Paano Nagmumula ang Carbon Fiber mula sa Petroleum/Bitumen patungo sa "Itim na Ginto"?

Naniniwala ka ba dito? Ang pangunahing balangkas ng mga racket ng mga kampeon sa Olympics na kayang pagsabogin ang shuttlecock sa bilis na 300km/h, ang mga F1 car na may katawan na kayang tumagal sa 0-100km/h sa loob lamang ng 2.3 segundo, pati na ang panlabas na balat ng mga rocket na tumatalbog sa atmospera – ang lahat ay nagmumula sa itinapon na 'itim na residuo' matapos i-refine ang langis?

Ngayon ay tatalakayin natin ang kamangha-manghang pag-usbong ng carbon fibre, ang 'nangunguna' sa larangan ng agham ng materyales. Alamin kung paano napagtagumpayan ng isang payak na petroleum asphalt ang maraming pagsubok upang magbago at maging 'itim na ginto' na may halagang higit pa sa pilak!

Bakit ito tinatawag na "itím na ginto"?
Bago tayo sumimula sa paglalakbay na ito patungkol sa pagbabago, tingnan muna natin ang isang pangunahing tanong: bakit madalas ihahambing ang carbon fibre sa ginto?
(1) Tunay nga ang presyo nito na 'karapat-dapat sa ginto': ang karaniwang carbon fibre ay nagkakahalaga ng ilang libong yuan bawat kilo, samantalang ang mataas na uri para sa aerospace ay maaaring umabot sa 20,000 yuan bawat kilo – mas mahal pa sa pilak (humigit-kumulang 5 yuan bawat gramo).

(2) Napakaganda ng pagganap: Timbang lamang ng isang-ikaapat ng bakal ngunit may lakas na sampung beses na higit dito, nakikipaglaban sa pagkakaluma sa matitinding asido, at hindi madaling mabasag sa -180°C.

(3) Tunay na kamangha-mangha ang kakaunti nito: kakaunting bansa lamang sa buong mundo ang may teknolohiyang makapagpaprodukto nang masalimuot, kung saan itinuturing ang de-kalidad na carbon fibre bilang "estrategikong materyales" – kaya mahirap itong makuha kahit gusto mo ito.

Ang "all-rounder" na ito ay nagmumula sa aspalto, isang by-produkto ng pag-refine ng langis – parang pagkuha ng mga brilyante mula sa mga bato ng uling, kung saan bawat hakbang ay puno ng kahanga-hanga.

Mula sa Aspalto patungo sa Carbon Fibre: Isang Limang Hakbang na Proseso ng 'Alchemy' Kung Saan Walang Iisang Hakbang na Maaaring Lusutan!

Unang Hakbang: Pagpili ng Materyales — Ang Pinakamagaling sa Lahat: Premium na Bitumen
Hindi lahat ng bitumen ay maaaring gamitin. Ang bitumen na karaniwang ginagamit natin sa paggawa ng kalsada ay may mataas na impuridades at mababa ang nilalaman ng carbon, kaya hindi ito angkop. Tanging ang "bitumen na may espesyal na grado" na may mataas na linis, mataas na nilalaman ng carbon (90%), at mababa ang sulphur at metal ang maaaring gamitin sa paggawa ng carbon fibre.

Ginagamit ng mga inhinyero ang solvent extraction upang "maligo" ang aspalto: isinusubmerso ito sa mga espesyalisadong solvent upang mapiltre ang mga dumi tulad ng sulfur, nitrogen, at mabibigat na metal, katulad ng pagbubuhat ng buhangin. Ang distilasyon naman ang nagpino sa istrukturang molekular nito, na nagbibigay-daan upang ito ay mapalabas sa anyo ng hibla at makatagal sa mataas na temperatura.

Katulad ito ng pagpili ng mga atleta: tanging ang mga may "matibay na pundasyon" lamang ang kayang tumagal sa susunod na masinsinang pagsasanay.

Hakbang Dalawa: Paggawa ng Sinulid — paghila ng mga "gintong sinulid" na sampung beses na mas manipis kaysa sa isang buhok.
Pinainit ang pininong bitumen sa 200–300°C, na nagbabago ito sa manipis na "natunaw" na hugis-honey. Ang natunaw na substansya ay ipinipilit sa pamamagitan ng "spinneret plate" na puno ng maliliit na butas—na may sukat na 5–50 micrometro lamang (kumpara sa 50–100 micrometro ng buhok), mas manipis pa kaysa sa karayom pangtahi!

Ang mga hiblang aspalto na pinalabas sa pamamagitan ng mga butas na ito ay agad na ibinubulsa sa malamig na tubig o sariwang hangin upang "maging malamig at matatag", na bumubuo ng patuloy na "mga hiblang aspalto". Ang hakbang na ito ay nangangailangan ng hindi pangkaraniwang kasanayan: ang bahagyang mas mataas na bilis ng pagpapalabas ay maaaring putulin ang mga hibla; ang bahagyang mas mababang temperatura ng paglamig ay nagpapahina at nagpapabrittle sa kanila; kahit isang solong nakabara na butas ay maaaring magdulot na hindi magamit ang buong batch ng mga hibla.

Maari itong ihambing sa "sintetikong paggawa ng kokon ng uod na sirelya," maliban na lang sa ang "hibla" na pinapalabas ay sampung beses na mas manipis kaysa sa seda.

Hakbang Tres: Pre-oksidasyon — Pagbibihis sa hibla ng "bombilyang panlaban sa apoy"
Ang bagong hinabing hiblang aspalto ay isang mahina at sensitibong bagay: nabubulatlat sa anumang bahagyang paghila at nasusunog sa anumang munting spark. Upang mapalakas at mapatibay ito, ang unang hakbang ay gawin itong antifire.

Ang hilaw na filament ay inilalagay sa isang oven na pinainit sa 150-300°C, kung saan ito dahan-dahang pinaiinit sa hangin nang ilang oras. Sa panahong ito, unti-unting lumalabas ang mga elemento ng hidroheno at oksiheno mula sa asphalt filament. Ang istruktura nito sa molekula ay nagbabago mula sa tuwid na anyo patungo sa isang magkakabit na anyo, at ang kulay nito ay nagbabago mula sa itim patungo sa mapusyaw na kayumanggi. Pinakamahalaga, ito ay naging apoy-retardant!

Hindi talaga pwedeng maiwasan ang hakbang na ito: kung lulaktawan ang pre-oxidation at diretso nang pupunta sa mataas na temperatura, masusunog agad ang asphalt fibre, kaya lahat ng naunang pagsisikap ay mawawala. Bukod dito, dahan-dahan dapat ang bilis ng pagpainit; kung mapipilit, magdudulot ito ng "hindi pare-parehong internal stress" sa loob ng fibre, na magdudulot ng mga bitak.

Hakbang Apat: Carbonisation — Pagpino sa mataas na temperatura upang makalikha ng isang "purong carbon skeleton"
Ang hilaw na hibla, na ngayon ay nakabalot sa kanyang "impermeableng pananamit laban sa apoy", ay dapat dumaan sa "pinakamahigpit na pagsubok" sa loob ng hurnong karbonisasyon. Ang hurnong ito ay gumagana sa temperatura na nasa pagitan ng 1000 at 1800°C at dapat mapanatili ang kapaligiran na walang oksiheno (kung hindi man, ang carbon ay mag-ooksidyo at maging carbon dioxide).

Sa ilalim ng mga matinding temperatura na ito, ang huling mga bakas ng di-karbon na mga elemento (tulad ng hidroheno at nitroheno) sa loob ng hibla ay "nasilayan" bilang gas. Ang natitira ay halos purong carbon (na may 90% na nilalamang carbon), kung saan ang estruktura ng molekula nito ay nagbago papunta sa maayos na "mga kristal na katulad ng graptita". Sa yugtong ito, ang "hiblang aspalto" ay opisyal nang na-upgrade bilang "paunang hiblang carbon"!

Direktang nagdedetermina ang temperatura ng carbonisation sa halaga ng carbon fibre: maaaring gawin ang karaniwang industriyal na uri ng carbon fibre sa paligid ng 1000°C, samantalang kailangan ng higit sa 2000°C para sa uri pang-aerospace. Nagreresulta ito sa mas maayos na pagkakaayos ng mga carbon crystal at sa lakas na tumataas nang ilang beses, na natural na nagpapataas sa presyo.

Hakbang Limang: Pagtrato sa Ibabaw — Pagtatatag ng mga Koneksyon para sa Carbon Fibre
Ang bagong carbonised na carbon fibre ay may ibabaw na manipis na parang bildo, na madaling 'humuhulog' kapag nag-uugnay sa mga materyales tulad ng resin o metal – parang dalawang makinis na bubog na pinipiga, ngunit biglang bumubukod. Ang naprosesong carbon fibre ay hinahabi pagkatapos upang maging tela (ang carbon fibre cloth na nabanggit kanina) o pinuputol sa maikling hibla, upang makabuo ng "core skeleton" ng mga composite material.
Sa puntong ito, natapos na ang 2-3 buwang "metamorphosis" na biyaheng nagsimula sa aspalto.

Ang mga hindi gaanong kilalang katotohanan na ito ay hindi alam ng 90% ng mga tao!

hindi lahat ng carbon fibre ay galing sa petroleum pitch: kasama ang petroleum pitch, ang polyacrylonitrile (PAN) at viscose fibre ay maaari ring gamitin sa paggawa ng carbon fibre. Ang carbon fibre na batay sa PAN ay bumubuo ng 90% ng global na produksyon, habang ang pitch-based carbon fibre ay mas angkop para sa mataas na antas at mataas na lakas na aplikasyon.

ang paggawa ng isang toneladang carbon fibre ay nangangailangan ng 20 toneladang hilaw na materyales: mula pitch hanggang carbon fibre, ang rate ng yield ay bumababa sa 5%. Hindi nakapagtataka kung bakit ito ay napakamahal.

nabigo na ng Tsina ang monopolyo: dati, ang mataas na antas na carbon fibre ay kontrolado ng Europa, Amerika, at Hapon. Ngayon, nagawa na ng Tsina ang mass production ng T1100-grade carbon fibre (aerospace-grade), na may presyo 30% na mas mababa kaysa sa mga imported.

Anong carbon fibre mga Produkto ang iyong naransan?
Ang carbon fibre ay talagang hindi kalayuan sa ating pang-araw-araw na buhay: lampas sa aerospace at motorsport, kasama na nito ngayon ang mga high-end na bicycle frame, drone arms, at kahit mga casing ng mobile phone.

Nakaranas ka na ba ng mga produkto na gawa sa carbon fibre sa iyong paligid? O ano pang mga aplikasyon sa hinaharap ang iniisip mo para sa materyal na ito? Ibahagi ang iyong mga saloobin sa komento!

Ang mapanglaw na petroleum asphalt ay dumaan sa isang kamangha-manghang pagbabago sa loob ng ilang buwan, hanggang ito ay naging "itim na ginto" na siyang batayan ng mataas na uri ng produksyon. Sa likod nito ay ang walang pahingang pagsulong tungo sa sukat na millimetro ng daan-daang inhinyero, pati na rin ang patuloy na paghahanap ng sangkatauhan upang palawigin ang mga hangganan ng agham sa materyales. Susunod na beses na makita mo ang isang produkto na gawa sa carbon fibre, baka maalala mo: nagsimula ito bilang simpleng basurang natitira mula sa petroleum.