คาร์บอนไฟเบอร์คืออะไร อะไรทำให้วัสดุ 'ดาวเด่น' นี้ดีเยี่ยมขนาดนี้

เมื่อพูดถึงคาร์บอนไฟเบอร์ คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับมันใน ข่าวสาร - ลูกศรจรวด ตัวถังรถไฟความเร็วสูง เครื่องบินไร้คนขับ ตัวถังรถแข่ง และแม้แต่ไม้แบดมินตันระดับไฮเอนด์ ก็ล้วนมีส่วนประกอบของมัน สิ่งนี้ฟังดูเหมือน "เทคโนโลยีล้ำยุค" ที่เต็มไปด้วยวัสดุพิเศษ แต่แท้จริงแล้วมันคืออะไรกันแน่ วันนี้เราจะใช้ถ้อยคำที่เข้าใจง่ายที่สุด เพื่อพาคุณไปรู้จักกับ "ดาวเด่นแห่งโลกวัสดุ"

เส้นใยคาร์บอน โดยพื้นฐานคือ "เส้นใยคาร์บอนสุดพิเศษ"

พูดอย่างง่าย เส้นใยคาร์บอนคือเส้นใยโพลิเมอร์อนินทรีย์ที่มีปริมาณคาร์บอนสูงถึง 90% ขึ้นไป มันไม่ใช่ทั้งโลหะหรือพลาสติก แต่เป็น "ผลึกของคาร์บอน" — เส้นด้ายสีดำที่เกิดจากการผ่านกระบวนการพิเศษโดยการคาร์บอไนซ์เส้นใยอินทรีย์ (เช่น โพลีอะคริโลไนไตรล์ และยางมะตอย) ที่อุณหภูมิสูง เพื่อกำจัดสิ่งปนเปื้อนออก

ลักษณะ: มีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลางเพียง 5-10 ไมครอน (ประมาณ 1/10 ของเส้นผมมนุษย์) มองด้วยตาเปล่าคล้ายเส้นด้ายฝ้ายหรือขนสัตว์สีดำ แต่เมื่อสัมผัสกลับรู้สึก "เหนียวและแข็ง" กว่าลวดเหล็ก

ลักษณะ: "เบา แกร่ง ทนทาน มั่นคง"

(1) ความแข็งแรงสูงกว่าเหล็กถึง 7-9 เท่า ความเหนียวมากกว่าเส้นใยแก้วหลายเท่า
(2) มีความหนาแน่นเพียง 1.7 กรัม/ซม.³ เบากว่าอลูมิเนียม (ความหนาแน่นของอลูมิเนียม 2.7 กรัม/ซม.³)
(3) ทนต่ออุณหภูมิสูง (ไม่ละลายที่อุณหภูมิเกิน 2000 ℃), ทนต่อการกัดกร่อน (ไม่กลัวกรดและด่าง), และเป็นฉนวนไฟฟ้า (สามารถนำไฟฟ้าได้หากผ่านการบำบัดพิเศษ)

สมรรถนะ "เปิด-ปิด": เบาอย่างเหลือเชื่อ และแข็งแกร่งอย่างน่าประหลาดใจ

ความยอดเยี่ยมของเส้นใยคาร์บอนทั้งหมดนั้น "ได้รับการสนับสนุน" จากข้อได้เปรียบหลักสามประการ:

（1）เบากว่าขนนก แต่แข็งแรงกว่าเหล็ก：

มีความหนาแน่นเพียง 1.7-2.0 กรัม/ซม.³ (1/4 ของเหล็ก, 2/3 ของโลหะผสมอลูมิเนียม) แต่ความต้านทานแรงดึงสามารถถึง 3000-7000 เมกะปาสกาล (มากกว่าเหล็กถึง 10 เท่า) และเชือกเส้นใยคาร์บอนขนาดเท่านิ้วเดียวสามารถยกรถยนต์น้ำหนักหลายตันได้

（2）ความแข็งแกร่งระดับเอ็กซ์พลูชัน เสถียรภาพมั่นคงเหมือนหิน:

โมดูลัสยืดหยุ่น (ตัวชี้วัดความแข็ง) สูงถึง 200-600 กิกะปาสกาล เกือบไม่เกิดการเปลี่ยนรูปเมื่อรับแรง ใช้ทำโครงสร้างยึดดาวเทียม สามารถรักษาระดับท่าทางที่แม่นยำในอวกาศได้

（3）คุณสมบัติ "ต้านการสร้าง" ทำงานเต็มที่:

ทนต่ออุณหภูมิสูง (ในสภาพแวดล้อมเฉื่อยสามารถทำงานที่ 2000 ℃ ได้), ทนต่อกรดและด่าง (อยู่ในมหาสมุทรได้หลายสิบปีโดยไม่กัดกร่อน), ต้านทานการเหนื่อยล้า (รับแรงซ้ำๆ ได้โดยไม่แตกหักง่าย), แม้แต่โลหะทั่วไปเมื่อเผชิญหน้ากับคาร์บอนไฟเบอร์ก็ต้อง "ยอมแพ้"

ทำไมคาร์บอนไฟเบอร์จึงเป็น "วัสดุยุทธศาสตร์ระดับชาติ"?

การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์นั้นยากมาก และมีเพียงไม่กี่ประเทศในโลกที่สามารถผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ระดับสูงได้ในปริมาณมาก (หลักๆ คือ จีน ญี่ปุ่น และสหรัฐอเมริกา) คาร์บอนไฟเบอร์ไม่เพียงเป็น "รากฐานสำคัญ" ของการผลิตขั้นสูงเท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับสาขาหลักๆ เช่น การบินและอวกาศ รวมถึงความมั่นคงทางการทหาร

ตัวอย่างเช่น ในงานด้านทหาร คาร์บอนไฟเบอร์สามารถใช้ผลิตโครงเครื่องบินรบล่องหน (ดูดคลื่น), ตัวถังขีปนาวุธ (เบาเพื่อเพิ่มระยะทาง); ในด้านพลังงานใหม่ ใบพัดกังหันลมยิ่งยาว ประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้ายิ่งสูง และมีเพียงคาร์บอนไฟเบอร์เท่านั้นที่สามารถรองรับใบพัดขนาดยักษ์ระดับ 100 เมตรได้
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมเส้นใยคาร์บอนของจีนได้ก้าวข้ามข้อจำกัดอย่างรวดเร็ว จากการพึ่งพาการนำเข้า มาสู่การผลิตจำนวนมากด้วยตนเอง และแม้กระทั่งครองตำแหน่งผู้นำในตลาดโลกในบางด้าน (เช่น พลังงานลม และอุปกรณ์กีฬา)

เส้นใยคาร์บอนถูก "ผลิต" ขึ้นมาอย่างไร?

ความยอดเยี่ยมของเส้นใยคาร์บอนทั้งหมดนั้น "ได้รับการสนับสนุน" จากข้อได้เปรียบหลักสามประการ:

（1）การเตรียมเส้นใยเบื้องต้น

ใช้วัตถุดิบเช่น โพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) หรือพิทช์ ผ่านกระบวนการปั่นเส้นใยเพื่อผลิตเป็น "เส้นใยดิบ" (คล้ายกับเส้นใยเคมี) ขั้นตอนนี้ถือเป็นรากฐานที่สำคัญ โดยคุณภาพของเส้นใยดิบจะกำหนดสมรรถนะของเส้นใยคาร์บอนโดยตรง (จีนเคยถูก "ติดขัด" อยู่ที่ขั้นตอนนี้มานาน)

（2）การคาร์บอไนเซชัน

นำเส้นใยดิบไปให้ความร้อนอย่างค่อยเป็นค่อยไปที่อุณหภูมิ 1,000-3,000 องศาเซลเซียส ในบรรยากาศก๊าซเฉื่อย (เพื่อป้องกันการเผาไหม้) เพื่อขจัดธาตุต่างๆ เช่น ไฮโดรเจนและออกซิเจน จนเหลือเพียงโมเลกุลคาร์บอนเท่านั้น หลังจากขั้นตอนนี้ เนื้อหาคาร์บอนในเส้นใยจะเพิ่มขึ้นจาก 50% เป็นมากกว่า 90% ทำให้ความแข็งแรงและความแข็งแกร่งของเส้นใยเพิ่มขึ้นอย่างมาก

（3）การประมวลผลขั้นตอนต่อไป

ขึ้นอยู่กับ การใช้งาน , เส้นใยคาร์บอนจะถูกทอเป็นผ้า ม้วนเป็นหลอด หรือผสมกับเรซิน โลหะ ฯลฯ เพื่อผลิตวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ (เช่น สิ่งที่เรามักเรียกว่า "แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์" และ "หลอดคาร์บอนไฟเบอร์")

【ความรู้รอบตัวเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์】

คำถาม：ทำไมมันถึงสีดำ?
คำตอบ：โครงสร้างกราไฟต์ดูดซับแสงในช่วงที่ตามองเห็นเกือบทั้งหมด

คำถาม：กลัวไฟไหม้หรือ?
คำตอบ：การออกซิเดชันจะเริ่มขึ้นที่อุณหภูมิ 400°C ในอากาศ แต่แคปซูลใช้วัสดุนี้เป็นเกราะกันความร้อน

Q: มันสามารถรีไซเคิลได้ไหม?
คำตอบ：BMW ได้ทำให้สามารถรีไซเคิลชิ้นส่วนรถยนต์จากเศษคาร์บอนไฟเบอร์ได้แล้ว