คาร์บอนไฟเบอร์ที่มีโพลีอะคริโลไนไตรล์ (กระทะ) เป็นวัสดุประสิทธิภาพสูงที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาการบินและอวกาศ การก่อสร้าง กีฬา ยานยนต์ และการแพทย์ บทความนี้จะทบทวนประวัติการพัฒนาและสถานะปัจจุบันของคาร์บอนไฟเบอร์ที่มี กระทะ ในประเทศและต่างประเทศ การเตรียม โครงสร้าง คุณสมบัติ และการใช้งาน นอกจากนี้ยังกล่าวถึงมาตรฐานที่เกี่ยวข้องและวิธีการทดสอบ รวมถึงเสนอแนวโน้มในอนาคต

รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์แบบ กระทะ

คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุขั้นสูงที่รู้จักกันดีในด้านคุณสมบัติเชิงกลที่เหนือกว่า โดยผสมผสานคุณลักษณะโดยธรรมชาติของคาร์บอนเข้ากับความยืดหยุ่นและความสามารถในการแปรรูปของเส้นใยสิ่งทอ ทำให้เป็นเส้นใยเสริมแรงที่จำเป็น ด้วยความถ่วงจำเพาะน้อยกว่าหนึ่งในสี่ของเหล็กและความต้านทานแรงดึงโดยทั่วไปเกิน 3,500 MPa คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จึงมีความแข็งแรงมากกว่าเหล็ก 7-9 เท่า และโมดูลัสยืดหยุ่นตั้งแต่ 23,000 MPa ถึง 43,000 MPa คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุที่มีศักยภาพในการใช้งานทางวิศวกรรม

เส้นใยคาร์บอนที่มีพื้นฐานจาก กระทะ ซึ่งได้มาจากพอลิอะคริโลไนไตรล์ แอสฟัลต์ หรือวิสโคส ผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น พรีออกซิเดชัน คาร์บอไนเซชัน และกราไฟเซชัน ส่งผลให้เส้นใยมีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 90% เส้นใยเหล่านี้มีความแข็งแรงสูง โมดูลัสสูง ความหนาแน่นต่ำ ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน ทนต่อแรงเสียดทาน การนำไฟฟ้า และการขยายตัวทางความร้อนต่ำ ท่ามกลางคุณสมบัติอื่นๆ คาร์บอนไฟเบอร์แบบ กระทะ เป็นเส้นใยที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุด โดยคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 90% ของการผลิต เนื่องจากมีกระบวนการผลิตที่เรียบง่ายและประสิทธิภาพที่ครอบคลุมเป็นเลิศ

1. สถานะการพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์แบบ กระทะ

1.1 การพัฒนาระหว่างประเทศ

การพัฒนาคาร์บอนไฟเบอร์แบบ กระทะ เริ่มต้นขึ้นในปี 1959 เมื่อบริษัท อากิโอะ ชินโด ของญี่ปุ่นได้จดสิทธิบัตรกระบวนการผลิตเส้นใยคาร์บอนประสิทธิภาพสูงจากโพลีอะคริโลไนไตรล์ ปัจจุบัน การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์แบบ กระทะ ถูกครอบงำโดยเส้นใยลากขนาดใหญ่จากสหรัฐอเมริกาและเส้นใยลากจูงขนาดเล็กจากญี่ปุ่น ซึ่งคิดเป็นประมาณ 80% ของอุปทานทั่วโลก ผู้ผลิตรายใหญ่เช่น โทเร, โทโฮ และ มิตซูบิชิ ในญี่ปุ่นเป็นผู้นำตลาด โดย โทเร เป็นผู้ผลิตคาร์บอนไฟเบอร์จาก กระทะ รายใหญ่ที่สุดในโลก

1.2 การพัฒนาภายในประเทศ

จีนเริ่มค้นคว้าวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ในทศวรรษ 1960 โดยมีความก้าวหน้าอย่างช้าๆ แต่มั่นคง แม้จะพัฒนาผลิตภัณฑ์ให้ใกล้เคียงกับระดับ T-300 ของ โทเร แต่กำลังการผลิตในประเทศยังคงมีจำกัด ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา บริษัทอย่าง มณฑลอานฮุย หัววัน คาร์บอน ไฟเบอร์ ได้เริ่มการผลิตเชิงอุตสาหกรรม แต่ความต้องการคาร์บอนไฟเบอร์ของจีนส่วนใหญ่ได้มาจากการนำเข้า ซึ่งเป็นการจำกัดอุตสาหกรรมที่เกี่ยวข้องอย่างมาก

2. การเตรียม โครงสร้าง และประสิทธิภาพของคาร์บอนไฟเบอร์แบบ กระทะ

2.1 ขั้นตอนการเตรียมการ

เส้นใยคาร์บอนที่มีพื้นฐานจาก กระทะ ผลิตจากเส้นใยโพลีอะคริโลไนไตรล์ ไม่ว่าจะเป็นโฮโมโพลีเมอร์หรือโคโพลีเมอร์ โดยผ่านกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการเกิดพอลิเมอไรเซชัน การปั่นด้าย ก่อนออกซิเดชัน คาร์บอไนเซชัน และกราฟิตเซชัน การผลิตเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนเรซินโพลีอะคริโลไนไตรล์ให้เป็นเส้นใย ซึ่งได้รับการบำบัดเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและความเสถียร

2.2 โครงสร้าง

เส้นใยคาร์บอนมีลักษณะเป็น"ไม่เป็นระเบียบ"โครงสร้างของไมโครคริสตัลกราไฟท์แบบเรียงซ้อนตามแนวแกนไฟเบอร์ ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน ระยะห่างระหว่างชั้นและการมีช่องว่างส่งผลต่อคุณสมบัติของเส้นใย

2.3 ลักษณะการปฏิบัติงาน

เส้นใยคาร์บอนมีคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น ความต้านทานแรงดึงสูง โมดูลัสสูง ความหนาแน่นต่ำ ทนต่ออุณหภูมิสูง และทนต่อการกัดกร่อน นอกจากนี้ยังมีความต้านทานต่อความล้าที่ดีเยี่ยม การขยายตัวทางความร้อนต่ำ การนำไฟฟ้าที่ดี และความเข้ากันได้ทางชีวภาพ

3. การใช้คาร์บอนไฟเบอร์แบบ กระทะ

3.1 การบินและอวกาศ

เนื่องจากอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักและความแข็งแกร่งสูง วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ที่มี กระทะ จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการใช้งานด้านการบินและอวกาศ รวมถึงขีปนาวุธ จรวด ดาวเทียม และเครื่องบิน

3.2 อุปกรณ์กีฬาและการแพทย์

คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาใช้อย่างกว้างขวางในอุปกรณ์กีฬา เช่น ไม้กอล์ฟ ไม้เทนนิส และจักรยาน รวมถึงในการปลูกถ่ายและอุปกรณ์ทางการแพทย์

3.3 อุตสาหกรรมทั่วไป

ในอุตสาหกรรมยานยนต์ คาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาใช้ในโครงรถ ลูกสูบ และระบบเบรก นอกจากนี้ยังมีบทบาทในด้านพลังงานลม อิเล็กทรอนิกส์ และโครงสร้างพื้นฐาน ซึ่งช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งและความทนทานของส่วนประกอบต่างๆ

4. มาตรฐานคาร์บอนไฟเบอร์แบบ กระทะ

ประเทศจีนได้กำหนดมาตรฐานหลายประการสำหรับประสิทธิภาพของคาร์บอนไฟเบอร์และการประยุกต์ในวัสดุคอมโพสิต เช่น:

• กิกะไบต์/T 3362-2005: สมบัติแรงดึงของเส้นด้ายหลายเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์

• กิกะไบต์ 3362-1982: วิธีทดสอบจำนวนเส้นใยในเส้นด้ายหลายเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์

• กิกะไบต์ 3364-1982: วิธีทดสอบเส้นผ่านศูนย์กลางและเส้นผ่านศูนย์กลางเทียบเท่า

• กิกะไบต์/T 3355-2005: การทดสอบปริมาณเรซินในพลาสติกเสริมคาร์บอนไฟเบอร์

มาตรฐานเหล่านี้รับประกันคุณภาพและความสม่ำเสมอของผลิตภัณฑ์คาร์บอนไฟเบอร์ อำนวยความสะดวกในการนำไปใช้และการใช้งานในวงกว้าง

5. แนวโน้มในอนาคต

อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานวัสดุสมัยใหม่ โดยเปลี่ยนจากยุคเหล็กไปสู่ยุคใหม่ของวัสดุคอมโพสิต บทบาทของคาร์บอนไฟเบอร์ในเทคโนโลยีขั้นสูงและการใช้งานทางอุตสาหกรรมจะยังคงเติบโตต่อไป โดยได้แรงหนุนจากการวิจัยและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ จีนจะต้องมุ่งเน้นไปที่การเอาชนะความท้าทายทางเทคนิคและปรับปรุงกระบวนการผลิตเพื่อลดการพึ่งพาการนำเข้าและเพิ่มขีดความสามารถภายในประเทศ