Karbon Lif, Petrol/Bitümden Nasıl "Siyah Altın"a Dönüşür?

İnanabilecek misiniz? 300 km/s hızla kokozu ezen Olimpiyat şampiyonlarının raketlerinin temel yapısı, 0-100 km/s'ye 2,3 saniyede çıkan F1 araçlarının gövdesi, hatta atmosfere nüfuz eden uzay roketlerinin dış kabukları – bunların hepsinin temel taşı, petrol rafinerisinden arta kalan atık 'siyah kalıntıdır'.

Bugün, malzeme biliminin 'bir numaralı oyuncusu' olan karbon fiberin dikkat çekici yükselişine odaklanıyoruz. Sayısız zorluğun üstesinden gelerek 'siyah altın'a dönüşen mütevazı petrol asfaltının nasıl gümüşten daha değerli hale geldiğini keşfedin!

Neden 'siyah altın' denir?
Bu dönüşüm yolculuğuna başlamadan önce şu temel soruyu ele alalım: karbon fiber neden sıklıkla altına benzetilir?
(1) Fiyatı gerçekten 'altın değeri' taşır: standart karbon fiber kilogramı birkaç bin yuan'a mal olurken, yüksek kaliteli havacılık sınıfı karbon fiber kilogramı 20.000 yuan'a kadar çıkabiliyor – bu, yaklaşık gramı 5 yuan olan gümüşten daha pahalıdır.

(2) Performansı etkileyici: çeliğin yalnızca dörtte biri kadar ağırlıkta olmasına rağmen onun on katı mukavemeti sunar, güçlü asitlerde korozyona direnir ve -180°C'de bile gevrekleşmez.

(3) Nadirliği gerçekten etkileyici: küresel olarak yalnızca bir düzine kadar ülke kitle üretim teknolojisine sahip olup, yüksek kaliteli karbon fiber "stratejik malzeme" olarak sınıflandırılmaktadır ve istense bile temin edilmesi zordur.

Bu "çok yönlü ürün" petrol rafinerisinin yan ürünü olan asfalttan gelir – kömür yığınlarından elmas çıkarmaya benzer ve her aşama harika bir şekilde doludur.

Asfalttan Karbon Fibere: Tek Bir Adımın Bile Atlanamadığı Beş Aşamalı 'Simya' Süreci!

Birinci Adım: Malzeme Seçimi — En İyinin En İyisi: Premium Bitüm
Her bitüm geri dönüşemez. Yol inşaatında kullandığımız tipik bitüm çok fazla safsızlık içerir ve düşük karbon oranına sahiptir, bu da onu uygun olmayan hale getirir. Yalnızca yüksek saflıkta, yüksek karbon içeriğine (%90) ve düşük kükürt ile metal içeriğine sahip "özel sınıf bitüm", karbon fiber üretimi için kullanılabilir.

Mühendisler, asfaltı safsiyetsiz maddelerden (kükürt, azot ve ağır metaller gibi) arındırmak için çözücü ekstraksiyonunu kullanır: bunu, kum ayıklar gibi özel çözücülerde 'yıkar'. Ardından damıtma işlemi moleküler yapısını rafine eder ve ipliklere çekilmesini ve yüksek sıcaklıklara dayanabilmesini sağlar.

Bu aşama, sporcuları seçmeye benzer: sadece 'sağlam temellere' sahip olanlar sonraki yoğun eğitimlere dayanabilir.

İkinci Adım: İplik Çekme — bir saç telinden on kat daha ince olan 'altın iplerin' çekilmesi.
Saf bitüm, 200–300°C'ye kadar ısıtılır ve bal kıvamında yapışkan bir 'eriyik' haline gelir. Bu eriyik, her biri yalnızca 5–50 mikrometre çapında (insan saçı 50–100 mikrometre ile karşılaştırıldığında), bir nakış iğnesinden bile daha ince olan çok sayıda delik bulunan bir 'ipleme plakasından' geçirilir!

Bu deliklerden ekstrüde edilen asfalt filamentleri hemen soğuk suya veya soğutulmuş havaya daldırılarak "soyulup sertleştirilir" ve sürekli "asfalt filament şeritleri" oluşturulur. Bu adım olağanüstü teknik beceri gerektirir: biraz daha yüksek ekstrüzyon hızı filamentlerin kopmasına neden olur; biraz daha düşük soğutma sıcaklıkları onları gevrek yapar; tek bir tıkalı delik bile tüm bir parti filamentin kullanılamaz hale gelmesine neden olabilir.

Bunu "yapay olarak ipek böceği koza üretmeye" benzetmek mümkün, ancak ekstrüde edilen "filament", ipeğin on katı kadar incedir.

Üçüncü Adım: Önceden Oksidasyon — Filamenti bir "yangına dayanıklı kıyafet" ile donatmak
Yeni çekilmiş asfalt filamenti çok hassas bir yapıya sahiptir: en küçük bir gerilmede kopar ve en küçük kıvılcımla tutuşur. Onu sağlam ve esnek hale getirmek için ilk adım, yangına dayanıklı hale getirmektir.

Ham filament, birkaç saat boyunca havada yavaşça ısıtmaya tabi tutulan 150-300°C'ye kadar ısıtılmış bir fırına yerleştirilir. Bu süreçte hidrojen ve oksijen elementleri asfalt filamentinden kademeli olarak ayrılır. Moleküler yapısı doğrusal yapıdan ağ yapısına dönüşür ve rengi siyahtan koyu kahverengine değişir. En önemlisi, artık alev geciktirici hale gelir!

Bu adım kesinlikle atlanmamalıdır: önceden oksidasyon adımını atlayıp doğrudan yüksek sıcaklık işlemine geçmek, asfalt elyafının anında yanmasına neden olur ve tüm önceki çabaları boşa çıkarır. Ayrıca, ısıtma hızı yavaş olmalıdır; acele edilirse elyaf içinde "dengesiz iç gerilim" oluşur ve çatlaklara neden olur.

Dördüncü Adım: Karbonizasyon — Saf karbon iskeleti üretmek için yüksek sıcaklıklarda rafinasyon
Ham filament, artık "ateşe dayanıklı kılıfı"yla kaplı olarak, karbonizasyon fırını içindeki "nihai teste" tabi tutulmalıdır. Bu fırın 1000 ila 1800°C arasında çalışır ve oksijensiz bir ortam korumalıdır (aksi takdirde karbon dioksite dönüşerek oksitlenir).

Bu ekstrem sıcaklıklar altında, filamentin içindeki karbon olmayan elementlerin (hidrojen ve azot gibi) son kalıntıları gaz halinde "uzaklaşır". Geriye neredeyse saf karbon (karbon içeriği %90) kalır ve moleküler yapısı düzenli "grafite benzer kristallere" dönüşür. Bu aşamada "asfalt filament", resmi olarak "karbon elyaf prekürsörü"ne yükseltilir!

Karbonizasyon sıcaklığı, karbon elyafın değerini doğrudan belirler: yaklaşık 1000°C'de sıradan endüstriyel sınıf karbon elyaf üretilebilirken, havacılık sınıfı ürün için 2000°C'yi aşan sıcaklıklar gereklidir. Bu durum, daha düzenli karbon kristal dizilimleri ve kat kat artan mukavemet sağlar ve doğal olarak fiyatı artırır.

Beşinci Adım: Yüzey İşlemi — Karbon Elyaf için Bağlantıların Oluşturulması
Yeni karbonize edilmiş karbon elyaf, cam kadar pürüzsüz bir yüzeye sahiptir ve reçine veya metal gibi malzemelerle yapıştırıldığında 'kayma' eğilimindedir — tıpkı birbirine bastırılan iki düzgün cam levhanın aniden ayrılmaları gibidir. İşlem gören karbon elyaf daha sonra daha önce bahsedilen karbon elyaf kumaşı şeklinde dokunur veya kısa elyaf parçalara kesilerek kompozit malzemelerin "çekirdek iskeletini" oluşturur.
Bu noktada, asfaltla başlayan 2-3 aylık "başkalaşım" süreci nihayet tamamlanmıştır.

Bu az bilinen gerçekler, insanların %90'ının bilmediği şeylerdir!

1. Tüm karbon fiberler petrol katranından üretilmez: petrol katranının yanı sıra, poliakrilonitril (PAN) ve viskoz lif de karbon fiber üretimi için kullanılabilir. Küresel üretimde PAN bazlı karbon fiberin payı %90'dır ve yüksek performanslı, yüksek mukavemet gerektiren uygulamalar için katran bazlı karbon fiber daha uygundur.

2. Bir ton karbon fiber üretimi, 20 ton ham madde tüketir: katrandan karbon fibere süreçte verim oranı %5'in altına düşer. Bu yüzden bu kadar pahalı olmasının bir şaşkınlığı yoktur.

3. Çin tekelin kırılmasında başarıya ulaştı: Daha önce yüksek kaliteli karbon fiber Avrupa, Amerika ve Japonya tarafından kontrol ediliyordu. Şimdi Çin, T1100 sınıfı karbon fiberi (havacılık sınıfı) kitle halinde üretmeyi başarmış ve ithalat fiyatlarından %30 daha düşük fiyata sahip.

Hangi karbon fiber ürünler ile karşılaştınız?
Karbon fiber aslında günlük hayatımızdan çok da uzak değildir: havacılık ve otomotiv sporlarının ötesinde artık yüksek kaliteli bisiklet çerçevelerinde, drone kollarında ve hatta cep telefonu kapaklarında bile kullanılmaktadır.

Çevrenizde karbon fiber ürünlerle karşılaştınız mı? Ya da bu malzemenin gelecekte hangi uygulamalarını hayal ediyorsunuz? Düşüncelerinizi yorumlarda paylaşın!

Alçakgönüllü görünen petrol asfaltı, birkaç ay süren bir süreçte yüksek kaliteli üretimde temel teşkil eden 'siyah altına' dönüştü. Bunun ardında, sayısız mühendisin milimetre düzeyindeki hassasiyet için gösterdiği kararlı çaba ve insanlığın malzeme biliminin sınırlarını zorlamaya devam etmesi yatıyor. Bir dahaki sefere karbon fiber bir ürünle karşılaştığınızda şunu hatırlayabilirsiniz: bir zamanlar sadece atık petrolden arta kalan bir şeydi.