คาร์บอนไฟเบอร์: คืออะไร ประเภท คุณสมบัติของวัสดุ และวัสดุผสม

คาร์บอนไฟเบอร์คืออะไร?

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุประสิทธิภาพสูงที่ประกอบด้วยเส้นใยอะตอมของคาร์บอนที่ยาวและบาง โดยแต่ละเส้นมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5 ถึง 10 ไมโครเมตร ซึ่งบางกว่าเส้นผมมนุษย์ เส้นใยเหล่านี้ถูกเชื่อมเข้าด้วยกันในโครงสร้างผลึกที่จัดเรียงตามแนวแกนของเส้นใย ซึ่งเป็นสิ่งที่ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่น่าทึ่ง วัสดุไม่ใช่โลหะ ไม่ใช่พลาสติก และไม่ใช่เซรามิก วัสดุนี้อยู่ในหมวดหมู่ของวัสดุวิศวกรรมขั้นสูงที่กำหนดโดยองค์ประกอบธาตุ: คาร์บอนมากกว่า 90% โดยน้ำหนัก

คาร์บอนไฟเบอร์มักถูกใช้เป็นการเสริมแรงภายในวัสดุเมทริกซ์ ซึ่งโดยทั่วไปคืออีพอกซีเรซิน เพื่อสร้างสิ่งที่เรียกว่าคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ด้วยตัวมันเอง เส้นใยคาร์บอนเส้นเดียวจึงเปราะและยากต่อการจัดการ แต่เมื่อเส้นใยหลายพันเส้นถูกถักทอเป็นผ้าหรือวางขนานกันแล้วฝังลงในเรซินประสาน ผลลัพธ์ที่ได้คือแผงหรือโครงสร้างคอมโพสิตจึงกลายเป็นหนึ่งในวัสดุทางวิศวกรรมที่แข็งแกร่งที่สุด แข็งที่สุด และเบาที่สุดที่มีอยู่ในปัจจุบัน

เงื่อนไข คาร์บอนไฟเบอร์ และ คาร์บอนไฟเบอร์ อ้างถึงเนื้อหาเดียวกัน - ความแตกต่างในการสะกดคือภาษาอังกฤษแบบอเมริกันกับภาษาอังกฤษแบบอังกฤษ ในทำนองเดียวกัน "คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์" และ "โพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์" (CFRP) มักใช้สลับกันในบริบททางวิศวกรรมและการผลิต

คาร์บอนไฟเบอร์ทำมาจากอะไร?

วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์เรียกว่าก สารตั้งต้น . สารตั้งต้นที่โดดเด่นในการผลิตเชิงพาณิชย์คือ โพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) ซึ่งเป็นโพลีเมอร์สังเคราะห์ที่มีสัดส่วนประมาณ 90–95% ของคาร์บอนไฟเบอร์ทั้งหมดที่ผลิตทั่วโลก ส่วนที่เหลือผลิตจากพิตช์ (อนุพันธ์ของปิโตรเลียมหรือน้ำมันถ่านหิน) หรือเรยอนในการใช้งานแบบพิเศษ

กระบวนการผลิตจะแปลงสารตั้งต้นให้เป็นคาร์บอนไฟเบอร์ผ่านลำดับขั้นตอนที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด:

1. เสถียรภาพ — เส้นใย PAN ถูกให้ความร้อนในอากาศที่อุณหภูมิ 200–300°C เพื่อออกซิไดซ์และทำให้โครงสร้างมีเสถียรภาพ ป้องกันไม่ให้เส้นใยละลายในขั้นต่อไป
2. คาร์บอไนซ์ — เส้นใยที่มีความเสถียรจะถูกให้ความร้อนที่ 1,000–1,500°C ในบรรยากาศเฉื่อย (ปราศจากออกซิเจน) ซึ่งจะขับอะตอมที่ไม่ใช่คาร์บอนส่วนใหญ่ออกไป และเหลือเส้นใยที่มีคาร์บอนมากกว่า 90% ไว้เบื้องหลัง
3. การสร้างกราฟ (ทางเลือก) — สำหรับเกรดโมดูลัสสูงพิเศษ เส้นใยจะถูกให้ความร้อนเพิ่มเติมถึง 2,500–3,000°C เพื่อเพิ่มความเป็นผลึกและความแข็งโดยแลกกับค่าความต้านทานแรงดึงบางส่วน
4. การรักษาพื้นผิวและการปรับขนาด — เส้นใยได้รับการปรับสภาพพื้นผิวเพื่อปรับปรุงการยึดเกาะกับเมทริกซ์เรซิน จากนั้นจึงเคลือบป้องกันบางๆ (ปรับขนาด) ก่อนที่จะพันเข้ากับแกนม้วนเพื่อขนส่ง

กระบวนการผลิตที่ใช้พลังงานมากนี้เป็นเหตุผลหนึ่งที่วัตถุดิบคาร์บอนไฟเบอร์มีราคาสูงกว่าโลหะแบบดั้งเดิม ห่วงโซ่วัตถุดิบคาร์บอนไฟเบอร์ ตั้งแต่อะคริโลไนไตรล์โมโนเมอร์ ไปจนถึงเส้นใย PAN ไปจนถึงเส้นใยคาร์บอนสำเร็จรูป เกี่ยวข้องกับขั้นตอนการประมวลผลทางเคมีหลายขั้นตอนก่อนที่เส้นใยจะไปถึงผู้ผลิตคอมโพสิต

คาร์บอนไฟเบอร์มาจากไหน?

การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ทั่วโลกกระจุกตัวอยู่ในผู้ผลิตรายใหญ่เพียงไม่กี่ราย ญี่ปุ่นมีประวัติศาสตร์ครอบงำอุตสาหกรรมด้วย โทเร อินดัสทรีส์ เป็นผู้ผลิตรายใหญ่ที่สุดในโลก ควบคู่ไปกับ Teijin และ Mitsubishi Chemical กำลังการผลิตที่สำคัญยังมีอยู่ในสหรัฐอเมริกา (Hexcel, Solvay) และเยอรมนี (SGL Carbon) การผลิตในจีนขยายตัวอย่างรวดเร็วตั้งแต่กลางทศวรรษ 2010 โดยผู้ผลิตเช่น Zhongfu Shenying และ Guangwei Composites กลายเป็นซัพพลายเออร์รายใหญ่ระดับโลก

สารเคมีตั้งต้นมีประวัติย้อนกลับไปอีกว่า อะคริโลไนไตรล์ ซึ่งเป็นโมโนเมอร์ที่ใช้ทำ PAN นั้นได้มาจากโพรพิลีน ซึ่งมาจากการกลั่นปิโตรเลียมหรือกระบวนการแปรรูปก๊าซธรรมชาติ ดังนั้นแม้ว่าคาร์บอนไฟเบอร์จะเป็นวัสดุขั้นสูงที่มีเทคโนโลยีสูง แต่ก็มีต้นกำเนิดมาจากเคมีไฮโดรคาร์บอนทั่วไป เส้นใยคาร์บอนที่ใช้พิทช์ดึงโดยตรงจากผลพลอยได้จากโรงกลั่นปิโตรเลียมหรือน้ำมันถ่านหิน ทำให้เป็นผลิตภัณฑ์ขั้นปลายของการแปรรูปเชื้อเพลิงฟอสซิล

สารตั้งต้นจากชีวภาพ (เช่น ทางเลือก PAN ที่ได้มาจากลิกนิน) เป็นงานวิจัยที่กระตือรือร้น แต่ในช่วงกลางทศวรรษ 2020 PAN ที่ได้มาจากปิโตรเลียมยังคงเป็นมาตรฐานทางการค้าด้วยส่วนต่างที่กว้าง

ประเภทของคาร์บอนไฟเบอร์: เกรดและการจำแนกประเภท

คาร์บอนไฟเบอร์ไม่เหมือนกันทั้งหมด มีหลายวิธีในการจำแนกประเภทคาร์บอนไฟเบอร์ประเภทต่างๆ โดยวิธีที่พบบ่อยที่สุด เกรดเครื่องกล และ by สารตั้งต้น type .

จำแนกตามเกรดเครื่องกล

จำแนกตามประเภทสารตั้งต้น

• คาร์บอนไฟเบอร์แบบ PAN — มาตรฐานอุตสาหกรรม สมดุลที่ดีที่สุดของความต้านทานแรงดึงและโมดูลัส ใช้ในการบินและอวกาศ ยานยนต์ สินค้ากีฬา และพลังงานลม
• คาร์บอนไฟเบอร์แบบพิทช์ - ผลิตจากปิโตรเลียมหรือถ่านหิน-ทาร์พิทช์ เข้าถึงค่าโมดูลัสสูงพิเศษได้ง่ายขึ้น และมีค่าการนำความร้อนและไฟฟ้าที่เหนือกว่า เป็นที่นิยมในการใช้งานด้านการจัดการพื้นที่และความร้อน
• เส้นใยคาร์บอนจากเรยอน — วิธีการผลิตในยุคแรกๆ ในปัจจุบันล้าสมัยไปมากสำหรับการใช้งานด้านโครงสร้าง ยังคงใช้ในบริบทการระเหยและฉนวนเฉพาะบางอย่าง

นอกเหนือจากประเภทแกนหลักเหล่านี้แล้ว คาร์บอนไฟเบอร์ยังถูกจัดประเภทตามรูปแบบของเส้นใยด้วย: ลากจูงอย่างต่อเนื่อง (มัดเส้นใยขนานหลายพันเส้น กำหนดเป็น 1K, 3K, 6K, 12K, 24K หรือ 48K ขึ้นอยู่กับจำนวนเส้นใย) ผ้าทอ (ผ้าทอธรรมดา สิ่งทอลายทแยง ผ้าซาติน) และ เส้นใยสับหรือบด เพื่อใช้ในคอมโพสิตฉีดขึ้นรูป

คุณสมบัติของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์: แข็งและแข็งแรงแค่ไหน?

คำถามที่ว่า "คาร์บอนไฟเบอร์แข็งแค่ไหน" จึงต้องแยกความแตกต่างระหว่าง ความแข็ง และ ความฝืด — สองคุณสมบัติที่มักจะสับสน ความแข็ง หมายถึงความต้านทานต่อการขีดข่วนหรือการเยื้องของพื้นผิว ความฝืด (โมดูลัส) หมายถึง ความต้านทานต่อการเสียรูปภายใต้ภาระ คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งสูงแต่ไม่ได้แข็งเป็นพิเศษในแง่ทั่วไป พื้นผิวเรซินของคอมโพสิต CFRP สามารถเกิดรอยขีดข่วนได้ค่อนข้างง่ายเมื่อเทียบกับเหล็กชุบแข็งหรือเซรามิก

คุณสมบัติของวัสดุที่กำหนดของคาร์บอนไฟเบอร์ที่ทำให้มีคุณค่ามีดังนี้:

• มีความแข็งจำเพาะสูงมาก — คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสมาตรฐานมีโมดูลัสแรงดึงที่ ~230 GPa เหล็กโครงสร้างอยู่ที่ประมาณ ~200 GPa คาร์บอนไฟเบอร์มีความหนาแน่นเพียง ~1.8 ก./ซม. เทียบกับเหล็กที่มี 7.85 ก./ซม. จึงมีอัตราส่วนความแข็งต่อน้ำหนักสูงกว่าเหล็กประมาณสี่เท่า
• มีความต้านทานแรงดึงสูงมาก — เส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์สามารถรับแรงดึงได้ 3,500–7,000 MPa ขึ้นอยู่กับเกรด เทียบกับประมาณ 400–550 MPa สำหรับเหล็กโครงสร้าง
• ความหนาแน่นต่ำ — ที่ 1.6–1.9 ก./ซม.³ โครงสร้างคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จะเบากว่าชิ้นส่วนเหล็กที่เทียบเท่ากันประมาณ 70–75%
• การขยายตัวทางความร้อนใกล้ศูนย์ — คาร์บอนไฟเบอร์มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน (CTE) ต่ำมาก ทำให้มีความเสถียรในมิติตลอดช่วงอุณหภูมิที่กว้าง ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบินและอวกาศและทัศนศาสตร์ที่มีความแม่นยำ
• การนำไฟฟ้า — คาร์บอนไฟเบอร์แตกต่างจากใยแก้วตรงที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นทั้งข้อดี (การป้องกัน EMI, การป้องกันฟ้าผ่า) และข้อควรพิจารณาในการออกแบบ (การกัดกร่อนของกัลวานิกกับโลหะ)
• ทนต่อสารเคมี — คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ต้านทานกรด ตัวทำละลาย และการเสื่อมสภาพของสิ่งแวดล้อมส่วนใหญ่ แม้ว่าการสัมผัสรังสียูวีจะทำให้เมทริกซ์เรซินเสื่อมสภาพเมื่อเวลาผ่านไปโดยไม่มีการเคลือบป้องกัน

ข้อจำกัดหลัก คือความเปราะบางภายใต้แรงกระแทก คาร์บอนไฟเบอร์ไม่ทำให้พลาสติกเสียรูปก่อนที่โลหะจะเสียหาย เนื่องจากจะเกิดการแตกหักกะทันหัน ซึ่งมีผลกระทบต่อการออกแบบโครงสร้างการชนและความทนทานต่อความเสียหายในการใช้งานทางวิศวกรรม

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นคอมโพสิตหรือไม่? คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุอะไรกันแน่?

ใช่ — โพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เป็นวัสดุคอมโพสิต ในทางเทคนิคแล้ว คำว่า "คาร์บอนไฟเบอร์" หมายถึงตัวเส้นใยเอง (ระยะเสริมแรง) ในขณะที่วัสดุที่คนส่วนใหญ่หมายถึงเมื่อพูดถึง "คาร์บอนไฟเบอร์" ในบริบททางอุตสาหกรรมหรือผู้บริโภคนั้นเป็นคอมโพสิตที่เกิดขึ้นจากการรวมเส้นใยนั้นเข้ากับเมทริกซ์เรซิน นี่คือความแตกต่างที่สำคัญ:

• คาร์บอนไฟเบอร์ = เส้นใยเส้นใยบริสุทธิ์ ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของคาร์บอน
• คาร์บอนไฟเบอร์ composite = เมทริกซ์คาร์บอนไฟเบอร์ (โดยปกติจะเป็นอีพอกซี โพลีเอสเตอร์ หรือ PEEK) ที่เกิดขึ้นเป็นชิ้นส่วนลามิเนตหรือแม่พิมพ์

ตามคำนิยาม วัสดุคอมโพสิตเป็นการรวมวัสดุที่เป็นส่วนประกอบตั้งแต่ 2 ชิ้นขึ้นไปที่มีคุณสมบัติทางกายภาพหรือทางเคมีที่แตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญ ในวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ เส้นใยให้ความต้านทานแรงดึงและความแข็ง ในขณะที่เมทริกซ์เรซินจะยึดเส้นใย กระจายน้ำหนักระหว่างเส้นใย และปกป้องจากความเสียหายต่อสิ่งแวดล้อม ส่วนประกอบทั้งสองเพียงอย่างเดียวไม่สามารถบรรลุคุณสมบัติที่เหมือนกันกับคอมโพสิตได้

วัสดุเมทริกซ์ที่พบบ่อยที่สุดในวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์คือ:

• อีพอกซีเรซิน — มาตรฐานสำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศและโครงสร้างประสิทธิภาพสูง การยึดเกาะที่ดีเยี่ยม ปริมาณช่องว่างต่ำ สมบัติทางกลที่ดี
• โพลีเอสเตอร์และไวนิลเลสเตอร์ — ต้นทุนที่ต่ำกว่า ใช้ในผลิตภัณฑ์ทางทะเล การก่อสร้าง และสินค้าอุปโภคบริโภคที่ประสิทธิภาพเชิงกลสัมบูรณ์มีความสำคัญน้อยกว่า
• เมทริกซ์เทอร์โมพลาสติก (PEEK, PPS, ไนลอน) — มีการใช้กันมากขึ้นในยานยนต์และการบินและอวกาศ เพื่อเพิ่มความทนทานต่อแรงกระแทก สามารถรีไซเคิลได้ และใช้เวลาดำเนินการเร็วขึ้น
• เซรามิกเมทริกซ์คอมโพสิต (CMC) — เส้นใยคาร์บอนในเมทริกซ์เซรามิกสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง เช่น ส่วนที่ร้อนของเครื่องยนต์ไอพ่นและยานพาหนะที่มีความเร็วเหนือเสียง

คาร์บอนไฟเบอร์ทำมาจากอะไร? พื้นที่ใช้งานที่สำคัญ

กลุ่มผลิตภัณฑ์ที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ได้ขยายตัวอย่างมากจากต้นกำเนิดด้านการบินและอวกาศในยุคแรกๆ ปัจจุบัน คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ปรากฏในอุตสาหกรรมต่างๆ ที่นักออกแบบต้องการลดน้ำหนักโดยไม่ต้องเสียสละประสิทธิภาพของโครงสร้าง:

• การบินและอวกาศ — แผงลำตัว หนังปีก แผงกั้น และโครงสร้างภายในในเครื่องบินพาณิชย์ (โบอิ้ง 787 และแอร์บัส A350 ต่างก็มี CFRP ประมาณ 50% โดยน้ำหนัก)
• ยานยนต์ — แผงตัวถัง ส่วนประกอบแชสซี เพลาขับ โครงสร้างการชน และโครงเบาะนั่งในรถยนต์ที่มีสมรรถนะ ความหรูหรา และกระแสหลักเพิ่มมากขึ้น
• พลังงานลม — ฝาครอบใบพัดกังหันลม ซึ่งการผสมผสานระหว่างความแข็งและน้ำหนักเบาจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการดักจับพลังงานได้โดยตรง
• สินค้ากีฬา — เฟรมจักรยาน ไม้เทนนิส ไม้กอล์ฟ ไม้ฮอกกี้ ไม้พาย และคันเบ็ด — ภาคผู้บริโภคที่ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์เป็นที่คุ้นเคยกันอย่างกว้างขวางเป็นครั้งแรก
• การแพทย์ — อุปกรณ์เทียม อุปกรณ์พยุงกระดูก เครื่องมือผ่าตัด และอุปกรณ์ฉายรังสี (คาร์บอนไฟเบอร์เป็นสารกัมมันตภาพรังสี หมายความว่ารังสีเอกซ์ทะลุผ่านได้)
• โครงสร้างพื้นฐานทางแพ่ง — พื้นสะพาน การพันเสาสำหรับติดตั้งเพิ่มแผ่นดินไหว และการเสริมคอนกรีต (เหล็กเส้นคาร์บอนไฟเบอร์ไม่เป็นสนิม)
• อิเล็กทรอนิกส์และภาชนะรับความดัน — ส่วนประกอบแชสซีแล็ปท็อปและโทรศัพท์สำหรับอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์ ถังเก็บก๊าซและไฮโดรเจนอัดสำหรับรถยนต์เซลล์เชื้อเพลิง

ตลาดคาร์บอนไฟเบอร์ทั่วโลกมีมูลค่าประมาณ 5.5 พันล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2566 และคาดว่าจะเติบโตในอัตรา 9–11% ต่อปีจนถึงปี 2573 โดยได้รับแรงหนุนหลักจากการขยายพลังงานลมและข้อกำหนดการลดน้ำหนักของยานยนต์ที่เชื่อมโยงกับกฎระเบียบด้านการปล่อยมลพิษ