कार्बन फाइबर पेट्रोलियम/तारपीनबाट "कालो सुन" मा कसरी परिवर्तन हुन्छ?

तपाईंले विश्वास गर्नुहुन्छ? 300 किमी/घण्टा मा शटलकक्कहरू तोड्न सक्ने ओलम्पिक च्याम्पियनहरूको र्याकेटको मुख्य ढाँचा, 2.3 सेकेन्डमा 0-100 किमी/घण्टा को ड्राइभ सहन सक्ने F1 कारहरू, वातावरणलाई भेद्ने अन्तरिक्ष रकेटको बाह्य खोल— तिनको आधार पनि तेल परिष्करण पछि फालिएको 'कालो अवशेष' बाट नै आएको हो?

आज हामी सामग्री विज्ञानको 'शीर्ष कुकुर' कार्बन फाइबरको अद्भुत उत्थानमा डुब्छौं। नम्र पेट्रोलियम एस्फाल्टले असंख्य परीक्षणहरूलाई कसरी पार गर्यो र चाँदीभन्दा पनि महँगो 'कालो सुन' मा परिवर्तन भयो भन्ने कुरा पत्ता लगाउनुहोस्!

यसलाई "कालो सुन" किन भनिन्छ?
रूपान्तरणको यो यात्रामा जानुअघि, हामी पहिले एउटा मौलिक प्रश्नलाई सम्बोधन गरौं: कार्बन फाइबरलाई प्रायः सुनसँग तुलना किन गरिन्छ?
(१) यसको मूल्य साँच्चै 'सुनको योग्य' छ: मानक कार्बन फाइबरको मूल्य प्रति किलोग्राममा हजारौं युआन हुन्छ, जबकि उच्च-स्तरीय एयरोस्पेस-ग्रेड कार्बन फाइबरको मूल्य प्रति किलोग्राममा २०,००० युआनसम्म पुग्न सक्छ – चाँदी (लगभग ५ युआन प्रति ग्राम) भन्दा पनि महँगो।

(२) प्रदर्शन शानदार छ: यसको वजन स्टीलको एक-चौथाइ मात्र छ तर यसको दस गुणा शक्ति छ, यो तीव्र अम्लमा क्षरण प्रतिरोधी छ र -१८०°C मा पनि भंगुर हुँदैन।

(३) यसको दुर्लभता साँच्चै शानदार छ: विश्वभरमा केवल एक दर्जन वा त्यसभन्दा बढी देशहरूमा मात्र ठूलो पैमानामा उत्पादन गर्ने प्रविधि छ, र उच्च-गुणस्तरको कार्बन फाइबरलाई "रणनीतिक सामग्री" को रूपमा वर्गीकृत गरिएको छ – चाहेपनि प्राप्त गर्न गाह्रो हुन्छ।

यो "सबै-दक्ष" एस्फाल्टबाट आउँछ, पेट्रोलियम सुधारणको एउटा उप-उत्पादन – कोइलाको ढुवाबाट हीरा निकाल्न जस्तै, प्रत्येक चरण आश्चर्यले भरिपूर्ण छ।

एस्फाल्टबाट कार्बन फाइबर: पाँच चरणको 'अल्केमी' प्रक्रिया जहाँ एक मात्र चरण पनि छोड्न सकिँदैन!

पहिलो चरण: सामग्री चयन — उत्कृष्टतममा उत्कृष्ट: प्रीमियम बिटुमेन
सबै बिटुमेनले फर्कन सक्दैन। हामीले सामान्यतया सडक निर्माणका लागि प्रयोग गर्ने बिटुमेनमा धेरै अशुद्धिहरू हुन्छन् र कार्बनको मात्रा कम हुन्छ, जसले गर्दा यो अनुपयुक्त हुन्छ। केवल उच्च शुद्धता, उच्च कार्बन सामग्री (90%), र कम सल्फर तथा धातु सामग्री भएको "विशेष-ग्रेड बिटुमेन" लाई कार्बन फाइबर उत्पादनका लागि प्रयोग गर्न सकिन्छ।

इन्जिनियरहरूले एस्फाल्टलाई "स्नान" गराउन विलायक निष्कर्षण प्रयोग गर्छन्: यसलाई विशेष विलायकमा डुबाएर सल्फर, नाइट्रोजन, र भारी धातु जस्ता अशुद्धिहरू छान्छन्, जस्तो बालुवा छान्ने। त्यसपछि आसवनले यसको आणविक संरचनालाई परिष्कृत गर्छ, जसले गर्दा यसलाई तन्तुमा खींच्न र उच्च तापक्रम सहन गर्ने क्षमता प्राप्त हुन्छ।

यो चरण खेलाडी छान्न जस्तै हुन्छ: केवल ती "दृढ आधार" भएका व्यक्तिहरूले मात्र पछिको घनघोर प्रशिक्षण सहन सक्छन्।

चरण दुई: स्पिनिङ — कपालको एउटा धागाभन्दा दस गुणा बढी नाजुक "सुनौलो धागाहरू" खींचेर निकाल्नु।
शुद्ध बिटुमेनलाई 200–300°C सम्म तातो पारिन्छ, जसले यसलाई मह जस्तो घना "पग्लिएको पदार्थ" मा परिणत गर्छ। यो पग्लिएको पदार्थलाई त्यसपछि साना-साना छिद्रहरूले भरिएको "स्पिनरेट प्लेट" बाट धकेलिन्छ—जसको प्रत्येक छिद्रको व्यास मात्र 5–50 माइक्रोमिटर (मानव कपालको 50–100 माइक्रोमिटरको तुलनामा) हुन्छ, जुन राम्रोसँग सिलाई गर्ने सुईभन्दा पनि नाजुक हुन्छ!

यी छिद्रहरूबाट बाहिर निस्कने एस्फाल्टका धागाहरूलाई तुरुन्तै चिसो पानी वा चिसो हावामा डुबाइन्छ ताकि तिनीहरू "ठण्डा र सेट" हुन सकून् र निरन्तर "एस्फाल्ट फिलामेन्ट स्ट्र्यान्ड" बनाउन सकून्। यो चरण अत्यधिक तकनीकी कौशल माग्छ: थोरै मात्रै उच्च एक्सट्रुजन गतिले धागाहरू टुट्न सक्छ; ठण्डो तापक्रमको थोरै मात्रै कमीले तिनीहरू भंगुर बनाउँछ; एउटा मात्रै छिद्र अवरुद्ध भएतापनि सम्पूर्ण ब्याचका धागाहरू अप्रयोग्य बन्न सक्छन्।

यसलाई "कृत्रिम रूपमा रेशमको एउटा कोकुन उत्पादन गर्ने" को रूपमा तुलना गर्न सकिन्छ, तर यहाँ बाहिर निस्केको "फिलामेन्ट" रेशमभन्दा दस गुणा बढी नाजुक हुन्छ।

चरण तीन: प्री-अक्सिडेशन — फिलामेन्टलाई "अग्निरोधी सूट" ले ढाक्नु
ताजा घिँउँदो एस्फाल्ट फिलामेन्ट एक सानो संवेदनशील चीज हो: यो सानो खिचावमा टुट्छ र सानो चिन्गुरामा आगो पक्रन्छ। यसलाई मजबुत र टिकाउ बनाउन, पहिलो कदम यसलाई अग्निरोधी बनाउनु हो।

कच्चा फिलामेन्टलाई १५०-३००°C सम्म तातो ओभनमा राखिन्छ, जहाँ यसलाई हावामा केही घण्टासम्म धीमा तातो गरिन्छ। यस प्रक्रियामा, एस्फाल्ट फिलामेन्टबाट हाइड्रोजन र अक्सिजन तत्वहरू धीरे-धीरे बाहिर निस्कन्छन्। यसको आणविक संरचना रेखीयबाट जालीको अवस्थामा परिवर्तन हुन्छ, र यसको रङ कालोबाट गाढा ब्राउनमा परिवर्तन हुन्छ। महत्त्वपूर्ण कुरा, यो अब आगो प्रतिरोधी हुन्छ!

यो चरण पूर्ण रूपमा छोड्न नहुने हो: प्री-अक्सिडेशन छोडेर सिधै उच्च तापक्रमको प्रक्रियामा जानाले एस्फाल्ट फाइबर तुरुन्त जल्नेछ, जसले सबै पहिलेका प्रयासहरू व्यर्थ बनाउँछ। यसको अतिरिक्त, तातो गर्ने दर धीमा हुनुपर्छ; यसलाई जल्दी गर्नाले फाइबरको भित्री भागमा "असमान आन्तरिक तनाव" उत्पन्न हुन्छ, जसले फटहरू उत्पन्न गर्छ।

चरण चार: कार्बनीकरण — उच्च तापमानमा सुधार गरेर "शुद्ध कार्बन संरचना" उत्पादन गर्नु
अब आगोरोधी लेपले ढाकिएको कच्चा फिलामेन्टले कार्बनीकरण भट्टीभित्र "परम परीक्षा" झेल्नु पर्छ। यो भट्टी १००० देखि १८००°C सम्मको तापमानमा काम गर्दछ र यसले अक्सिजनरहित वातावरण कायम राख्नु पर्छ (अन्यथा कार्बन कार्बन डाइअक्साइडमा अक्सिकरण हुन्छ)।

यी चरम तापमानहरूको अधीनमा, फिलामेन्टका भित्रका कार्बन नभएका तत्वहरू (जस्तै हाइड्रोजन र नाइट्रोजन) को अन्तिम अवशेष ग्याँसको रूपमा "भागि जान्छन्"। जे बाँकी रहन्छ त्यो लगभग शुद्ध कार्बन (कार्बन सामग्री ९०%) हुन्छ, जसको आणविक संरचना सुव्यवस्थित "ग्रेफाइट जस्ता क्रिस्टल" मा पुनः व्यवस्थित हुन्छ। यस चरणमा, "एस्फाल्ट फिलामेन्ट" औपचारिक रूपमा "कार्बन फाइबर प्रागुत्पादक" मा अद्यावधिक हुन्छ!

कार्बनीकरण तापक्रमले सिधै कार्बन फाइबरको मूल्य निर्धारण गर्दछ: सामान्य औद्योगिक-ग्रेड कार्बन फाइबर लगभग 1000°C मा उत्पादन गर्न सकिन्छ, जहाँ एयरोस्पेस-ग्रेडले 2000°C भन्दा बढीको तापक्रम आवश्यक पर्दछ। यसले अधिक व्यवस्थित कार्बन क्रिस्टल संरचना र केही गुणा बढी शक्ति उत्पन्न गर्दछ, जसले स्वाभाविक रूपमा मूल्य बढाउँछ।

पाँचौं चरण: सतह उपचार — कार्बन फाइबरका लागि जडान स्थापना गर्ने
ताजा कार्बनीकृत कार्बन फाइबरको सतह काँच जस्तै चिक्किलो हुन्छ, जुन राल वा धातु जस्ता सामग्रीसँग जोडिँदा 'फेंकिन्छ' – दुईवटा चिक्किलो काँचका प्यानललाई एकअर्कामा थिच्दा जस्तै, जुन अचानक छुट्टिन्छ। उपचारित कार्बन फाइबरलाई त्यसपछि कपडामा बुनिन्छ (अघि चर्चा गरिएको कार्बन फाइबर कपडा) वा छोटा फाइबरमा काटिन्छ, यौगिक सामग्रीको "मुख्य कंकाल" बनाउँदछ।
यस बिन्दुमा, एस्फाल्टबाट सुरु भएको 2-3 महिनाको "रूपान्तरण" यात्रा अन्ततः पूरा भएको छ।

यी साना ज्ञात तथ्यहरू 90% मानिसहरूलाई अज्ञात छन्!

1. सबै कार्बन फाइबर पेट्रोलियम पिचबाट उत्पादित हुँदैन: पेट्रोलियम पिचको साथै, पोलीएक्राइलोनिट्राइल (PAN) र भिस्कोज फाइबर प्रयोग गरेर पनि कार्बन फाइबर उत्पादन गर्न सकिन्छ। विश्वव्यापी उत्पादनको 90% PAN आधारित कार्बन फाइबरले ओगटेको छ, जबकि पिच-आधारित कार्बन फाइबर उच्च-स्तरीय, उच्च-शक्ति अनुप्रयोगहरूका लागि बढी उपयुक्त हुन्छ।

2. एक टन कार्बन फाइबर उत्पादन गर्न 20 टन कच्चा पदार्थको आवश्यकता हुन्छ: पिचबाट कार्बन फाइबरसम्मको प्रक्रियामा उत्पादन दर 5% भन्दा तल झर्छ। यसैले यो यति महँगो छ।

3. चीनले एकाधिकार तोडेको छ: अघि, उच्च-स्तरीय कार्बन फाइबर युरोप, अमेरिका र जापानको नियन्त्रणमा थियो। अहिले, चीनले T1100-ग्रेड कार्बन फाइबर (एयरोस्पेस-ग्रेड) को ठूलो मात्रामा उत्पादन गर्न सफल भएको छ, जसको मूल्य आयात भएको भन्दा 30% कम छ।

तपाईंले कुन कार्बन फाइबर देख्नुभयो? उत्पादनहरू तपाईंले कताकता भेट्नुभयो?
कार्बन फाइबर वास्तवमा हाम्रो दैनिक जीवनमा टाढाको केही होइन: एयरोस्पेस र मोटरस्पोर्टको परे, यो अब उच्च-स्तरीय साइकल फ्रेम, ड्रोनका भुजाहरू, र यहाँसम्म फोनको केसमा पनि प्रयोग हुन्छ।

के तपाईंले आफ्नो वरिपरि कार्बन फाइबर उत्पादनहरू देखेका छन्? वा तपाईंले यस सामग्रीको भविष्यमा कुन प्रयोगको कल्पना गर्नुहुन्छ? टिप्पणीहरूमा आफ्नो विचार साझा गर्नुहोस्!

धेरै महिनासम्म अप्रचलित पेट्रोलियम एस्फाल्टले उच्च-स्तरीय उत्पादनको आधारशिला 'कालो सुन'मा रूपान्तरण पायो। यसको पछाडि मिलिमिटर-स्तरको शुद्धताको लागि असंख्य इन्जिनियरहरूको निरन्तर प्रयास र सामग्री विज्ञानको सीमाहरूलाई बढाउने मानवताको निरन्तर प्रयास छ। अर्को पटक तपाईंले कार्बन फाइबर उत्पादन देख्नुभएमा, तपाईंले सम्झन सक्नुहुन्छ: यसले पेट्रोलियमको फालिएको अवशेषबाट नै सुरुवात गरेको थियो।