tetapi mengejutkan keras

Kehebatan gentian karbon kesemuanya "disokong" oleh tiga kelebihan utama:

（1）Ringan seperti bulu, tetapi lebih kuat daripada keluli：

Ketumpatan hanya 1.7-2.0g/cm³ (1/4 daripada keluli, 2/3 daripada aloi aluminium), tetapi kekuatan tegangan boleh mencapai 3000-7000MPa (lebih daripada 10 kali ganda daripada keluli), dan tali gentian karbon setebal jari boleh mengangkat beberapa tan kereta.

（2）Kekakuan meletup, stabil seperti batu:

Modulus keanjalan (ukuran kekakuan) mencapai 200-600GPa, hampir tiada ubah bentuk apabila dikenakan daya, penggunaannya sebagai penyokong satelit boleh mengekalkan kedudukan tepat di angkasa.

（3）Ciri "anti-bina" ditarik sepenuhnya:

Ketahanan suhu tinggi (dalam persekitaran lengai sehingga 2000 ℃), ketahanan terhadap asid dan alkali (lautan selama beberapa dekad tanpa kakisan), anti-fatigue (daya berulang tidak mudah patah), logam di hadapannya perlu "mengaku kalah".

Mengapa gentian karbon merupakan "bahan strategik nasional"?

Pengeluaran gentian karbon sangat sukar, dan hanya terdapat beberapa buah negara di dunia yang mampu menghasilkan gentian karbon berkualiti tinggi secara besar-besaran (terutamanya China, Jepun, dan Amerika Syarikat). Ia bukan sahaja merupakan "tonggak" dalam pembuatan berkualiti tinggi, malah berkaitan dengan bidang utama seperti angkasa lepas dan keselamatan pertahanan.

Sebagai contoh, dalam bidang tentera, gentian karbon boleh digunakan untuk pengeluaran badan kapal terbang penyamar (penyerap gelombang), badan misil (ringan untuk meningkatkan jarak capaian); dalam bidang tenaga baharu, semakin panjang bilah turbin angin, semakin tinggi kecekapan penjanaan kuasa, dan hanya gentian karbon yang mampu menyokong bilah gergasi pada tahap 100 meter.
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, industri gentian karbon China mengalami kemajuan pesat, daripada bergantung kepada import hingga mencapai pengeluaran besar secara bebas, malah mendominasi pasaran global dalam beberapa bidang (seperti tenaga angin, barangan sukan).

Bagaimanakah gentian karbon "dibuat"?

Kehebatan gentian karbon kesemuanya "disokong" oleh tiga kelebihan utama:

（1）Penyediaan filamen primer

Bahan mentah seperti poliakrilonitril (PAN), tolok dan lain-lain diproses melalui pemintalan untuk menghasilkan "sutra mentah" (seakan-akan gentian kimia). Langkah ini merupakan asas, di mana kualiti sutera mentah secara langsung menentukan prestasi gentian karbon (China pernah terperangkap dalam langkah ini dalam jangka masa yang lama).

（2）Pengarbonan

Sutera mentah dipanaskan secara beransur-ansur sehingga 1,000-3,000 darjah Celsius dalam gas lengai (untuk mencegah pembakaran), yang mana unsur-unsur seperti hidrogen dan oksigen dikeluarkan, hanya meninggalkan molekul karbon. Selepas langkah ini, kandungan karbon dalam gentian meningkat daripada 50% kepada lebih 90%, menyebabkan kekuatan dan kekerasannya meningkat dengan ketara.

（3）Pemprosesan susulan

Bergantung kepada pERMOHONAN , gentian karbon dianyam menjadi kain, digulung menjadi tiub, atau dicampur dengan resin, logam, dan sebagainya untuk menghasilkan "komposit gentian karbon" (seperti yang biasa kita panggil "papan gentian karbon" dan "tiub gentian karbon").

【Pengetahuan Sejuk Gentian Karbon】

S: Mengapa ia berwarna hitam?
J: Struktur grafit menyerap hampir semua cahaya kelihatan.

S: Takutkan api?
J: Pengoksidaan bermula pada suhu 400°C di udara, tetapi kapsul menggunakan ini sebagai perisai haba.

P: Adakah ia boleh didaur semula?
J: BMW telah menjadikan kitar semula komponen kereta daripada sisa gentian karbon sebagai suatu kemungkinan.