Çfarë është fibra e karbonit? Çfarë e bën këtë “materiale yll” aq të mirë?

Kur bëhet fjalë për fibrën e karbonit, mund ta keni dëgjuar në lajm - shigjetë raketash, karroceri lëndësh me shpejtësi të lartë, dronë, karroca garash dhe madje raqete badmintoni të kategorisë së lartë kanë figurën e saj. Kjo mbi-materiale që tingëllon si "teknologji e errështë", në fund të fundit çfarë është? Sot, me fjalët më të thjeshta, do t'ju njohim me "ylin e botës së materialeve".

Fibra e karbonit, në thelb "filamentë super karboni"

Thjesht, fibra e karbonit është një fibrë polimerike jometalike që përmban 90% ose më shumë karbon. Ajo nuk është as metal as plastikë, por një "kristal karboni" – një filament i zi i formuar përmes një procesi special karbonizimi të fibrave organike (si poliakrilonitrili dhe asfalti) në temperatura të larta për të hequr papastërtitë.

Larg: vetëm 5-10 mikronë në diametër (rreth 1/10 e një flokë njeriu), duket si një fije e zezë leshi apo vullkë me sy të lirë, por është më "e fortë" në prekje sesa një tel hekuri.

Karakteristikat: "E lehtë, e fortë, e rezistente, e qëndrueshme".

(1) Fortësia është 7-9 herë më e madhe se ajo e elikut, ndërsa elasticiteti është shumë më i lartë se ai i fibër qelqi;
(2) Dendësia vetëm 1.7g/cm³, më e lehtë se aluminimi (dendësia e aluminimit 2.7g/cm³)
(3) rezistencë ndaj temperaturës së lartë (nuk shkrihet mbi 2000 ℃), rezistencë ndaj korrozionit (nuk i ka frikë nga acidet dhe alkalitë), jo-përçuese (me trajtim të veçantë mund të bëhet përçuese).

Performanca "on and off": absurdisht e lehtë dhe papritmas e fortë

Madhështia e fibërave të karbonit është plotësisht "mbështetur" nga tri avantazhe kyçe:

（1）E lehtë si një penë, por më e fortë se çeliku：

Dendësia është vetëm 1.7-2.0g/cm³ (1/4 e çelikut, 2/3 e aliazhit të aluminimit), por forca e terheqjes mund të arrijë 3000-7000MPa (më shumë se 10 herë ajo e çelikut), dhe një lidhje me trashësi gishteri prej fibër karboni mund të ngresë automjete me disa tonë.

（2）Rigjiditeti eksploziv, i qëndrueshëm si një shkallë:

Moduli i elasticitetit (një masë e rigjiditetit) arrin 200-600GPa, pothuajse pa deformim kur ushtrohet forca, dhe përdorimi i tij si mbështetje sateliti mund të ruajë një qëndrim të saktë në hapësirë.

（3）Atributet "anti-build" tërheqin plotësisht:

Rezistencë e lartë ndaj temperaturës (në mjedis inerte deri në 2000 ℃), rezistencë ndaj acidit dhe alkalive (deti pa korrozion për dekada), kundër lodhjes (forcë e përsëritur që nuk thyehej lehtë), para sasisë metaleve duhet të "tërhiqen".

Pse është fibra e karbonit një "materiale strategjike kombëtare"?

Prodhimi i fibrës së karbonit është jashtëzakonisht i vështirë, dhe vetëm disa shtete në botë janë në gjendje të prodhojnë masivisht fibra të karbonit të nivelit të lartë (kryesisht Kina, Japonia dhe Shtetet e Bashkuara). Ajo nuk është vetëm "gurthemeli" i prodhimit të lartë, por lidhet edhe me fusha kyçe si aero-hapësira dhe siguria ushtarake.

Për shembull, në ushtri, fibra e karbonit mund të përdoret për prodhimin e trupit të avionëve fshehës (përfshirës i valëve), trupit të raketave (me peshë të ulët për të rritur distancën); në fushën e energjisë së re, sa më e gjatë jetë paleja e turbinës së erës, aq më e lartë do të jetë efikasiteti i prodhimit të energjisë, dhe vetëm fibra e karbonit mund të mbështesë palejen giganë me gjatësi 100 metrash.
Në vitet e fundit, industrisa e fibër karboni në Kinë ka bërë një sulm të shpejtë, nga varësia në importet e jashtme deri te prodhimi masiv i pavarur, dhe madje edhe në disa fusha (si energjia e erës, artikujt sportive) ka zënë një pozitë dominuese në tregun global.

Si prodhohet fibra e karbonit?

Madhështia e fibërave të karbonit është plotësisht "mbështetur" nga tri avantazhe kyçe:

（1）Përgatitja e filamenteve parësore

Poliaçrilonitrili (PAN), agurma dhe materiale të tjera të para, përmes procesit të thithjes prodhohen "mëndafshi" (të ngjashëm me fibrat kimike). Kjo fazë është themelore, dhe cilësia e mëndafshit ka një ndikim direkte në performancën e fibrës së karbonit (Kina kishte qenë e 'bllokuar' për kohë të gjatë pikërisht në këtë fazë).

（2）Karbonizimi

Mëndafshi i papërpunuar ngrohet gradualisht deri në 1.000-3.000 gradë Celsius në një gaz inerte (për të parandaluar djegien), çka heq elementë si hidrogjeni dhe oksigjeni, duke lënë vetëm molekulat e karbonit. Pas kësaj faze, përmbajtja e karbonit në fibrë ngritet nga 50% në më shumë se 90%, rritja e fortësisë dhe e vëllimeve ndodh dramatikisht.

（3）Përpunimi i mëtejshëm

Varësisht nga aplikimi , fibrat e karbonit përdoren për të bërë stof, mbështjellën në tuba, ose kombinohen me reçina, metalet etj., për të prodhuar "kompozite prej fibër karboni" (si ajo që ne zakonisht i quajmë "tavolinat e fibër karboni" dhe "tubat e fibër karboni").

【Njohuri të Ftohta mbi Fibër Karboni】

P: Pse është e zezë?
P: Strukturat e grafitit absorbojnë pothuajse tërë dritën e dukshme.

P: I tmerrur nga zjarri?
P: Oksidimi fillon në 400°C në ajër, por kapsula e përdor atë si një mbrojtës nxehtësie.

Q: A mund të rikiclohet?
P: BMW ka bërë të mundur riciklimin e pjesëve të makinave nga copëza të fibër karboni.