ต่อไปนี้เป็นรายละเอียดทางเทคนิคที่ครอบคลุมของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์-ซึ่งครอบคลุมถึงโครงสร้างอะตอม กระบวนการผลิต คุณสมบัติทางกล และการใช้งานหลัก
สถาปัตยกรรมโครงสร้างคาร์บอนไฟเบอร์ จาก: รูปภาพ VectorMine / Getty
1. คาร์บอนไฟเบอร์คืออะไร?
คาร์บอนไฟเบอร์(หรือเส้นใยกราไฟท์) ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนเส้นบางๆ ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5 ถึง 10 ไมโครเมตร เส้นใยคาร์บอนประสิทธิภาพสูง-ประกอบด้วยคาร์บอนอย่างน้อย 90% โดยน้ำหนัก ซึ่งเชื่อมต่อกันเป็นผลึกขนาดเล็กมากซึ่งเรียงขนานกับแกนยาวของเส้นใย
ข้อเท็จจริงเชิงโครงสร้างที่สำคัญ:การวางแนวทิศทางของชั้นกราไฟท์ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์มีอัตราส่วนความแข็งแรง-ต่อ-น้ำหนักสูงเป็นพิเศษตามแนวแกนตามยาว ซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าโลหะแบบดั้งเดิม เช่น เหล็กและอลูมิเนียม
2. โครงสร้างโมเลกุลและการจำแนกประเภท
ความแข็งแกร่งของคาร์บอนไฟเบอร์มาจากอะตอมของคาร์บอนไฮบริด $sp^2$ ที่ก่อตัวเป็นแผ่นระนาบหกเหลี่ยมสอง-มิติ (คล้ายกับกราฟีน) แผ่นเหล่านี้พับเข้าหากันเพื่อสร้างโครงสร้างไมโครคริสตัลไลน์
ประเภทวัสดุตั้งต้น
เส้นใยคาร์บอนจัดประเภทตามวัสดุตั้งต้นที่ใช้สร้างเส้นใยเหล่านี้เป็นหลัก:
ที่ใช้ PAN- (โพลีอะคริโลไนไตรล์):คิดเป็นกว่า 90% ของการผลิตเชิงพาณิชย์ มีความต้านทานแรงดึงสูงและความน่าเชื่อถือของโครงสร้างที่ดีเยี่ยม
การเสนอขาย-ตาม:ผลิตจากปิโตรเลียมหรือน้ำมันดินถ่านหิน ให้ความแข็งสูงมาก (โมดูลัสแรงดึง) และค่าการนำความร้อน แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วความต้านทานแรงดึงจะต่ำกว่าก็ตาม
เรยอน-ใน:มีความสำคัญทางประวัติศาสตร์ แต่ไม่ค่อยได้ใช้ในปัจจุบันเนื่องจากมีปริมาณคาร์บอนต่ำ (~20–25%)
3. กระบวนการผลิต
การเปลี่ยนสารตั้งต้นโพลีเมอร์ของเหลวให้เป็นเส้นใยคาร์บอนที่มีโครงสร้างประกอบด้วยห้าขั้นตอนหลัก:
1.ปั่น:การก่อตัวของสารตั้งต้น
ผงโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) ผสมกับตัวทำละลายแล้วปั่นเป็นเส้นใยต่อเนื่อง (พ่วง) จากนั้นยืดออกเพื่อจัดแนวโซ่โพลีเมอร์ภายใน
2.เสถียรภาพ:การเชื่อมต่อเทอร์มอลครอส- (200 องศา – 300 องศา )
เส้นใยสารตั้งต้นจะถูกให้ความร้อนในอากาศ พันธะออกซิเจนแปลงสายโซ่โมเลกุลเชิงเส้นให้เป็นโครงสร้างวงแหวน-คล้ายบันได เพื่อป้องกันการหลอมละลายในขั้นตอนต่อๆ ไป
3.ถ่าน:การทำความร้อนแบบไม่-แบบออกซิไดซ์ (1,000 องศา – 1,500 องศา )
เส้นใยถูกให้ความร้อนในบรรยากาศเฉื่อย (ไนโตรเจน) อะตอมที่ไม่ใช่-คาร์บอน (ไฮโดรเจน ไนโตรเจน ออกซิเจน) จะถูกไล่ออก เหลือวงแหวนคาร์บอนที่ยึดติดกันแน่น
4.การรักษาพื้นผิว:การเพิ่มประสิทธิภาพการยึดเกาะ
พื้นผิวของเส้นใยถูกออกซิไดซ์ผ่านการอาบด้วยไฟฟ้าเพื่อสร้างจุดยึดทางเคมี ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการยึดเกาะทางกลที่แข็งแกร่งกับเมทริกซ์เรซิน
5.ขนาด:เคลือบป้องกัน
มีการเคลือบโพลีเมอร์ป้องกัน (ขนาด) เพื่อป้องกันความเสียหายของเส้นใยระหว่างการขนย้ายก่อนการทอหรือการเคลือบด้วยอีพอกซี
4. การเปรียบเทียบคุณสมบัติทางกล
ในการประเมินประสิทธิภาพของโครงสร้าง โดยทั่วไปแล้วคาร์บอนไฟเบอร์จะถูกฝังอยู่ในเมทริกซ์อีพอกซีเพื่อสร้างรูปร่างพอลิเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP).
| คุณสมบัติ | คาร์บอนไฟเบอร์มาตรฐาน (PAN) | เหล็กโครงสร้าง (A36) | อลูมิเนียมอัลลอยด์ (7075-T6) |
| ความหนาแน่น (g/cm3) | 1.75 - 1.80 | 7.85 | 2.81 |
| ความต้านแรงดึง (GPa) | 3.5 - 4.9 | 0.40 | 0.57 |
| โมดูลัสแรงดึง (GPa) | 230 - 300 | 200 | 71 |
| ความแข็งแรงจำเพาะ (kN.m/kg) | ~2,400 | ~50 | ~200 |
5. ข้อดีและข้อจำกัดที่สำคัญ
ข้อดี
น้ำหนักเบาเป็นพิเศษ-:ความหนาแน่นประมาณ 1/5 ของเหล็ก และ 2/3 ของอะลูมิเนียม
ความต้านทานการกัดกร่อนสูง:เฉื่อยทางเคมีกับกรด เบส และตัวทำละลายอินทรีย์ส่วนใหญ่
การขยายตัวทางความร้อนต่ำ:ใกล้-ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) เป็นศูนย์ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานด้านแสงและอวกาศที่มีความแม่นยำ
ชีวิตที่เหนื่อยล้าสูง:รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างภายใต้โหลดหลายล้านรอบ
ข้อจำกัด
แอนไอโซโทรปี:ความแข็งแรงทางกลมีอยู่ตามความยาวของเส้นใยเป็นหลัก ความแข็งแรงของแกนปิด-ต้องใช้การทอหรือการเคลือบแบบหลายทิศทาง
ความล้มเหลวเปราะ:แสดงการตอบสนองแบบยืดหยุ่นเชิงเส้นใกล้-จนกระทั่งเกิดความล้มเหลวร้ายแรงโดยไม่เสียรูปพลาสติกก่อน
ต้นทุนสูงและความซับซ้อนในการรีไซเคิล:พลังงาน-การผลิตเข้มข้นและการรีไซเคิลเทอร์โมเซตเมทริกซ์หลัง-ที่ยากลำบากของผู้บริโภค