Si Transformohet Fibra e Karbonit nga Nafta/Bitumi në "Artë të Zi"?

A mund ta besoni? Korniza qendrore e raketave të kampionëve olimpike që mund të godasin shuttlecocket me 300km/h, makinat F1 me karroserie që qëndrojnë sprintime 0-100km/h brenda 2,3 sekondash, madje edhe mbulesat e jashtme të raketave hapësinore që kalojnë atmosferën – thelbi i tyre rrjedh nga 'rezidua e zeza' e hedhur pas procesit të rafinimit të naftës?

Sot hyjmë në rritjen e jashtëzakonshme të fibërave të karbonit, 'kënqijes së parë' në shkencën e materialeve. Zbuloni se si asfalti i thjeshtë i naftës kaloi mbi pa numëruar vështirësi për të shndërruar në 'art të zi' që vlen më shumë se argjendi!

Pse quhet "art i zi"?
Para se të nisim këtë udhëtim transformimi, le të përgjigjemi së pari një pyetje themelore: pse fibra e karbonit krahasohet aq shpesh me artin?
(1) Çmimi i saj është vërtet 'i denjë për art': fibra e zakonshme e karbonit kushton disa mijëra yuan për kilogram, ndërsa fibra e karbonit e nivelit të lartë për industrinë ajrore mund të arrijë deri në 20.000 yuan për kilogram – më e shtrenjtë se argjendi (rreth 5 yuan për gram).

(2) Performanca është e fuqishme: Peshon vetëm një katër të çelikut, por ka fortësi dhjetë herë më të madhe, reziston korrozionit në acide të forta dhe nuk thyhet në temperaturë -180°C.

(3) Skarja e saj është vërtet e fuqishme: vetëm një dhjetor apo më pak vende në botë posedojnë teknologjinë e prodhimit masiv, ku fibra e karbonit premium konsiderohet si një "material strategjik" – gjë që e bën të vështirë blerjen edhe kur dëshirohet.

Ky "lojtar i plotë" vjen nga asfalti, një produkt anësor i rafinimit të naftës – ngjashëm me nxjerrjen e diamanteve nga pllajt e qymyr, ku çdo hap është i mbushur me mrekulli.

Nga Asfalti te Fibra e Karbonit: Një Proces Pesë-Hapësh 'Alkimi' Ku Asnjë Hap Nuk Mund Të Anashkalohet!

Hapi i Parë: Zgjedhja e Materialit — Krem i Krimit: Bitumen Premium
Jo tërë bitumeni mund të përdoret. Bitumeni që zakonisht përdorim për ndërtimin e rrugëve përmban shumë tepër grimca të papastërta dhe ka përmbajtje të ulët karboni, gjë që e bën të papërshtatshëm. Vetëm "bitumen i gradës speciale" me pastërti të lartë, përmbajtje të lartë karboni (90%) dhe përmbajtje të ulët të squfurit dhe metaleve mund të përdoret për prodhimin e fibrës së karbonit.

Inxhinierët përdorin ekstraktimin me tretës për të "lërë" asfaltin: duke e zhytur atë në tretës të veçantë për të filtruar papastërtitë si squfur, azot dhe metale të rënda, si për shembull duke filtruar rërën. Distillacioni më pas e përsos strukturën molekulare, duke e pajisur atë me potencialin për t'u tërhequr në filamentë dhe për të rezistuar në temperatura të larta.

Kjo fazë është si përzgjedhja e atletëve: vetëm ata që kanë "bazë të fortë" mund të përballojnë stërvitjen intensive të mëvonshme.

Hapi i dytë: Përpunimi duke nxjerrë "fije ari" dhjetë herë më të mira se një fije flokësh.
Bitumi i pastruar nxehet në 200-300°C, duke u transformuar në një "lëvizje" viskoze si mjaltë. Pastaj ajo shkriret përmes një "platë rrotulluese" të mbushur me vrima të vogla, secila me diametër vetëm 550 mikrometra (krahasuar me 50100 mikrometrat e flokëve të njeriut), më të hollë se një gjilpërë gjithi!

Filamentet e asfaltit që nxirren përmes këtyre hapjeve imediatisht zhyten në ujë të ftohtë ose ajër i ftohur për t’u "fthyer dhe ngurtësuar", duke formuar "tjera filamentesh të vazhdueshme prej asfalti". Kjo fazë kërkon një aftësi teknike të shkëlqyeshme: një shpejtësi pak më e lartë nxjerrjeje shkakton thyerjen e filamenteve; temperatura pak më e ulët e ftohjes i bën të brishta; madje edhe vetëm një hapje e bllokuar mund të bëjë të padorshme një tërë partinë e filamenteve.

Dikush mund ta krahasojë me "prodhimin artificial të kokonave të fjalit", me përjashtim se "filamenti" i nxjerrë është dhjetë herë më i hollë sesa mëndafshi.

Hapi Tre: Paragjymtimi — Veshja e filamentit me një "veshje antizjarre"
Filamenti i ri i rrëshkitur prej asfalti është një gjë e delikate: thyehet nga çdo tension i vogël dhe zjarrëset nga çdo shkëndijë e vogël. Për ta bërë të fortë dhe elastik, hapi i parë është ta bëjmë të papërfaqshëm.

Filamenti i papërpunuar vendoset në një furrë të nxehtë në temperaturën 150-300°C, ku ngrohet ngadalë në ajër për disa orë. Gjatë këtij procesi, elementët e hidrogjenit dhe oksigjenit largohen gradualisht nga filamenti asfaltik. Struktura molekulare e tij transformohet nga gjendja lineare në një gjendje rrjeti, dhe ngjyra e saj ndryshon nga e zezë në kafe të errët. Gjëja më e rëndësishme, bëhet rezistente ndaj zjarrit!

Kjo hap absolutisht nuk mund të anashkalohet: nëse anashkalohet paragjymtimi dhe kalohet direkt në përpunimin me temperaturë të lartë, fibra asfaltike do të digjet menjëherë, duke bërë të humbura krejt përpjekjet e mëparshme. Më tepër, shkalla e ngrohjes duhet të jetë e ngadaltë; nqs nxitohet, do të çojë në "stres të papërbashkët brendshëm" brenda fibrës, duke shkaktuar tharje.

Hapi Katër: Karbonizimi — Përpunim me temperatura të larta për prodhimin e një "skletoni të pastër karboni"
Filamenti i papërpunuar, tani i mbuluar me "veshjen zjarrirezistente", duhet të përballet me "provimin e fundit" brenda furrës së karbonizimit. Kjo furrë funksionon në temperatura që variojnë nga 1000 deri në 1800°C dhe duhet të ruajë një mjedis pa oksigjen (përndryshe karboni do të oksidonte në dioksid karboni).

Nën këto temperatura ekstreme, gjurmët e fundit të elementëve jo-karbonik (si hidrogjeni dhe azoti) brenda filaments "largohen" si gazra. Ajo që mbetet është pothuajse karbon i pastër (përmbajtja e karbonit 90%), me strukturën molekulare që riorganizohet në "kristale të rregullta të ngjashme me grafitin". Në këtë fazë, "filamenti i asfaltit" zyrtarisht ngrihet në "paraparsës të fibërave të karbonit"!

Temperatura e karbonizimit përcakton drejtpërdrejt vlerën e fibërave të karbonit: fibra të karbonit të klasës industriale të zakonshme mund të prodhohen rreth 1000°C, ndërsa për ato të klasës ajrohapesore nevojiten temperatura mbi 2000°C. Kjo rezulton në një radhitje më të renditur të kristaleve të karbonit dhe fortësi që rritet disa herë, gjë që natyrisht ngrin çmimin.

Hapi i Pestë: Trajtimi i Sipërfaqes – Krijimi i Lidhjeve për Fibër të Karbonit
Fibra e re e karbonizuar ka një sipërfaqe aq të rrjedhshme sa si qelqi, e cila ka tendencë të 'rrëshqasë' kur lidhet me materiale si rezina apo metal – pikërisht si dy pllaka të qelqta të rrjedhshme të shtypura së bashku, që pastaj ndahen me një klik. Më pas, fibra e karbonit e trajtuar përpunohet në stof (stoffi i fibërave të karbonit siç u diskutua më parë) ose preset në fibra të shkurtra, duke formuar "karkasinë kryesore" të materialeve kompozite.
Në këtë pikë, udhëtimi 2-3 mujor i transformimit që filloi me asfaltin përfundimisht ka mbaruar.

Këto fakte të panjohura janë të panjohura për 90% të njerëzve!

1. Jo tërë fibra e karbonit prodhohet nga asfalti i naftës: përballë asfaltit të naftës, poliakrilonitrili (PAN) dhe fibra viskozë mund të përdoren gjithashtu për prodhimin e fibrës së karbonit. Fibra e karbonit bazuar në PAN zë 90% të prodhimit global, ndërsa fibra e bazuar në asfalt është më e përshtatshme për aplikime të larta me forcë të lartë.

2. Prodhimi i një tone fibre karboni konsumon 20 tonë materiale të para: nga asfalti tek fibra e karbonit, norma e daljes bie nën 5%. Asnjë çudite që është kaq e shtrenjtë.

3. Kina ka thyer monopolin: më parë, fibra e karbonit e nivelit të lartë ishte nën kontrollin e Evropës, Amerikës dhe Japonisë. Tani, Kina ka arritur prodhim masiv të fibrës së karbonit të klasës T1100 (klasë ajrore), e cila ofrohet 30% më pak se importet.

Çfarë fibre karboni pRODUKTET keni hasur ju?
Fibra e karbonit në fakt nuk është fare larg jetës sonë të përditshme: përtej ajrosferës dhe sporteve motorike, ajo tashmë gjendet në korniza biciklesh të larta, krahë dronjsh dhe madje edhe në mbështjellësat e telefonave celularë.

A keni hasur me produkte prej fibër karboni në mjedisin tuaj? Ose cilat aplikime të ardhshme parashikoni për këtë material? Ndani mendimet tuaja në komentet më poshtë!

Asfalti i thjeshtë i naftës kaloi një transformim të jashtëzakonshëm gjatë disa muajve, duke u zhvilluar në "artën e zezë" që mbështet prodhimin e lartë. Pasa kësaj janë kërkesat e palodhshme për saktësi në nivel milimetri nga inxhinierë të pafund, si dhe kërkimi i vazhdueshëm i njerëzimit për të shtyrë kufijtë e shkencës së materialeve. Herën tjetër që takoni një produkt prej fibër karboni, mund të kujtoni: dikur filloi si thjesht mbeturina e hedhur e naftës.