Karbon fiber nedir? Bu "malzeme yıldızı"nı neden bu kadar iyi kılan şey nedir?

Karbon fiberden bahsederken, haberlerde duymuş olabilirsiniz - haber - roket okları, yüksek hızlı tren gövdeleri, insansız hava araçları, yarış arabası kaplamaları ve hatta üst seviye badminton raketlerine kadar birçok alanda karşımıza çıkar. Malzeme dünyasının bu 'kara teknoloji' sesi çıkaran yıldızını bugün en yaygın kelimelerle tanıyalım.

Karbon fiber, aslında 'süper karbon filamanları'

Basitçe ifade etmek gerekirse karbon fiber, %90 veya daha fazla karbon içeren inorganik bir polimer lifidir. Ne metaldir ne de plastiktir; aslında organik liflerin (poliakrilonitril ve asfalt gibi) yüksek sıcaklıkta karbonlaştırılmasıyla safsızlıkların uzaklaştırıldığı özel bir süreç sonucu oluşan siyah bir 'karbon kristalidir'.

Görünüm: çapı yalnızca 5-10 mikron (yaklaşık bir saç telinin onda biri), çıplak gözle siyah pamuk ipliği veya yün gibi görünür ama dokunulduğunda demir telden daha 'serttir'.

Özellikler: "Hafif, güçlü, dirençli, stabil"

(1) Çeliğin 7-9 katı mukavemetinde, cam elyaftan çok daha fazla tokluktadır;
(2) Sadece 1.7g/cm³ yoğunluk, alüminyuma göre daha hafif (alüminyum yoğunluğu 2.7g/cm³)
(3) Yüksek sıcaklık direnci (2000 °C'nin üzerinde erimez), korozyon direnci (asit ve alkaliye karşı korkmaz), iletken olmama (özel işlemle iletken hale getirilebilir).

Performans "açıldı kapandı": inanılmaz hafif ve şaşırtıcı derecede sert

Karbon fiberin büyüklüğü, üç temel avantajla "desteklenir":

（1）Tüy kadar hafif, ama çelikten daha güçlü：

Yoğunluk yalnızca 1.7-2.0g/cm³'tür (çeliğin dörtte biri, alüminyum alaşımının üçte ikisi), ancak çekme mukavemeti 3000-7000MPa'ya ulaşabilir (çelikinkinden 10 kat fazla) ve parmak kalınlığında bir karbon fiber halat birkaç tonluk arabaları kaldırabilir.

（2）Rijitlik patlaması, kayaya sabit:

Elastisite modülü (rijitliği ölçen değer) 200-600GPa aralığına ulaşır, kuvvete maruz kaldığında neredeyse hiç şekil değiştirmez; uyduların taşıyıcı yapısında kullanıldığında uzayda hassas bir tutumu koruyabilir.

（3）"Dayanıklılık" özellikleri tamamen devrede:

Yüksek sıcaklık direnci (2000 ℃'ye kadar inert ortamda dayanım), asit ve alkali direnci (onlarca yıl boyunca okyanusta korozyona uğramadan kalır), yorulmaya karşı direnç (tekrarlı kuvvete rağmen kolayca kırılmaz), önünde metallerin "boyun eğmek" zorunda kaldığı bir malzemedir.

Karbon fiber neden bir "ulusal stratejik malzeme"dir?

Karbon fiber üretim açısından son derece zordur ve dünyada sadece birkaç ülke yüksek kaliteli karbon fiberi seri üretebilir (başlıca Çin, Japonya ve Amerika Birleşik Devletleri). Sadece yüksek teknoloji üretiminin "temel taşı" değil, aynı zamanda uzay, havacılık ve savunma güvenliği gibi kritik alanlarla da doğrudan ilgilidir.

Örneğin askeri alanda, karbon fiber gizli savaş uçaklarının gövdesinin (dalgayı emen yapı) ve füze gövdelerinin (hafiflik sayesinde menzil artırılır) üretiminde kullanılabilir; yeni enerji alanında ise rüzgar türbini kanadı ne kadar uzun olursa elektrik üretimi verimliliği o kadar artar ve yalnızca karbon fiber 100 metre seviyesindeki dev kanatları destekleyebilir.
Son yıllarda Çin'in karbon fiber endüstrisi hızlı bir şekilde atılım yaptı ve ithalata bağımlılıktan kurtularak bağımsız kitlesel üretim hedefine ulaştı, hatta bazı alanlarda (örneğin rüzgar enerjisi, spor malzemeleri) küresel pazarda hakim bir konuma geldi.

Karbon fiber nasıl üretilir?

Karbon fiberin büyüklüğü, üç temel avantajla "desteklenir":

（1）İlk filament hazırlığı

Poliakrilonitril (PAN), peçin ve diğer ham maddeler, iplik üretimi süreciyle "ham ipek" (kimyasal elyaf ipliğine benzer) haline getirilir. Bu adım temel niteliktedir ve ham ipeğin kalitesi karbon fiberin performansını doğrudan belirler (Çin uzun süre bu aşamada 'tıkanmıştı').

（2）Karbonizasyon

Ham ipek, yanmayı önlemek için inert gaz ortamında 1.000-3.000 santigrat dereceye kadar yavaşça ısıtılır; hidrojen ve oksijen gibi elementler uzaklaştırılır ve yalnızca karbon molekülleri bırakılır. Bu işlemin ardından ipeğin karbon içeriği %50'den %90'ın üzerine çıkar ve dayanıklılık ile sertlik büyük ölçüde artar.

（3）Sonraki işlemler

Bağımlı olarak uygulama , karbon fiberler, kumaş dokumak, tüplere sarmak veya reçineler, metaller vb. ile birleştirmek üzere kullanılarak "karbon fiber kompozitler" elde edilir (sıkça duyduğumuz "karbon fiber levhalar" ve "karbon fiber tüpler" gibi).

【Karbon Fiber Soğuk Bilgiler】

S: Neden siyah?
C: Grafit yapılar neredeyse tüm görünür ışığı emer.

S: Ateşten korkar mı?
C: Hava ortamında 400°C'de oksidasyon başlar ancak kapsül bunu ısı kalkanı olarak kullanır.

Q: Geri dönüştürülebilir mi?
C: BMW, hurda karbon fiberden otomobil parçalarının geri dönüştürülmesini mümkün hale getirdi.