คุณสมบัติคาร์บอนไฟเบอร์
คุณสมบัติเชิงกล
คุณสมบัติเชิงกลของคาร์บอนไฟเบอร์เป็นหนึ่งในคุณลักษณะที่น่าสนใจที่สุด น้ำหนักเบาความแข็งแรงสูงและโมดูลัสสูงทำให้ใช้กันอย่างแพร่หลายในหลาย ๆ สาขา
ความแข็งแรงเฉพาะและโมดูลัสเฉพาะ: ความหนาแน่นของคาร์บอนไฟเบอร์มีเพียง 1.5 ถึง 2.0 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร แต่ความต้านทานแรงดึงสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 3,500 MPa ซึ่งเป็นหลายครั้งของเหล็กและโมดูลัสแรงดึงสามารถเข้าถึงได้มากกว่า 230 เกรดเฉลี่ยซึ่งสูงกว่าความแข็งแรงเฉพาะของโลหะส่วนใหญ่มากกว่า 7 เท่าและโมดูลัสเฉพาะมากกว่า 5 เท่าของโลหะ ความแข็งแรงเฉพาะที่ยอดเยี่ยมและโมดูลัสเฉพาะนี้ช่วยให้คาร์บอนไฟเบอร์ได้เปรียบอย่างมีนัยสำคัญในการบินและอวกาศอุตสาหกรรมยานยนต์อุปกรณ์กีฬาและสาขาอื่น ๆ
Anisotropy: คุณสมบัติเชิงกลของคาร์บอนไฟเบอร์มี anisotropy อย่างมีนัยสำคัญเช่นความแข็งแรงและโมดูลัสตามทิศทางของแกนเส้นใยสูงกว่าที่ตั้งฉากกับแกนเส้นใย สถานที่ให้บริการนี้ช่วยให้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถเพิ่มข้อดีประสิทธิภาพสูงสุดผ่านการออกแบบ layup ที่มีเหตุผล
ความต้านทานต่อความเหนื่อยล้า: คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความต้านทานต่อความเหนื่อยล้าที่ยอดเยี่ยมโดยมีอัตราการเก็บรักษาความแข็งแรง 60% หลังจากหลายล้านรอบความเครียดความเครียดสูงกว่าเหล็กและอลูมิเนียม
คุณสมบัติทางความร้อน
คุณสมบัติทางความร้อนของคาร์บอนไฟเบอร์ก็ยอดเยี่ยมเช่นกันซึ่งทำให้สามารถใช้งานได้ในสภาพแวดล้อมที่อุณหภูมิสูง
ค่าการนำความร้อน: คาร์บอนไฟเบอร์โดยทั่วไปมีค่าการนำความร้อน 0.025-0.09 แคลอรี่/ซม.-เซซ-° C และความต้านทานของ 0.8-1.6 × 10^-3Ω-cm ซึ่งแสดงการนำไฟฟ้าและความร้อนที่ดี ประสิทธิภาพนี้ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์มีการใช้งานที่หลากหลายในนักสะสมพลังงานแสงอาทิตย์วัสดุเปลือกหอยนำไฟฟ้าด้วยความร้อนและอื่น ๆ
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน: คาร์บอนไฟเบอร์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนขนาดเล็ก, ลบ (-0.5 ถึง -1.6) × 10^-6/k ในอาคาร, ศูนย์ที่ 200 ถึง 400 ℃และ 1.5 × 10^-6/k ที่น้อย มากกว่า 1,000 ℃ซึ่งทำให้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความเสถียรในมิติที่ดีขึ้นภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
ความต้านทานอุณหภูมิสูง: คาร์บอนไฟเบอร์มีความเสถียรต่ำกว่า 400 ° C และแม้กระทั่งที่ 1,000 ° C ยังมีการเปลี่ยนแปลงไม่มากนัก ความต้านทานอุณหภูมิสูงนี้ทำให้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ
ความเสถียรทางเคมีขั้นพื้นฐาน
ความเสถียรทางเคมีของคาร์บอนไฟเบอร์เป็นอีกหนึ่งคุณสมบัติที่สำคัญที่ช่วยให้สามารถรักษาประสิทธิภาพในสภาพแวดล้อมทางเคมีที่รุนแรง
ความต้านทานการกัดกร่อน: คาร์บอนไฟเบอร์มีความเสถียรต่อกรดอัลคาลิสและสารเคมีอินทรีย์นอกเหนือไปจากกรดออกซิไดซ์ที่แข็งแกร่งและสามารถทำให้เป็นผลิตภัณฑ์ทนต่อการกัดกร่อนทางเคมีที่หลากหลาย ความต้านทานการกัดกร่อนแบบนี้ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์มีโอกาสในการใช้งานที่หลากหลายในด้านอุตสาหกรรมเคมีและวิศวกรรมมหาสมุทร
ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชัน: ในสภาพแวดล้อมที่ไม่ออกซิไดซ์คาร์บอนไฟเบอร์สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงเป็นพิเศษซึ่งเป็นลักษณะที่ให้ความได้เปรียบในการใช้งานเช่นการติดตั้งเตาเผาอุณหภูมิสูงและระบบป้องกันความร้อนสำหรับจรวดและเครื่องบิน
ความเสถียรด้านสิ่งแวดล้อม: เส้นใยคาร์บอนถูกนำมาใช้ในอุณหภูมิการทำงานปกติ≤250° C สภาพแวดล้อมและเป็นการยากที่จะสังเกตการเปลี่ยนแปลงทางเคมีในเส้นใยคาร์บอนแสดงให้เห็นถึงความมั่นคงด้านสิ่งแวดล้อมที่ยอดเยี่ยม
การใช้งานคาร์บอนไฟเบอร์
การบินและอวกาศ
การประยุกต์ใช้คาร์บอนไฟเบอร์ในการบินและอวกาศเป็นหนึ่งในการใช้งานที่โดดเด่นที่สุด เนื่องจากคุณสมบัติที่มีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูงคาร์บอนไฟเบอร์จึงถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางเป็นวัสดุโครงสร้างในเครื่องบินและยานอวกาศเพื่อลดน้ำหนักและปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง
โครงสร้างเครื่องบิน: การใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) ในโครงสร้างเครื่องบินสามารถลดน้ำหนักเครื่องบินได้อย่างมีนัยสำคัญและเพิ่มความจุและช่วงของผู้โดยสาร ตัวอย่างเช่นโครงสร้างของลำตัวและปีกหลักของ Boeing 787 Dreamliner และ Airbus A350XWB ใช้ CFRP อย่างกว้างขวางคิดเป็น 50% และ 53% ของน้ำหนักตามลำดับ แอปพลิเคชันนี้ไม่เพียง แต่ช่วยลดน้ำหนักของเครื่องบินเท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการบินและเศรษฐกิจ
ยานอวกาศ: ในสนามยานอวกาศคาร์บอนไฟเบอร์ใช้ในการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างสำหรับจรวดและดาวเทียมเนื่องจากมีความแข็งแรงและความต้านทานความร้อนสูง การใช้พลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) ในโครงสร้างจรวดและโครงสร้างดาวเทียมได้รับการรายงานเพื่อลดต้นทุนการเปิดตัวและเพิ่มน้ำหนักบรรทุก
กีฬาและสินค้าสันทนาการ
คาร์บอนไฟเบอร์ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในกีฬาและสินค้าสันทนาการโดยเฉพาะอย่างยิ่งในสนามกอล์ฟ, จักรยาน, แร็กเก็ตเทนนิสและแท่งตกปลาเนื่องจากมีความแข็งแรงสูงและคุณสมบัติที่มีน้ำหนักเบา
กอล์ฟคลับ: กอล์ฟคาร์บอนไฟเบอร์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากน้ำหนักเบาและความยืดหยุ่นสูง ตามสถิติคุณสามารถตีลูกกอล์ฟได้มากกว่า 30 หลามากกว่าสโมสรเหล็กที่มีคลับคาร์บอนไฟเบอร์
จักรยาน: จักรยานคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการสนับสนุนจากนักปั่นมืออาชีพเนื่องจากน้ำหนักเบาและความแข็งแรงสูง เฟรมจักรยานคาร์บอนไฟเบอร์มีน้ำหนักเบากว่าเฟรมอลูมิเนียมอัลลอยด์หนึ่งในสี่และให้ความแข็งแกร่งและการดูดซับแรงกระแทกที่ดีขึ้น
การก่อสร้างอุตสาหกรรมและพลเรือน
การประยุกต์ใช้คาร์บอนไฟเบอร์ในด้านอุตสาหกรรมและการก่อสร้างทางแพ่งส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่การเสริมแรงเชิงโครงสร้างและการเสริมสร้างความเข้มแข็งโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเสริมแรงสะพานอาคารและโครงสร้างพื้นฐาน
การเสริมแรงโครงสร้าง: ผ้าหรือแผงคาร์บอนไฟเบอร์ใช้เพื่อเสริมสร้างโครงสร้างคอนกรีตเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการเกิดแผ่นดินไหวและความสามารถในการรับน้ำหนัก มีการรายงานเทคนิคการเสริมแรงคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการเกิดแผ่นดินไหวของโครงสร้างมากกว่า 40%
การก่อสร้างใหม่: คาร์บอนไฟเบอร์ยังใช้ในการก่อสร้างใหม่เช่นหลังคากรอบคานที่ทำจากท่อคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งเบากว่าเหล็กประมาณ 50% และประสิทธิภาพการก่อสร้างและประสิทธิภาพการเกิดแผ่นดินไหวได้รับการปรับปรุงอย่างมาก
อุตสาหกรรมรถยนต์
การประยุกต์ใช้คาร์บอนไฟเบอร์ในอุตสาหกรรมยานยนต์ส่วนใหญ่มุ่งเน้นไปที่ยานพาหนะที่มีประสิทธิภาพสูงและยานพาหนะพลังงานใหม่
ยานพาหนะที่มีประสิทธิภาพสูง: คาร์บอนไฟเบอร์ใช้ในการผลิตตัวถังแชสซีและส่วนอื่น ๆ ของรถสปอร์ตและรถยนต์แข่งสำหรับลักษณะที่มีน้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูงเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของยานพาหนะและการจัดการ ตัวอย่างเช่นรุ่น BMW I3 และ i8 ใช้ประโยชน์จากคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์อย่างกว้างขวางส่งผลให้น้ำหนักยานพาหนะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ
ยานพาหนะพลังงานใหม่: ในด้านยานพาหนะพลังงานใหม่คาร์บอนไฟเบอร์ถูกใช้ในกล่องแบตเตอรี่โครงสร้างร่างกาย ฯลฯ เพื่อลดน้ำหนักของยานพาหนะและปรับปรุงระยะ มีรายงานว่าการใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์สามารถลดน้ำหนักยานพาหนะได้ 30% ถึง 60% และปรับปรุงประสิทธิภาพการใช้พลังงานอย่างมีนัยสำคัญ
ความท้าทายและข้อ จำกัด ของเส้นใยคาร์บอนอุปสรรคการผลิตและปัญหาทางเทคนิคของเส้นใยคาร์บอนเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่ จำกัด การใช้งานที่กว้าง
ต่อไปนี้เป็นความท้าทายที่สำคัญที่ต้องเผชิญโดยคาร์บอนไฟเบอร์ในกระบวนการผลิต:
อุปสรรคทางเทคนิคที่สูง: การผลิตเส้นใยคาร์บอนมีอุปสรรคทางเทคนิคสูงและเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีและทางกายภาพที่ซับซ้อนรวมถึงหลายขั้นตอนเช่นการเกิดพอลิเมอไรเซชันการหมุนการออกซิเดชั่นก่อนการออกซิเดชั่นคาร์บอนและกราฟิค ขั้นตอนเหล่านี้ต้องการการควบคุมอุณหภูมิความดันและสภาพแวดล้อมที่แม่นยำเพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
การลงทุนขนาดใหญ่ในอุปกรณ์: ต้นทุนการลงทุนที่สูงของอุปกรณ์การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งคาร์บอนคุณภาพสูงและเตาเผากราฟิคซึ่งมีความต้องการทางเทคนิคและค่อนข้างแพงในการบำรุงรักษาจำกัดความสามารถของธุรกิจขนาดเล็กในการเข้าสู่อุตสาหกรรม
ต้นทุนวัตถุดิบ: ราคาของ acrylonitrile monomer, วัตถุดิบหลักสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์ที่ใช้ PAN, ผันผวนอย่างมากส่งผลกระทบต่อต้นทุนการผลิตของคาร์บอนไฟเบอร์ นอกจากนี้การผลิตเส้นใยดิบที่มีคุณภาพสูงเป็นหนึ่งในปัญหาทางเทคนิคที่ต้องใช้พอลิเมอไรเซชันและเทคโนโลยีการปั่นที่แม่นยำ
การใช้พลังงาน: กระบวนการผลิตของคาร์บอนไฟเบอร์นั้นใช้พลังงานจำนวนมากโดยเฉพาะอย่างยิ่งในขั้นตอนการทำให้เป็นคาร์บอนและกราฟิคซึ่งจำเป็นต้องดำเนินการที่อุณหภูมิสูงเป็นเวลานาน สิ่งนี้ไม่เพียง แต่เพิ่มต้นทุนการผลิต แต่ยังให้ภาระต่อสิ่งแวดล้อม
การผูกขาดทางเทคโนโลยี: ตลาดคาร์บอนไฟเบอร์ทั่วโลกได้รับการผูกขาดโดย บริษัท ไม่กี่แห่งซึ่งเป็นเจ้าของสิทธิบัตรทางเทคนิคจำนวนมากและกระบวนการผลิตที่ครบกำหนดทำให้ยากสำหรับผู้เข้าใหม่ที่จะบุกผ่านอุปสรรคทางเทคโนโลยีในช่วงเวลาสั้น ๆ
การควบคุมคุณภาพของผลิตภัณฑ์: ประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์มีความอ่อนไหวต่อแต่ละขั้นตอนในกระบวนการผลิตและการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยอาจส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายดังนั้นการควบคุมคุณภาพของผลิตภัณฑ์จึงส่งต่อความต้องการที่สูงมาก
โดยสรุปความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อมและสุขภาพในการผลิตและการใช้คาร์บอนไฟเบอร์จำเป็นต้องได้รับการแก้ไขผ่านนวัตกรรมทางเทคโนโลยีมาตรการคุ้มครองสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดและกลยุทธ์การจัดการขยะที่มีประสิทธิภาพ ด้วยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีและการรับรู้ด้านสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นอุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์จะค่อยๆดำเนินการเพื่อลดผลกระทบด้านสิ่งแวดล้อมและสุขภาพ
