คาร์บอนไฟเบอร์คืออะไร? คุณสมบัติ กระบวนการผลิต และการใช้งาน

คาร์บอนไฟเบอร์คืออะไร

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุประสิทธิภาพสูงที่ทำจากอะตอมของคาร์บอนเส้นบางๆ ที่เชื่อมติดกันในโครงสร้างผลึกที่เรียงขนานกับแกนยาวของเส้นใย เส้นใยแต่ละเส้นจะวัดระหว่าง เส้นผ่านศูนย์กลาง 5 และ 10 ไมโครเมตร — ประมาณหนึ่งในสิบของความกว้างของเส้นผมมนุษย์ — แต่วัสดุนี้ขึ้นชื่อในด้านความต้านทานแรงดึงและความแข็งที่ยอดเยี่ยมโดยมีน้ำหนักเพียงเศษเสี้ยวของโลหะ

ในการใช้งานทางอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ คาร์บอนไฟเบอร์ไม่ได้ถูกใช้เป็นเส้นใยเปลือย เส้นใยเหล่านี้หลายพันเส้นถูกมัดรวมกันเป็นสายพ่วง ซึ่งจากนั้นจะถูกถักทอเป็นผ้าหรือวางเป็นแผ่น และรวมกับเมทริกซ์เรซินโพลีเมอร์ ซึ่งโดยทั่วไปคืออีพอกซี เพื่อผลิตโพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เส้นใยให้ความต้านทานแรงดึงและความแข็ง เรซินจะยึดเส้นใยเข้าด้วยกันและถ่ายเทน้ำหนักระหว่างเส้นใยเหล่านั้น วัสดุคอมโพสิตที่ได้นั้นมีประสิทธิภาพเหนือกว่าโลหะส่วนใหญ่เมื่อพิจารณาจากความแข็งแรงต่อน้ำหนัก

สายพ่วงคาร์บอนไฟเบอร์เชิงพาณิชย์มาตรฐานแบ่งตามจำนวนเส้นใย: 1K (1,000 เส้น), 3K, 6K, 12K, 24K และใหญ่กว่า สายพ่วงจำนวนน้อยกว่าถูกนำมาใช้ในการใช้งานด้านการบินและอวกาศและอุปกรณ์กีฬาที่มีประสิทธิภาพสูง จำนวนลากจูงที่สูงกว่าจะใช้ในบริบททางอุตสาหกรรมและการก่อสร้างซึ่งประสิทธิภาพด้านต้นทุนมีความสำคัญมากกว่าการตกแต่งพื้นผิว

อธิบายคุณสมบัติของคาร์บอนไฟเบอร์

คุณสมบัติของคาร์บอนไฟเบอร์ขึ้นอยู่กับวัสดุตั้งต้นและกระบวนการผลิตอย่างมาก แต่คาร์บอนไฟเบอร์แบบมาตรฐาน PAN (ดูด้านล่าง) แสดงให้เห็นชุดคุณลักษณะที่สอดคล้องกันซึ่งกำหนดความน่าดึงดูด:

• ความต้านทานแรงดึงสูง: คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสมาตรฐานมีความต้านทานแรงดึง 3,500–7,000 เมกะปาสคาล ซึ่งสูงกว่าเหล็กโครงสร้างอย่างมาก (โดยทั่วไปคือ 400–550 MPa)
• ความแข็งสูง (โมดูลัสยืดหยุ่น): คาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสมาตรฐานมีโมดูลัสยืดหยุ่นประมาณ 230 GPa; เกรดโมดูลัสสูงพิเศษสูงถึง 600–900 GPa, เหล็กเกินมาก (200 GPa) และอะลูมิเนียม (70 GPa)
• ความหนาแน่นต่ำ: คาร์บอนไฟเบอร์มีความหนาแน่นประมาณ 1.75–1.85 ก./ซม. เทียบกับ 7.85 ก./ซม. สำหรับเหล็ก และ 2.7 ก./ซม. สำหรับอะลูมิเนียม โดยทั่วไปแล้ว คอมโพสิต CFRP จะอยู่ที่ 1.5–1.6 ก./ซม.
• เสถียรภาพทางความร้อน: คาร์บอนไฟเบอร์คงคุณสมบัติเชิงกลไว้ที่อุณหภูมิเกิน 2,000°C ในบรรยากาศเฉื่อย ในสภาพแวดล้อมออกซิไดซ์ การเสื่อมสภาพของพื้นผิวเริ่มต้นที่สูงกว่า 400–500°C
• การขยายตัวทางความร้อนต่ำ: ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของคาร์บอนไฟเบอร์อยู่ใกล้ศูนย์หรือเป็นลบเล็กน้อยตามแนวแกนของเส้นใย ทำให้ CFRP มีความเสถียรในเชิงมิติตลอดช่วงอุณหภูมิ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญในการบินและอวกาศและเครื่องมือวัดที่มีความแม่นยำ
• การนำไฟฟ้า: คาร์บอนไฟเบอร์นำไฟฟ้าซึ่งแตกต่างจากไฟเบอร์กลาส นี่เป็นข้อได้เปรียบในการใช้งานบางประเภท (การป้องกัน EMI, การป้องกันฟ้าผ่า) และการพิจารณาการออกแบบในการใช้งานอื่นๆ (การกัดกร่อนของกัลวานิกเมื่อสัมผัสกับโลหะ เช่น อลูมิเนียม)
• ความไวต่อความเมื่อยล้าต่ำ: คอมโพสิต CFRP มีความต้านทานต่อการโหลดแบบวนเป็นเลิศเมื่อเปรียบเทียบกับโลหะ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับส่วนประกอบที่ต้องเผชิญกับความเครียดซ้ำๆ

ข้อจำกัดหลักคือความเปราะบาง: คาร์บอนไฟเบอร์มีความเครียดต่อความล้มเหลวต่ำ (โดยทั่วไป 1.5–2%) และมีความต้านทานต่ำต่อแรงกระแทกในแนวตั้งฉากกับทิศทางของเส้นใย ต่างจากโลหะตรงที่ CFRP จะไม่เปลี่ยนรูปทางพลาสติกก่อนเกิดความล้มเหลว แต่จะแตกหัก โดยมักจะไม่มีสัญญาณเตือนที่มองเห็นได้บนพื้นผิวของวัสดุ

วิธีการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์: กระบวนการผลิต

การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์เป็นกระบวนการแปลงความร้อนและเคมีหลายขั้นตอนที่เปลี่ยนสารตั้งต้นของโพลีเมอร์ให้เป็นเส้นใยคาร์บอนที่เกือบบริสุทธิ์ สารตั้งต้นที่โดดเด่นคือโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) ซึ่งมีสัดส่วนมากกว่า 90% ของการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ทั่วโลก . การผลิตที่เหลือใช้พิทช์ (อนุพันธ์ของปิโตรเลียมหรือน้ำมันถ่านหิน) หรือในการใช้งานเฉพาะด้าน จะใช้เรยอน

การแปลงจากเส้นใยตั้งต้นของ PAN ไปเป็นคาร์บอนไฟเบอร์สำเร็จรูปจะต้องผ่านห้าขั้นตอนตามลำดับ ได้แก่ การคงตัว การทำให้เป็นคาร์บอน การสร้างกราฟ (สำหรับเกรดโมดูลัสสูง) การรักษาพื้นผิว และการปรับขนาด

อธิบายกระบวนการรักษาเสถียรภาพ

การรักษาเสถียรภาพเป็นขั้นตอนการแปลงความร้อนขั้นตอนแรกและเป็นขั้นตอนที่ใช้เวลานานที่สุดในกระบวนการ เส้นใยสารตั้งต้นของ PAN จะถูกส่งผ่านชุดเตาอบออกซิเดชันที่อุณหภูมิระหว่างนั้น 200°ซ และ 300°ซ ในบรรยากาศอากาศ กระบวนการนี้ใช้เวลา 30 ถึง 120 นาที ขึ้นอยู่กับประเภทของไฟเบอร์และการออกแบบเตาเผา

ในระหว่างการทำให้เสถียร โซ่โพลีเมอร์เชิงเส้นใน PAN จะเกิดปฏิกิริยาไซคลิกไลเซชันและการเชื่อมโยงข้าม โดยเปลี่ยนโครงสร้างเทอร์โมพลาสติกให้เป็นแลดเดอร์โพลีเมอร์ที่มีความเสถียรทางความร้อน การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างนี้มีความสำคัญ: หากไม่มีความเสถียร เส้นใยจะละลายหรือเผาไหม้ในระหว่างขั้นตอนคาร์บอไนเซชันที่อุณหภูมิสูงที่ตามมา เส้นใยจะเข้มขึ้นจากสีขาวเป็นสีน้ำตาลทองเป็นสีดำเมื่อการรักษาเสถียรภาพดำเนินไป รักษาความตึงเครียดตลอดเพื่อป้องกันการหดตัวของเส้นใยและรักษาการวางแนวของโมเลกุล

อธิบายกระบวนการคาร์บอไนเซชัน

หลังจากการรักษาเสถียรภาพแล้ว เส้นใยจะเข้าสู่เตาเผาถ่านที่ทำงานที่ 1,000°C ถึง 1,500°C ในบรรยากาศไนโตรเจนเฉื่อย ที่อุณหภูมิเหล่านี้ อะตอมที่ไม่ใช่คาร์บอน ซึ่งส่วนใหญ่เป็นไฮโดรเจน ไนโตรเจน และออกซิเจน จะถูกขับออกเป็นก๊าซ (HCN, CO₂, H₂O, NH₃ และอื่นๆ) ปริมาณคาร์บอนของเส้นใยเพิ่มขึ้นจากประมาณ 65% ใน PAN ที่เสถียรเป็นมากกว่านั้น 92–95% ในผลิตภัณฑ์คาร์บอไนซ์

โดยทั่วไประยะคาร์บอไนเซชันจะแบ่งออกเป็นสองโซน: โซนอุณหภูมิต่ำ (สูงถึง 700°C) ซึ่งผลพลอยได้ที่ระเหยได้ส่วนใหญ่ถูกปล่อยออกมา และโซนอุณหภูมิสูง (สูงกว่า 1,000°C) ซึ่งโครงสร้างกราไฟท์เทอร์โบสเตรติกเริ่มพัฒนา การจัดแนวผลึกที่เกิดขึ้นในขั้นตอนนี้จะเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติเชิงกลขั้นสุดท้ายเป็นส่วนใหญ่ คาร์บอไนซ์จะดำเนินการภายใต้ความตึงเครียดเพื่อรักษาแนวของเส้นใยและเพิ่มการพัฒนาการวางแนวผลึกศาสตร์ที่ต้องการตามแนวแกนของเส้นใย

อธิบายกระบวนการสร้างภาพกราฟิก

การทำกราไฟต์เป็นขั้นตอนที่อุณหภูมิสูงซึ่งเป็นทางเลือกที่ใช้ในการผลิตเกรดคาร์บอนไฟเบอร์โมดูลัสสูงและโมดูลัสสูงพิเศษ เส้นใยคาร์บอนจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิระหว่าง 2,500°C และ 3,000°C ในบรรยากาศอาร์กอนเฉื่อย ที่อุณหภูมิสุดขั้วเหล่านี้ โครงสร้างคาร์บอนเทอร์โบสเตรติก (เรียงลำดับบางส่วน) จะจัดโครงสร้างใหม่ให้เป็นโครงสร้างผลึกที่มีลักษณะคล้ายกราไฟต์ที่ได้รับการจัดลำดับมากขึ้น โดยระนาบคาร์บอนหกเหลี่ยมจะมีขนาดใหญ่ขึ้นและอยู่ในแนวเดียวกับแกนไฟเบอร์อย่างสมบูรณ์แบบมากขึ้น

ผลลัพธ์ที่ได้คือการเพิ่มขึ้นอย่างมากของโมดูลัสยืดหยุ่น จากประมาณ 230 GPa สำหรับเส้นใยโมดูลัสมาตรฐาน เป็น 400–900 GPa สำหรับเกรดโมดูลัสสูงพิเศษ อย่างไรก็ตาม ความแข็งที่เพิ่มขึ้นนี้มาพร้อมกับต้นทุนของความต้านทานแรงดึงและความเครียดต่อความล้มเหลว: เส้นใยกราไฟต์มีความแข็งกว่าแต่เปราะมากกว่า ไม่ใช่ทุกแอปพลิเคชันที่ต้องการการสร้างกราฟ เส้นใยโมดูลัสมาตรฐานและระดับกลางที่ใช้ในงานโครงสร้างการบินและอวกาศส่วนใหญ่จะไม่เกิดเป็นกราฟ

การรักษาพื้นผิวในคาร์บอนไฟเบอร์

เส้นใยคาร์บอนที่ผลิตขึ้นมีพื้นผิวเฉื่อยทางเคมีซึ่งยึดเกาะกับเรซินโพลีเมอร์ได้ไม่ดี การรักษาพื้นผิว - โดยทั่วไปแล้วการออกซิเดชันด้วยไฟฟ้า - แก้ไขปัญหานี้โดยการแนะนำกลุ่มฟังก์ชันที่มีออกซิเจน (คาร์บอกซิล, ไฮดรอกซิล, คาร์บอนิล) ลงบนพื้นผิวของเส้นใย กระบวนการนี้จะส่งผ่านเส้นใยผ่านอ่างอิเล็กโทรไลต์ในขณะที่ใช้กระแสไฟฟ้าที่มีการควบคุม

ผลที่ได้คือพื้นผิวที่หยาบกร้านมีฤทธิ์ทางเคมีด้วย เพิ่มการยึดเกาะกับอีพ็อกซี่และเรซินอื่นๆ อย่างมีนัยสำคัญ . ความต้านทานแรงเฉือนระหว่างชั้น — ความต้านทานของคอมโพสิตต่อการหลุดล่อนระหว่างชั้น — เป็นคุณสมบัติหลักที่ได้รับการปรับปรุงโดยการปรับสภาพพื้นผิว หากไม่มีสิ่งนี้ คอมโพสิตที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์จะแสดงการยึดเกาะของไฟเบอร์-เมทริกซ์ที่ไม่ดี และลดประสิทธิภาพเชิงกล โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้การรับแรงเฉือน

กระบวนการปรับขนาดคาร์บอนไฟเบอร์

การกำหนดขนาดเป็นขั้นตอนสุดท้ายก่อนที่เส้นใยจะพันเข้ากับไส้กระสวยหรือผ่านกระบวนการต่อไป การเคลือบบางๆ — โดยทั่วไป 0.5–5% โดยน้ำหนัก — ของสารปรับขนาด (โดยปกติคือโพลีเมอร์ที่เข้ากันได้กับอีพ็อกซี่) ถูกนำไปใช้กับพื้นผิวเส้นใยจากอ่างอิมัลชันสูตรน้ำ

การปรับขนาดทำหน้าที่หลายอย่าง: ช่วยปกป้องเส้นใยจากการเสียดสีในระหว่างการจัดการและการทอผ้าในภายหลัง การรวมเส้นใยเข้าด้วยกันเพื่อให้สามารถแปรรูปได้ง่ายขึ้น และยังส่งเสริมความเข้ากันได้กับระบบเรซินที่ใช้ในคอมโพสิตขั้นสุดท้าย โดยทั่วไปสูตรการกำหนดขนาดจะจับคู่กับเรซินที่ต้องการ — การกำหนดขนาดอีพ็อกซี่สำหรับคอมโพสิตอีพ็อกซี่ การกำหนดขนาดที่เข้ากันได้กับเทอร์โมพลาสติกสำหรับคอมโพสิตเมทริกซ์เทอร์โมพลาสติก ขนาดที่ไม่ตรงกันอาจทำให้ประสิทธิภาพเชิงกลของคอมโพสิตลดลงได้ โดยรบกวนการยึดเกาะของไฟเบอร์เมทริกซ์

PAN กับ Pitch Carbon Fiber

วัสดุตั้งต้นหลักสองชนิดสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์ — PAN (โพลีอะคริโลไนไตรล์) และพิทช์ — ผลิตเส้นใยที่มีคุณสมบัติที่แตกต่างกันซึ่งเหมาะกับการใช้งานที่แตกต่างกัน

คาร์บอนไฟเบอร์แบบ PAN ครองตลาดเนื่องจากกระบวนการผลิตได้รับการยอมรับอย่างดี ให้คุณภาพเส้นใยที่สม่ำเสมอ และผลิตผลิตภัณฑ์ที่แข็งแกร่งและใช้งานได้หลากหลาย เส้นใย PAN ผสมผสานระหว่างความต้านทานแรงดึงและความแข็งได้ดีที่สุดสำหรับงานโครงสร้าง ไฟเบอร์โมดูลัส PAN มาตรฐาน (เช่น เกรด Toray T300) เป็นส่วนสำคัญของอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ยานยนต์ และอุปกรณ์กีฬา

คาร์บอนไฟเบอร์แบบพิทช์ ผลิตจากไอโซโทรปิกหรือมีโซเฟส ซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการประมวลผลปิโตรเลียมหรือน้ำมันถ่านหิน เส้นใยพิตช์สามารถสร้างกราฟได้เพื่อให้ได้โมดูลัสยืดหยุ่นสูงเป็นพิเศษ (สูงถึง 900 GPa) และการนำความร้อนที่ยอดเยี่ยม (สูงถึง 1,000 W/m·K เทียบกับประมาณ 10 W/m·K สำหรับไฟเบอร์แบบ PAN) คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้ไฟเบอร์แบบพิทช์มีค่าในโครงสร้างดาวเทียม ส่วนประกอบการจัดการความร้อน และระบบออปติคัลที่มีความแม่นยำ ซึ่งความแข็งและความเสถียรของมิติที่อุณหภูมิมีความสำคัญมากกว่าความต้านทานแรงดึง

คาร์บอนไฟเบอร์กับไฟเบอร์กลาส

คาร์บอนไฟเบอร์และไฟเบอร์กลาส (โพลีเมอร์เสริมใยแก้วหรือ GFRP) เป็นวัสดุเสริมแรงคอมโพสิตที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย 2 ชนิด และมักถูกเปรียบเทียบกันบ่อยครั้งเนื่องจากเป็นวัสดุที่ทับซ้อนกันในราคาที่ต่างกันมาก

ไฟเบอร์กลาสมีโมดูลัสแรงดึงประมาณ เกรดเฉลี่ย 70–85 — ประมาณหนึ่งในสามของคาร์บอนไฟเบอร์มาตรฐาน มีความแข็งน้อยกว่าอย่างเห็นได้ชัด หมายความว่าส่วนประกอบ GFRP เบี่ยงเบนมากกว่าภายใต้โหลดที่เท่ากัน อย่างไรก็ตาม ไฟเบอร์กลาสมีความเครียดต่อความล้มเหลวสูงกว่า (ประมาณ 3–4%) และทนต่อแรงกระแทกได้ดีกว่า CFRP และมีค่าใช้จ่าย น้อยกว่า 5 ถึง 10 เท่า ต่อกิโลกรัมที่ระดับประสิทธิภาพที่เทียบเคียงได้สำหรับการใช้งานที่มีความต้องการน้อยกว่า

ไฟเบอร์กลาสยังไม่นำไฟฟ้าและโปร่งใสต่อเรดาร์และความถี่วิทยุ ซึ่งเป็นคุณสมบัติที่ทำให้ไฟเบอร์กลาสเป็นตัวเลือกที่ต้องการสำหรับเรโดม ตัวเรือ ใบพัดกังหันลม และอุปกรณ์กีฬาทางน้ำสำหรับผู้บริโภค ค่าการนำไฟฟ้าของคาร์บอนไฟเบอร์ไม่รวมอยู่ในการใช้งานที่ต้องการความโปร่งใสของ RF

การตัดสินใจระหว่างคาร์บอนไฟเบอร์กับไฟเบอร์กลาสมักจะขึ้นอยู่กับข้อกำหนดด้านน้ำหนักและความแข็งเมื่อเทียบกับงบประมาณ ในกรณีที่น้ำหนักขั้นต่ำและความแข็งสูงสุดเป็นสิ่งสำคัญ — เช่นเดียวกับในการแข่งขันมอเตอร์สปอร์ต โครงสร้างเครื่องบินประสิทธิภาพสูง และจักรยานแข่ง — คาร์บอนไฟเบอร์เป็นตัวเลือกที่ชัดเจน ในกรณีที่ต้นทุน ความทนทานต่อแรงกระแทก หรือความโปร่งใสของ RF มีความสำคัญมากกว่า ไฟเบอร์กลาสยังคงเป็นวัสดุหลัก

คาร์บอนไฟเบอร์และเหล็กกล้า

การเปรียบเทียบระหว่างคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์กับเหล็กมีความหมายมากที่สุดโดยพิจารณาจากความแข็งแกร่งเฉพาะ (ความแข็งแรงต่อหน่วยน้ำหนัก) และพื้นฐานความแข็งเฉพาะ จากมาตรการเหล่านี้ CFRP มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเหล็กโครงสร้างอย่างมาก: คาร์บอนไฟเบอร์มี ความต้านทานแรงดึงจำเพาะสูงกว่าเหล็กประมาณ 5 ถึง 10 เท่า และความแข็งจำเพาะสูงกว่า 3 ถึง 4 เท่า

กล่าวโดยสรุป เหล็กที่มีความแข็งแรงสูงสามารถรับแรงดึงได้สูงกว่า 2,000 MPa ซึ่งสามารถแข่งขันกับเกรดคาร์บอนไฟเบอร์บางเกรดได้ แต่มีความหนาแน่นสูงกว่าสี่เท่า สำหรับการใช้งานที่เน้นน้ำหนัก โดยทั่วไปการเปลี่ยนส่วนประกอบเหล็กด้วยการออกแบบ CFRP ที่เทียบเท่ากันมักจะทำได้ ลดน้ำหนักได้ 40–60% .

เหล็กยังคงรักษาข้อได้เปรียบที่สำคัญไว้ มีความเหนียว — เปลี่ยนรูปอย่างเห็นได้ชัดก่อนแตกหัก ให้คำเตือนและการดูดซับพลังงาน CFRP มีความเปราะและอาจล้มเหลวได้อย่างรุนแรงโดยไม่ทำให้พื้นผิวเสียรูปอย่างเห็นได้ชัด เหล็กยังมีราคาถูกกว่ามาก เชื่อมและซ่อมแซมได้ง่าย และเป็นที่เข้าใจกันดีในการปฏิบัติงานด้านวิศวกรรมโครงสร้าง สำหรับการใช้งานที่การดูดซับพลังงานกระแทก ความสามารถในการซ่อมแซม หรือต้นทุนเป็นตัวขับเคลื่อนการออกแบบหลัก เหล็กยังคงเป็นเรื่องยากที่จะแทนที่ ข้อดีของคาร์บอนไฟเบอร์เป็นข้อสรุปที่ชัดเจนที่สุดในการใช้งานที่น้ำหนักแปลโดยตรงไปยังประสิทธิภาพหรือต้นทุนการดำเนินงาน เช่น เครื่องบิน ดาวเทียม ยานพาหนะสมรรถนะสูง และอุปกรณ์กีฬาที่ใช้แข่งขัน

คาร์บอนไฟเบอร์ในการบินและอวกาศ

การบินและอวกาศเป็นอุตสาหกรรมที่การผสมผสานระหว่างอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนัก ความแข็ง ความต้านทานความเมื่อยล้า และเสถียรภาพทางความร้อนของคาร์บอนไฟเบอร์ทำให้เกิดค่าที่ชัดเจนที่สุด ทุกกิโลกรัมที่ถูกกำจัดออกจากโครงสร้างเครื่องบินแปลโดยตรงเป็นการประหยัดเชื้อเพลิง ความจุน้ำหนักบรรทุก หรือช่วง — เศรษฐศาสตร์นิยมใช้วัสดุระดับพรีเมียมในลักษณะที่การใช้งานภาคพื้นดินไม่ค่อยได้เกิดขึ้น

เครื่องบินโบอิ้ง 787 ดรีมไลเนอร์ เปิดตัวในปี พ.ศ. 2554 เป็นเครื่องบินพาณิชย์ลำแรกที่มีโครงสร้างหลักที่ประกอบด้วยส่วนประกอบส่วนใหญ่: ประมาณ 50% ของโครงเครื่องบินโดยน้ำหนักคือ CFRP รวมทั้งลำตัว ปีก และหาง เมื่อเปรียบเทียบกับการออกแบบที่เน้นอะลูมิเนียมทั่วไปแล้ว 787 มีประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงดีขึ้นประมาณ 20% Airbus A350 XWB ใช้การออกแบบที่โดดเด่นโดยใช้วัสดุคอมโพสิตที่คล้ายกัน โดย CFRP มีน้ำหนักประมาณ 53% ของน้ำหนักโครงสร้าง

ในการบินทหาร คาร์บอนไฟเบอร์เป็นมาตรฐานในโครงสร้างเครื่องบินรบนับตั้งแต่เอฟ-16 และเอฟ/เอ-18 ในช่วงทศวรรษปี 1970 และ 1980 เครื่องบินรบสมัยใหม่เช่น F-22 และ F-35 ใช้ CFRP สำหรับโครงสร้างเฟรมเครื่องบินส่วนใหญ่ การใช้งานในอวกาศใช้คาร์บอนไฟเบอร์สำหรับแผงโครงสร้างดาวเทียม พื้นผิวแผงโซลาร์เซลล์ และโครงมอเตอร์จรวด ซึ่งการผสมผสานระหว่างน้ำหนักต่ำ ความแข็งสูง และการขยายตัวทางความร้อนที่เกือบเป็นศูนย์นั้นไม่สามารถทดแทนได้

คาร์บอนไฟเบอร์ในยานยนต์

การนำคาร์บอนไฟเบอร์มาใช้ในยานยนต์เป็นไปตามแนวทางที่ชัดเจน ตั้งแต่การแข่งรถ Formula 1 ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 ไปจนถึงการผลิตซุปเปอร์คาร์ในทศวรรษ 1990 และ 2000 ไปสู่การใช้งานที่กว้างขึ้นในการผลิตปริมาณมากในปี 2010 และต่อๆ ไป

McLaren เปิดตัวแชสซีโมโนโคกคาร์บอนไฟเบอร์ตัวแรกใน Formula 1 ในปี 1981 การปรับปรุงประสิทธิภาพการชนเกิดขึ้นทันทีและสำคัญ — การผสมผสานระหว่างการดูดซับพลังงานสูงของอ่าง (ผ่านความล้มเหลวที่ควบคุมได้) และความแข็งแกร่งให้การปกป้องผู้ขับขี่ที่อะลูมิเนียมโมโนโคกไม่สามารถเทียบได้ ปัจจุบัน แชสซี แผงตัวถัง พื้น และปีกของ Formula 1 ทุกคันผลิตจาก CFRP

สำหรับรถยนต์ใช้บนท้องถนน รุ่น i3 และ i8 ของ BMW (เปิดตัวในปี 2556-2557) เป็นตัวแทนของรถยนต์ที่ผลิตจำนวนมากรุ่นแรกที่มีเซลล์ผู้โดยสารโพลีเมอร์เสริมคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งผลิตโดยใช้กระบวนการขึ้นรูปแบบเรซินถ่ายโอนปริมาณมาก CFRP Life Module ของ BMW i3 มีน้ำหนักประมาณ น้อยกว่าโครงสร้างเหล็กที่เทียบเท่ากัน 130 กก ซึ่งชดเชยส่วนสำคัญของการปรับน้ำหนักแบตเตอรี่

ต้นทุนยังคงเป็นอุปสรรคหลักในการนำยานยนต์มาใช้ในวงกว้าง วัตถุดิบคาร์บอนไฟเบอร์มีราคาประมาณ 20-30 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลกรัม (สำหรับเกรดมาตรฐาน) ในขณะที่เหล็กเกรดยานยนต์มีราคาต่ำกว่า 1 เหรียญสหรัฐฯ ต่อกิโลกรัม รอบเวลาสำหรับส่วนประกอบ CFRP ที่ผ่านการอบด้วยหม้อนึ่งความดัน — ชั่วโมงต่อชิ้นส่วน — ไม่สามารถใช้ได้กับการผลิตในปริมาณมากโดยไม่ต้องลงทุนกระบวนการจำนวนมาก การอัดขึ้นรูปของคาร์บอนไฟเบอร์ที่สับและกระบวนการที่ไม่อยู่ในหม้อนึ่งความดันจะช่วยลดอุปสรรคเหล่านี้ และปริมาณคาร์บอนไฟเบอร์ในรถยนต์สมรรถนะระดับกลางก็เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

คาร์บอนไฟเบอร์ในอุปกรณ์กีฬา

อุปกรณ์กีฬาเป็นหนึ่งในตลาดเชิงพาณิชย์ที่เก่าแก่ที่สุดสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์นอกอวกาศ โดยได้รับแรงหนุนจากนักกีฬาและผู้ผลิตที่ยินดีจ่ายเบี้ยประกันภัยเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน ผู้ใช้สัมผัสได้ถึงข้อได้เปรียบด้านความแข็งต่อน้ำหนักของวัสดุโดยตรงในลักษณะที่ยากต่อการใช้วัสดุทางเลือกใดๆ

ในการแข่งขันปั่นจักรยาน เฟรมคาร์บอนไฟเบอร์ครองกลุ่มนักปั่นจักรยานมืออาชีพมาตั้งแต่ปี 1990 ตอนนี้เฟรมการแข่งขันบนถนนระดับบนสุดมีน้ำหนักน้อยกว่า 700กรัม — เทียบกับ 1.2–1.5 กก. สำหรับอะลูมิเนียมที่เทียบเท่า — ในขณะที่ให้ความแข็งแกร่งที่เหนือกว่าสำหรับการถ่ายโอนกำลังและการปฏิบัติตามที่ปรับได้ในทิศทางเฉพาะเพื่อความสบายของผู้ขับขี่ ล้อ แฮนด์จักรยาน หลักอาน และข้อเหวี่ยงคาร์บอนไฟเบอร์ ช่วยลดน้ำหนักได้มากขึ้น

ในวงการเทนนิส เฟรมแร็กเก็ตคาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งสูงกว่าสำหรับการส่งกำลังโดยมีน้ำหนักน้อยกว่าอะลูมิเนียมหรือคอมโพสิต ก้านกอล์ฟที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ให้รูปแบบการโค้งงอที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น และการลดแรงสั่นสะเทือนได้ดีกว่าก้านเหล็ก ในขณะที่ลดน้ำหนักของไดรเวอร์ ในการพายเรือ ไม้พายและเปลือกคาร์บอนไฟเบอร์ได้เข้ามาแทนที่อุปกรณ์ไม้และไฟเบอร์กลาสในระดับหัวกะทิ

คาร์บอนไฟเบอร์ยังเป็นศูนย์กลางของอวัยวะเทียมและอุปกรณ์กีฬาที่ปรับเปลี่ยนได้ ใบมีดวิ่ง Össur Cheetah ซึ่งเป็นอุปกรณ์เทียมคาร์บอนไฟเบอร์ที่นักวิ่งพาราลิมปิกใช้ ใช้แหล่งกักเก็บพลังงานแบบยืดหยุ่นของวัสดุเพื่อจำลองการทำงานของเอ็นร้อยหวาย ทำให้มีความเร็วการวิ่งเทียบเท่ากับนักกีฬาที่มีร่างกายสมบูรณ์แข็งแรง ใบมีดจะเก็บพลังงานระหว่างการตีเท้าและปล่อยพลังงานออกมาระหว่างการออกจากเท้า ซึ่งเป็นฟังก์ชันที่ต้องการการผสมผสานที่แม่นยำระหว่างความแข็ง การงอ และความแข็งแกร่งที่คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์มอบให้โดยเฉพาะ