Ano ang carbon fiber? Ano ang nagpapagaling sa "bituing materyal" na ito?

Kapag napag-usapan ang carbon fiber, maaaring narinig mo ito sa balita - mga palaso ng rocket, katawan ng tren ng high-speed rail, drones, mga shell ng racing car, at kahit mga high-end na badminton racket ay may imahe nito. Tunog ito ng "black technology" na puno ng materyales, ano nga ba ito? Ngayon, gamit ang pinakakaraniwang mga salita, dalhin kita upang kilalanin ang "bituin sa mundo ng materyales".

Carbon fiber, sa esensya ay "super carbon filaments"

Simple lang, ang carbon fiber ay isang inorganic polymer fiber na naglalaman ng 90% o higit pang carbon. Hindi ito metal ni plastik, kundi isang "kristal ng carbon" — isang itim na filament na nabuo sa pamamagitan ng espesyal na proseso ng carbonizing organic fibers (tulad ng polyacrylonitrile at aspalto) sa mataas na temperatura upang alisin ang mga impurities.

Appearance: na may lapad na 5-10 microns lamang (humigit-kumulang 1/10 ng isang buhok), tila itim na sinulid o lana sa paningin, ngunit mas "matibay" sa paghipo kaysa bakal na kable.

Mga Katangian: "Magaan, matibay, lumalaban, matatag".

(1) Ang lakas nito ay 7-9 beses na higit pa kaysa bakal; ang tibay nito ay malaki nang higit kaysa glass fiber;
(2) Densidad na 1.7g/cm³ lamang, mas magaan kaysa sa aluminum (densidad ng aluminum 2.7g/cm³)
(3) Mataas na resistensya sa temperatura (hindi natutunaw sa mahigit 2000 ℃), resistensya sa korosyon (hindi natatakot sa mga acid at alkali), hindi konduktor (maaaring maging konduktor kung may espesyal na pagtrato).

Pagganap na "naka-on at naka-off": absurdong magaan at nakakagulat na matibay

Ang kadakilaan ng carbon fiber ay lubusang "sinuportahan" ng tatlong pangunahing pakinabang:

（1）Magagaan na parang ulo ng bulak, ngunit mas matibay pa sa bakal：

Ang densidad ay 1.7-2.0g/cm³ lamang (1/4 ng bakal, 2/3 ng aluminum alloy), ngunit ang tensile strength ay maaring umabot sa 3000-7000MPa (higit sa 10 beses na mas matibay kaysa bakal), at ang isang lubid na carbon fiber na kapal ng daliri ay kayang bumuhat ng ilang toneladang sasakyan.

（2）Siksik na rigidity, matatag na parang bato:

Ang modulus of elasticity (sukat ng katigasan) ay umabot sa 200-600GPa, halos walang deformation kapag binigyan ng puwersa, at kung gagamitin bilang suporta ng satellite, maari itong mapanatili ang eksaktong posisyon sa kalawakan.

（3）Kumpletong 'anti-build' na mga katangian

Matinding paglaban sa mataas na temperatura (hindi nag-iiwan ng reaksyon sa inert na kapaligiran hanggang 2000 ℃), paglaban sa asido at alkali (sa dagat ay hindi nagkakaluma sa loob ng maraming dekada), anti-pagod (maraming ulit na puwersa ay hindi madaling masira), kahit ang mga metal ay pumupuna dito.

Bakit itinuturing na "nasyonal na estratehikong materyales" ang carbon fiber?

Napakahirap gawin ang carbon fiber, at kakaunti lamang ang mga bansa sa mundo na kayang magmass-produce ng mataas na uri nito (ang pangunahing mga tagagawa ay Tsina, Hapon, at Estados Unidos). Ito ay hindi lamang ang "batong-sandigan" ng mataas na antas ng pagmamanupaktura, kundi kasali rin ito sa mga mahahalagang larangan tulad ng aerospace at seguridad militar.

Halimbawa, sa militar, ang carbon fiber ay maaaring gamitin sa paggawa ng katawan ng stealth fighter (para sumipsip ng radyasyon), katawan ng misil (mas magaan para mapataas ang saklaw); sa bagong larangan ng enerhiya, mas mahaba ang blade ng turbine ng hangin, mas mataas ang kahusayan sa pagbuo ng kuryente, at tanging ang carbon fiber lamang ang kayang suportahan ang 100-metro na sukat ng napakalaking blade.
Sa mga kamakailang taon, mabilis na natunaw ng industriya ng carbon fiber sa Tsina ang krisis nito, mula sa pag-aasa sa mga import hanggang sa nakamit ang malayang masalimuot na produksyon, at kahit na sa ilang mga larangan (tulad ng enerhiyang hangin, mga kagamitang pang-isports) ay nakatutok ito sa nangingibabaw na posisyon sa pandaigdigang merkado.

Paano ginagawa ang carbon fiber?

Ang kadakilaan ng carbon fiber ay lubusang "sinuportahan" ng tatlong pangunahing pakinabang:

（1）Pangunahing paghahanda ng filament

Ang Polyacrylonitrile (PAN), pitch, at iba pang hilaw na materyales, ay pinapadaan sa proseso ng pag-iikot upang makagawa ng "raw silk" (katulad ng hibla ng kemikal na tela). Mahalaga ang hakbang na ito, sapagkat ang kalidad ng raw silk ay direktang nagdedetermina sa pagganap ng carbon fiber (matagal na "naharang" ang Tsina sa hakbang na ito).

（2）Carbonization

Ang raw silk ay dahan-dahang pinainit sa 1,000-3,000 degree Celsius sa loob ng inert gas (upang maiwasan ang pagsusunog), na nagtatanggal ng mga elemento tulad ng hydrogen at oxygen, na nag-iiwan lamang ng mga molekula ng carbon. Matapos ang hakbang na ito, tumaas ang nilalaman ng carbon sa hibla mula 50% patungo sa mahigit 90%, na nagpapataas nang malaki sa lakas at katigasan nito.

（3）Karagdagang proseso

Depende sa paggamit , ang mga carbon fiber ay hinahabi sa tela, iniikot sa mga tubo, o pinagsama sa mga resin, metal, at iba pa upang makalikha ng "carbon fiber composites" (tulad ng karaniwang tawag nating "carbon fiber boards" at "carbon fiber tubes").

【Carbon Fiber Cold Knowledge】

Q: Bakit ito itim?
A: Ang mga istrukturang graphite ay sumisipsip ng halos lahat ng nakikitang liwanag.

Q: Takot ba sa apoy?
A: Ang oksihenasyon ay nagsisimula sa 400°C sa hangin, ngunit ginagamit ito ng kapsula bilang heat shield.

Q: Maaari bang irecycle?
A: Ang BMW ay nagawa nang i-recycle ang mga bahagi ng sasakyan mula sa mga kalansing na carbon fiber.