Czym jest węgiel włóknisty? Co czyni ten „materiał gwiazdę” tak dobrym?

Kiedy mowa o węglu włóknistym, możesz już słyszeć o nim w aktualności - strzały rakiety, korpusy szybkich pociągów, drony, karoserie samochodów wyścigowych, a nawet profesjonalne rakiety do badmintona – wszędzie można znaleźć ten materiał. Ten wydawałoby się 'czarny' technologiczny materiał, którym tak naprawdę jest? Dziś najprostszymi słowami zapoznamy Cię z "gwiazdą świata materiałów".

Włókno węglowe, potocznie "super włókna węglowe"

Prościej mówiąc, włókno węglowe to niemetaliczny polimer organiczny zawierający 90% lub więcej węgla. Nie jest ani metalem, ani plastikiem, lecz "kryształem węgla" – czarnym filamentem powstającym w specjalnym procesie karbonizacji organicznych włókien (np. poliakrylonitrylu czy asfaltu) w wysokiej temperaturze, podczas którego usuwane są zanieczyszczenia.

Wygląd: o średnicy zaledwie 5-10 mikronów (około 1/10 grubości włosa), gołym okiem przypomina czarny sznurek bawełniany lub wełniany, ale w dotyku jest znacznie "twardsze" niż drut stalowy.

Cechy: "Lekki, mocny, odporny, stabilny".

(1) Wytrzymałość jest 7-9 razy większa niż stali, a odporność na pękanie znacznie przewyższa włókna szklane;
(2) Gęstość zaledwie 1,7 g/cm³, lżejszy niż aluminium (gęstość aluminium 2,7 g/cm³)
(3) Odporność na wysoką temperaturę (nie topi się powyżej 2000 ℃), odporność na korozję (nie boi się kwasów i zasad), nieprzewodność (po specjalnym zabiegu może być przewodzący).

Wydajność „włącz/wyłącz”: absurdalnie lekki i niespodziewanie twardy

Wielkość włókna węglowego opiera się na trzech kluczowych zaletach:

（1）Lekki jak piórko, ale mocniejszy od stali：

Gęstość wynosi tylko 1,7–2,0 g/cm³ (1/4 stali, 2/3 stopu aluminium), ale wytrzymałość na rozciąganie może osiągnąć 3000–7000 MPa (ponad 10 razy więcej niż stal), a sznur z włókna węglowego o grubości palca może podnieść samochód o masie kilku ton.

（2）Sztywność wybuchowa, stabilny jak skała:

Moduł sprężystości (miara sztywności) osiąga 200–600 GPa, praktycznie nie ulega odkształceniom pod wpływem sił zewnętrznych; używany jako podpora satelity, pozwala zachować precyzyjne ustawienie w przestrzeni kosmicznej.

（3）Właściwości „antykonstrukcyjne” w pełni wykorzystane:

Odporność na wysoką temperaturę (w środowisku obojętnym do 2000 ℃), odporność na kwasy i zasady (woda morska przez dziesięciolecia bez korozji), odporność na zmęczenie (powtarzające się obciążenia nie powodują pęknięć), metal w porównaniu z nią musi "podać za wygraną".

Dlaczego włókno węglowe to "materiał strategiczny dla kraju"?

Wytwarzanie włókna węglowego jest skrajnie trudne, a jedynie kilka krajów na świecie potrafi produkować je seryjnie w najwyższej jakości (głównie Chiny, Japonia i Stany Zjednoczone). Jest nie tylko "fundamentem" zaawansowanej produkcji, ale również ma znaczenie dla kluczowych obszarów takich jak lotnictwo kosmiczne i bezpieczeństwo obronne.

Na przykład w wojskowości włókno węglowe może być stosowane do produkcji kadłubów samolotów-ścigaczy niewidzialnych (pochłanianie fal), korpusów rakiet (lekkość zwiększająca zasięg); w dziedzinie nowych źródeł energii im dłuższe łopaty turbiny wiatrowej, tym wyższa efektywność produkcji energii elektrycznej, a jedynie włókno węglowe może wspierać gigantyczne łopaty na poziomie 100 metrów.
W ostatnich latach przemysł węglowłóknia w Chinach osiągnął szybki przełom, przechodząc od zależności od importu do niezależnej produkcji masowej, a nawet zajmując dominującą pozycję na rynku globalnym w niektórych obszarach (np. energetyka wiatrowa, artykuły sportowe).

Jak powstaje węglowłókno?

Wielkość włókna węglowego opiera się na trzech kluczowych zaletach:

（1）Przygotowanie podstawowego filamentu

Surowce takie jak poliakrylonitryl (PAN), smoła i inne materiały przechodzą proces przeróbki włókien, by uzyskać tzw. "surowe jedwabie" (podobne do włókien chemicznych). Ten etap stanowi fundament – jakość surowego jedwabiu bezpośrednio wpływa na właściwości końcowego węglowłókna (Chiny długo miały problemy precisely na tym etapie).

（2）Karbonizacja

Surowy jedwab jest stopniowo ogrzewany do temperatury od 1000 do 3000°C w atmosferze gazu obojętnego (aby zapobiec spalaniu), co prowadzi do usunięcia pierwiastków takich jak wodór i tlen, pozostawiając jedynie cząsteczki węgla. Po tym etapie zawartość węgla we włóknie wzrasta z 50% do ponad 90%, co gwałtownie zwiększa jego wytrzymałość i twardość.

（3）Dalsza obróbka

Zależnie od zastosowanie , włókna węglowe są tkane w tkaninę, nawijane na rury lub łączone z żywicami, metalami itp., aby tworzyć "kompozyty węglowe" (takie jak często nazywane "płyty z włókna węglowego" i "rury z włókna węglowego").

【Ciekawostka o włóknie węglowym】

P: Dlaczego jest czarne?
O: Struktury grafitowe pochłaniają niemal całe światło widzialne.

P: Obawia się ognia?
O: Utlenianie zaczyna się przy 400°C w powietrzu, ale kapsuła wykorzystuje je jako osłonę cieplną.

P: Czy można ją recyklingować?
O: BMW umożliwiło recykling części samochodowych ze zużytego włókna węglowego.