บทความนี้เผยแพร่ครั้งแรกที่บทสนทนาสิ่งพิมพ์มีส่วนร่วมในบทความเกี่ยวกับ Live Science'sเสียงผู้เชี่ยวชาญ: Op-Ed & Insights
ศูนย์วิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ที่ทันสมัยคาร์บอน Nexusเปิดอย่างเป็นทางการที่ Deakin University ใน Geelong เมื่อสัปดาห์ที่แล้ว มันเป็นที่ตั้งของห้องปฏิบัติการ, สายคาร์บอนไฟเบอร์ในระดับนักบินและสายวิจัยขนาดเล็กขนาดเล็ก
แต่มันเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์ที่ได้รับนักวิจัย - และนักลงทุน - ตื่นเต้นมาก?
เส้นใยคาร์บอนสามารถทำจากวัสดุเริ่มต้นจำนวนมากรวมถึงน้ำมันดิน“ พิทช์” (ผลิตภัณฑ์ด้านข้างของการกลั่นปิโตรเลียม) และเรยอน แต่เส้นใยคาร์บอนเชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ทำจากพอลิเมอร์ที่เรียกว่า polyacrylonitrile หรือกระทะ-
แพนเริ่มต้นชีวิตเป็นผงของการสร้างพอลิเมอร์ (อะคริโลนิทริล) ซึ่งจะผสมกับตัวเร่งปฏิกิริยาในการแก้ปัญหา ในช่วงเวลาสั้น ๆ หน่วยการสร้างเริ่มเข้าร่วมเพื่อสร้างโซ่ยาวของพอลิเมอร์สีขาว สิ่งเหล่านี้จะถูกรวบรวมโดยระบบลูกกลิ้งซึ่งนำไปสู่เส้นใยผ่านสายการผลิต
เส้นใยผ่านขั้นตอนการซัก, ยืด, ผ่อนคลายและขั้นตอนการอบแห้งทั้งหมดในขณะที่ทำมัดยาวต่อเนื่อง ผลที่ได้คือสปูลของเส้นใยกระทะสีขาวละเอียดอย่างไม่น่าเชื่อระหว่างความยาว 1,500 ม. ถึง 3,000 เมตร
จากนั้นไฟเบอร์กระทะนี้จะถูกแปลงเป็นคาร์บอนไฟเบอร์โดยการให้แมงมุมผ่านเตาอบที่แตกต่างกันสามแบบ การรักษาอุณหภูมิสูงมีบทบาทพิเศษมากในการเล่นเคมีของเส้นใย
PAN มีส่วนผสมของคาร์บอน, ไนโตรเจน, ออกซิเจนและอะตอมไฮโดรเจนซึ่งส่งผลให้เส้นใยที่ยืดหยุ่นและยืดได้ แต่เพื่อให้ได้คุณสมบัติความแข็งแรงสูงของเส้นใยคาร์บอนสุดท้ายทั้งหมดที่ไม่ใช่คาร์บอนทั้งหมดจะต้องถูกลบออก
ในขณะที่สปูลไม่คลี่คลายและเส้นใย PAN จะผ่านเตาอบด้วยความดันและอุณหภูมิที่ควบคุมอย่างเข้มงวดพลังงานความร้อนจะทำให้อะตอมของคาร์บอนในเส้นใยเชื่อมโยงเข้าด้วยกันและอะตอมอื่น ๆ ทั้งหมดระเหยเป็นก๊าซ มันเป็นโซ่ยาวของอะตอมคาร์บอนที่เข้าร่วมซึ่งทำให้เส้นใยคาร์บอนมีคุณสมบัติด้านความแข็งแรงอย่างไม่น่าเชื่อ
ขั้นตอนสุดท้ายในกระบวนการ (ออกซิเดชันและ“ การปรับขนาด” ซึ่งเกี่ยวข้องกับการวาดภาพบนเรซิ่นบาง ๆ ) มีจุดประสงค์สองประการในการปรับปรุงวิธีการที่เส้นใยทำงานในคอมโพสิตและช่วยให้พวกเขาอยู่ด้วยกัน
ความแข็งแรงในเส้นใย
คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ซึ่งเป็นเส้นใยคาร์บอนที่ทอในเรซินพอลิเมอร์แข็งจะถูกนำมาใช้มากขึ้นในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย
ในการบินและอวกาศยานยนต์น้ำมันและก๊าซพวกเขากำลังเปลี่ยนวัสดุแบบดั้งเดิมเช่นเหล็กและอลูมิเนียม
เหตุผลที่คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์กำลังกลายเป็นแนวหน้าของเทคโนโลยีวัสดุใหม่คือความแข็งแรงที่ไม่มีใครเทียบต่ออัตราส่วนน้ำหนักทำให้มันแข็งแรงเท่ากับเหล็กในขณะที่น้ำหนักเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ด้วยการเปลี่ยนประเภทของพอลิเมอร์เมทริกซ์และชั้นของคาร์บอนพวกเขาสามารถทำได้ดีกว่าเหล็กหรืออลูมิเนียมในความทนทาน
วัสดุที่ทนทานแข็งแรงและมีน้ำหนักเบานี้ได้มีส่วนร่วมอย่างมากต่ออุปกรณ์กีฬาเช่นจักรยานและกอล์ฟคลับ
ข้างคาร์บอนเน็กซัสที่วิทยาเขต Waurn Ponds คือการปฏิวัติคาร์บอนซึ่งผลิตล้อประสิทธิภาพสูงเป็นครั้งแรกของโลกสำหรับรถยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์แบบขึ้นรูปชิ้นเดียว
(โรงงานผลิตใหม่ได้นำไปสู่การลงทุนจาก $ 23.8 ล้านและสร้างงาน 150 ตำแหน่งในการร่วมมือกับธุรกิจในประเทศและต่างประเทศ)
เนื่องจากคาร์บอนไฟเบอร์ถูกทอเป็นเสื่อที่ยืดหยุ่นก่อนที่มันจะถูกปกคลุมด้วยชั้นเรซินแข็งจึงง่ายมากที่จะปั้นเป็นรูปร่างที่ซับซ้อน การปฏิวัติคาร์บอนใช้เทคนิคพิเศษในการปั้นคาร์บอนไฟเบอร์เป็นล้อที่เป็นของแข็งซึ่งจะถูกปกคลุมด้วยเรซิ่นและรักษาให้หายขาดเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย
นอกจากนี้ยังมีผลกระทบอย่างมากในแง่ของประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์คิดเป็น 50% ของBoeing's 787 Dreamlinerช่วยให้การปรับปรุงการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง 20% และลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก
ความต้องการคาร์บอนไฟเบอร์ทั่วโลกคาดว่าจะเพิ่มขึ้นในอัตรารายปี 13-17% และตลาดสำหรับคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์คือที่คาดการณ์เพื่อเพิ่มขึ้นจาก 14 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2555 เป็น 36 พันล้านเหรียญสหรัฐในปี 2563
คาร์บอนไฟเบอร์มีแอพพลิเคชั่นอื่น ๆ อีกมากมายซึ่งอาจชัดเจนน้อยกว่า แถบคาร์บอนไฟเบอร์ยังถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักของสะพาน West Gateในเมลเบิร์น
คุณค่าและศักยภาพของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในเทคโนโลยีในอนาคตได้จุดประกายความสนใจทั่วโลกในการวิจัยคาร์บอนไฟเบอร์ การวิจัยใหม่ที่ดำเนินการมุ่งเน้นไปที่เส้นใยราคาต่ำเส้นใยประสิทธิภาพสูงการรักษาพื้นผิวและการผลิตคอมโพสิตขั้นสูงเพื่อสร้างวัสดุรุ่นต่อไป
มีโอกาสมหาศาลสำหรับออสเตรเลียที่จะเข้าร่วมในภาคที่เติบโตอย่างรวดเร็วนี้และ บริษัท ออสเตรเลียหลายแห่งที่ประสบความสำเร็จในการทำเช่นนี้ ได้แก่ เทคโนโลยี QuickStep, Morand, Composites CST และการปฏิวัติคาร์บอน
Linden Servinis ได้รับเงินทุนจากศูนย์วิจัยและนวัตกรรมของ Australian Future Fibers
บทความนี้ได้รับการตีพิมพ์ครั้งแรกเมื่อบทสนทนา- อ่านบทความต้นฉบับ- ติดตามปัญหาเสียงและการอภิปรายทั้งหมดของผู้เชี่ยวชาญ - และกลายเป็นส่วนหนึ่งของการสนทนา - บนFacebook-TwitterและGoogle +- มุมมองที่แสดงเป็นของผู้เขียนและไม่จำเป็นต้องสะท้อนมุมมองของผู้จัดพิมพ์ บทความฉบับนี้ได้รับการเผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวิทยาศาสตร์การใช้ชีวิต
