คาร์บอนไฟเบอร์ เป็นวัสดุเส้นใยที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 95% มีคุณสมบัติทางกล เคมี ไฟฟ้า และคุณสมบัติอื่นๆ ที่ยอดเยี่ยม ถือเป็น “ราชาแห่งวัสดุใหม่” และเป็นวัสดุเชิงยุทธศาสตร์ที่ขาดหายไปในการพัฒนาทางการทหารและพลเรือน เรียกกันว่า “ทองคำดำ”
สายการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มีดังนี้:
คาร์บอนไฟเบอร์แบบเพรียวบางทำอย่างไร?
เทคโนโลยีกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการพัฒนามาจนถึงทุกวันนี้และได้เติบโตเต็มที่ ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ทำให้ได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ ในทุกสาขาอาชีพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเติบโตอย่างแข็งแกร่งของการบิน รถยนต์ รถไฟ ใบพัดพลังงานลม เป็นต้น และผลกระทบที่ผลักดันให้เกิดการพัฒนาอุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์ โอกาสยังกว้างไกลยิ่งขึ้น
ห่วงโซ่อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแบ่งออกได้เป็นอุตสาหกรรมต้นน้ำและอุตสาหกรรมปลายน้ำ อุตสาหกรรมต้นน้ำมักหมายถึงการผลิตวัสดุเฉพาะสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์ อุตสาหกรรมปลายน้ำมักหมายถึงการผลิตส่วนประกอบการใช้งานคาร์บอนไฟเบอร์ บริษัทที่อยู่ระหว่างอุตสาหกรรมต้นน้ำและอุตสาหกรรมปลายน้ำสามารถนึกถึงอุตสาหกรรมเหล่านี้ในฐานะผู้จัดหาอุปกรณ์ในกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ ดังที่แสดงในรูปภาพ:
กระบวนการทั้งหมดตั้งแต่ไหมดิบไปจนถึงเส้นใยคาร์บอนซึ่งอยู่ต้นน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรมเส้นใยคาร์บอนต้องผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น เตาออกซิเดชัน เตาคาร์บอไนเซชัน เตากราไฟต์ การปรับพื้นผิว และการกำหนดขนาด โครงสร้างเส้นใยนั้นถูกครอบงำด้วยเส้นใยคาร์บอน
อุตสาหกรรมเส้นใยคาร์บอนซึ่งเป็นส่วนต้นน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรมนั้นเป็นของอุตสาหกรรมปิโตรเคมี โดยอะคริโลไนไตรล์ได้มาจากการกลั่นน้ำมันดิบ การแตกร้าว การเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนีย เป็นต้น เส้นใยโพลีอะคริโลไนไตรล์ซึ่งเป็นสารตั้งต้น เส้นใยคาร์บอนได้มาจากการพรีออกซิไดซ์และทำให้เส้นใยคาร์บอนกลายเป็นสารตั้งต้น และวัสดุคอมโพสิตเส้นใยคาร์บอนได้มาจากการแปรรูปเส้นใยคาร์บอนและเรซินคุณภาพสูง เพื่อตอบสนองความต้องการในการใช้งาน
กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ประกอบด้วยการวาด การร่าง การทำให้เสถียร การทำให้เป็นคาร์บอน และการทำให้เป็นกราไฟต์ ดังแสดงในรูปภาพ:
การวาดภาพ:นี่เป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ โดยจะแยกวัตถุดิบออกเป็นเส้นใย ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ ในระหว่างกระบวนการนี้ การถ่ายเทมวลและการถ่ายเทความร้อนระหว่างของเหลวที่ปั่นและของเหลวที่ตกตะกอน และสุดท้ายคือการตกตะกอนของ PAN เส้นใยจะสร้างโครงสร้างเจล
การร่าง:ต้องใช้ความร้อน 100 ถึง 300 องศาจึงจะทำงานร่วมกับเอฟเฟกต์การยืดของเส้นใยที่มีทิศทางได้ นอกจากนี้ยังเป็นขั้นตอนสำคัญในการเสริมแรงสูง เพิ่มความหนาแน่น และปรับแต่งเส้นใย PAN
ความเสถียร:โซ่โมเลกุลขนาดใหญ่เชิงเส้นเทอร์โมพลาสติก PAN ถูกแปลงเป็นโครงสร้างสี่เหลี่ยมคางหมูทนความร้อนที่ไม่เป็นพลาสติกโดยวิธีการให้ความร้อนและออกซิเดชันที่อุณหภูมิ 400 องศา ทำให้ไม่ละลายและไม่ติดไฟที่อุณหภูมิสูง โดยยังคงรูปร่างของเส้นใยไว้ และเทอร์โมไดนามิกส์อยู่ในสถานะเสถียร
การคาร์บอไนเซชัน:จำเป็นต้องขับไล่องค์ประกอบที่ไม่มีคาร์บอนใน PAN ที่อุณหภูมิ 1,000 ถึง 2,000 องศา และในที่สุดสร้างเส้นใยคาร์บอนที่มีโครงสร้างกราไฟท์เทอร์โบสตราติกที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 90%
การสร้างกราไฟต์: ต้องใช้ความร้อน 2,000 ถึง 3,000 องศาเพื่อแปลงวัสดุคาร์บอนไนซ์แบบอะมอร์ฟัสและแบบเทอร์โบสตราติกให้เป็นโครงสร้างกราไฟต์สามมิติ ซึ่งถือเป็นมาตรการทางเทคนิคหลักในการปรับปรุงโมดูลัสของเส้นใยคาร์บอน
กระบวนการโดยละเอียดของเส้นใยคาร์บอนจากกระบวนการผลิตไหมดิบไปจนถึงผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปคือไหมดิบ PAN ผลิตโดยกระบวนการผลิตไหมดิบก่อนหน้า หลังจากวาดล่วงหน้าด้วยความร้อนเปียกของตัวป้อนลวดแล้วจะถูกถ่ายโอนไปยังเตาเผาออกซิเดชันล่วงหน้าโดยเครื่องวาดตามลำดับ หลังจากถูกอบที่อุณหภูมิไล่ระดับที่แตกต่างกันในกลุ่มเตาเผาออกซิเดชันล่วงหน้า เส้นใยออกซิไดซ์จะถูกสร้างขึ้น นั่นคือ เส้นใยออกซิไดซ์ล่วงหน้า เส้นใยออกซิไดซ์ล่วงหน้าจะถูกสร้างขึ้นเป็นเส้นใยคาร์บอนหลังจากผ่านเตาเผาคาร์บอนไนเซชันอุณหภูมิปานกลางและอุณหภูมิสูง จากนั้นเส้นใยคาร์บอนจะถูกทำให้ผ่านกระบวนการบำบัดพื้นผิวขั้นสุดท้าย การปรับขนาด การอบแห้ง และกระบวนการอื่น ๆ เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์เส้นใยคาร์บอน กระบวนการทั้งหมดของการป้อนลวดอย่างต่อเนื่องและการควบคุมที่แม่นยำ ปัญหาเล็กน้อยในกระบวนการใด ๆ จะส่งผลต่อการผลิตที่เสถียรและคุณภาพของผลิตภัณฑ์เส้นใยคาร์บอนขั้นสุดท้าย การผลิตเส้นใยคาร์บอนมีขั้นตอนกระบวนการที่ยาวนาน จุดสำคัญทางเทคนิคมากมาย และอุปสรรคในการผลิตที่สูง เป็นการบูรณาการของหลายสาขาวิชาและเทคโนโลยี
ข้างต้นคือการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ มาดูกันว่าผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ใช้ยังไง!
การแปรรูปผลิตภัณฑ์ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์
1. การตัด
นำพรีเพร็กออกจากห้องเก็บความเย็นที่อุณหภูมิ -18 องศา หลังจากตื่นนอน ขั้นตอนแรกคือการตัดวัสดุอย่างแม่นยำตามไดอะแกรมวัสดุบนเครื่องตัดอัตโนมัติ
2. การปูพื้น
ขั้นตอนที่สองคือการวางพรีเพร็กบนเครื่องมือวาง และวางชั้นต่างๆ ตามข้อกำหนดการออกแบบ กระบวนการทั้งหมดดำเนินการภายใต้การวางตำแหน่งด้วยเลเซอร์
3. การก่อตัว
พรีฟอร์มจะถูกส่งไปยังเครื่องขึ้นรูปเพื่อขึ้นรูปด้วยการอัดโดยหุ่นยนต์จัดการอัตโนมัติ
4. การตัด
หลังจากการขึ้นรูป ชิ้นงานจะถูกส่งไปยังเวิร์กสเตชันหุ่นยนต์ตัดเพื่อดำเนินการตัดและลบคมในขั้นตอนที่สี่เพื่อให้แน่ใจว่าชิ้นงานมีมิติที่แม่นยำ กระบวนการนี้สามารถดำเนินการบน CNC ได้เช่นกัน
5. การทำความสะอาด
ขั้นตอนที่ห้าคือการทำความสะอาดด้วยน้ำแข็งแห้งที่สถานีทำความสะอาดเพื่อเอาสารปลดปล่อยออก ซึ่งสะดวกสำหรับกระบวนการเคลือบกาวในขั้นตอนต่อไป
6.กาว
ขั้นตอนที่ 6 คือการทากาวโครงสร้างที่สถานีหุ่นยนต์ติดกาว โดยตำแหน่งการติดกาว ความเร็วในการติดกาว และปริมาณกาวที่ออกมาจะถูกปรับให้เหมาะสมอย่างแม่นยำ ส่วนหนึ่งของการเชื่อมต่อกับชิ้นส่วนโลหะจะถูกหมุดย้ำ ซึ่งดำเนินการที่สถานีหมุดย้ำ
7. การตรวจสอบการประกอบ
หลังจากทากาวแล้ว แผงด้านในและด้านนอกจะถูกประกอบเข้าด้วยกัน หลังจากกาวแห้งแล้ว จะมีการตรวจจับแสงสีน้ำเงินเพื่อให้แน่ใจว่ารูกุญแจ จุด เส้น และพื้นผิวมีความแม่นยำในมิติ
คาร์บอนไฟเบอร์มีการประมวลผลยากกว่า
คาร์บอนไฟเบอร์มีทั้งความแข็งแรงในการดึงที่แข็งแกร่งของวัสดุคาร์บอนและความสามารถในการแปรรูปที่อ่อนนุ่มของเส้นใย คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยม ตัวอย่างเช่น คาร์บอนไฟเบอร์และเหล็กกล้าทั่วไปของเรา ความแข็งแรงของคาร์บอนไฟเบอร์อยู่ที่ประมาณ 400 ถึง 800 MPa ในขณะที่ความแข็งแรงของเหล็กทั่วไปอยู่ที่ 200 ถึง 500 MPa เมื่อพิจารณาถึงความเหนียว คาร์บอนไฟเบอร์และเหล็กกล้านั้นมีความคล้ายคลึงกันโดยพื้นฐาน และไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจน
คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงและน้ำหนักเบากว่า จึงเรียกได้ว่าคาร์บอนไฟเบอร์เป็นราชาแห่งวัสดุใหม่ เนื่องด้วยข้อได้เปรียบนี้ ในระหว่างการประมวลผลคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เมทริกซ์และเส้นใยจะมีปฏิสัมพันธ์ภายในที่ซับซ้อน ทำให้คุณสมบัติทางกายภาพของพวกมันแตกต่างจากโลหะ ความหนาแน่นของ CFRP น้อยกว่าโลหะมาก ในขณะที่ความแข็งแรงนั้นมากกว่าโลหะส่วนใหญ่ เนื่องจาก CFRP ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน จึงมักเกิดการดึงเส้นใยออกหรือเส้นใยเมทริกซ์หลุดออกในระหว่างการประมวลผล CFRP มีความทนทานต่อความร้อนสูงและทนต่อการสึกหรอ ซึ่งทำให้มีความต้องการมากขึ้นสำหรับอุปกรณ์ระหว่างการประมวลผล ดังนั้น ความร้อนในการตัดจำนวนมากจึงเกิดขึ้นในกระบวนการผลิต ซึ่งร้ายแรงต่อการสึกหรอของอุปกรณ์
ในเวลาเดียวกัน ด้วยการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของสาขาการประยุกต์ใช้งาน ข้อกำหนดต่างๆ ก็ละเอียดอ่อนมากขึ้นเรื่อยๆ และข้อกำหนดสำหรับความสามารถในการนำวัสดุไปใช้งาน รวมถึงข้อกำหนดด้านคุณภาพของ CFRP ก็เข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งทำให้ต้นทุนการประมวลผลเพิ่มขึ้นด้วย
การแปรรูปแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์
หลังจากที่แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการบ่มและขึ้นรูปแล้ว จะต้องมีการประมวลผลภายหลัง เช่น การตัดและการเจาะ สำหรับความต้องการความแม่นยำหรือความต้องการการประกอบ ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน เช่น พารามิเตอร์ของกระบวนการตัดและความลึกของการตัด การเลือกเครื่องมือและดอกสว่านที่มีวัสดุ ขนาด และรูปร่างที่แตกต่างกันจะมีผลกระทบที่แตกต่างกันมาก ในเวลาเดียวกัน ปัจจัยต่างๆ เช่น ความแข็งแรง ทิศทาง เวลา และอุณหภูมิของเครื่องมือและดอกสว่านยังส่งผลต่อผลลัพธ์การประมวลผลอีกด้วย
ในขั้นตอนหลังการประมวลผล พยายามเลือกเครื่องมือที่มีความคมพร้อมการเคลือบเพชรและดอกสว่านคาร์ไบด์แข็ง ความทนทานต่อการสึกหรอของเครื่องมือและดอกสว่านเองจะกำหนดคุณภาพของการประมวลผลและอายุการใช้งานของเครื่องมือ หากเครื่องมือและดอกสว่านไม่คมพอหรือใช้ไม่ถูกวิธี จะไม่เพียงแต่ทำให้การสึกหรอเพิ่มขึ้น เพิ่มต้นทุนการประมวลผลของผลิตภัณฑ์เท่านั้น แต่ยังทำให้แผ่นเสียหาย ส่งผลต่อรูปร่างและขนาดของแผ่น และความเสถียรของขนาดของรูและร่องบนแผ่น ทำให้วัสดุฉีกขาดเป็นชั้นๆ หรือแม้แต่การยุบตัวของบล็อก ส่งผลให้แผ่นทั้งหมดถูกขูด
ขณะทำการเจาะแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ยิ่งความเร็วสูง ผลลัพธ์ก็จะยิ่งดี ในการเลือกดอกสว่าน การออกแบบปลายดอกสว่านที่เป็นเอกลักษณ์ของดอกสว่านขอบหน้า PCD8 เหมาะกับแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มากกว่า ซึ่งสามารถเจาะแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้ดีขึ้นและลดความเสี่ยงของการแยกชั้น
เมื่อตัดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์หนา ขอแนะนำให้ใช้เครื่องกัดแบบอัดสองคมที่มีการออกแบบขอบเกลียวซ้ายและขวา ขอบตัดที่คมนี้มีทั้งปลายเกลียวบนและล่างเพื่อสร้างสมดุลให้กับแรงตามแนวแกนของเครื่องมือขึ้นและลงระหว่างการตัด เพื่อให้แน่ใจว่าแรงตัดที่เกิดขึ้นจะมุ่งไปที่ด้านในของวัสดุ เพื่อให้ได้เงื่อนไขการตัดที่เสถียรและป้องกันการเกิดการแยกตัวของวัสดุ การออกแบบขอบรูปเพชรบนและล่างของเราเตอร์ "Pineapple Edge" ยังสามารถตัดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ร่องเศษลึกสามารถระบายความร้อนจากการตัดได้มากผ่านการปล่อยเศษระหว่างกระบวนการตัด เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อคุณสมบัติของแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์
01 เส้นใยยาวต่อเนื่อง
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:รูปแบบผลิตภัณฑ์ที่พบมากที่สุดของเส้นใยคาร์บอนจากผู้ผลิต มัดจะประกอบด้วยโมโนฟิลาเมนต์หลายพันเส้น ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 ประเภทตามวิธีการบิด: NT (Never Twisted, untwisted), UT (Untwisted, untwisted), TT หรือ ST (Twisted, twisted) โดยที่ NT เป็นเส้นใยคาร์บอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด
การใช้งานหลัก:ส่วนใหญ่ใช้สำหรับวัสดุคอมโพสิต เช่น CFRP, CFRTP หรือวัสดุคอมโพสิต C/C และด้านการใช้งานได้แก่ อุปกรณ์เครื่องบิน/อวกาศ อุปกรณ์กีฬา และชิ้นส่วนอุปกรณ์อุตสาหกรรม
02 เส้นใยสเตเปิล
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:เส้นด้ายเส้นใยสั้นสำหรับเส้นด้ายสั้นที่ปั่นจากเส้นใยคาร์บอนสั้น เช่น เส้นใยคาร์บอนแบบพื้นเรียบเอนกประสงค์ มักจะเป็นผลิตภัณฑ์ที่อยู่ในรูปแบบของเส้นใยสั้น
การใช้งานหลัก:วัสดุฉนวนกันความร้อน วัสดุลดแรงเสียดทาน ชิ้นส่วนคอมโพสิต C/C เป็นต้น
03 ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:ผลิตจากเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่องหรือเส้นใยคาร์บอนปั่น ตามวิธีการทอ ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแบ่งได้เป็นผ้าทอ ผ้าถัก และผ้าไม่ทอ ในปัจจุบัน ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์มักเป็นผ้าทอ
การใช้งานหลัก:เช่นเดียวกับเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่อง โดยส่วนใหญ่ใช้ในวัสดุคอมโพสิต เช่น CFRP, CFRTP หรือวัสดุคอมโพสิต C/C และใช้ในสาขาการใช้งานต่างๆ เช่น อุปกรณ์เครื่องบิน/อวกาศ อุปกรณ์กีฬา และชิ้นส่วนอุปกรณ์อุตสาหกรรม
04 เข็มขัดถักคาร์บอนไฟเบอร์
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:เป็นผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ชนิดหนึ่ง ที่ทอจากเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่องหรือเส้นใยคาร์บอนปั่นต่อเนื่อง
การใช้งานหลัก:ส่วนใหญ่ใช้สำหรับวัสดุเสริมแรงที่ทำจากเรซิน โดยเฉพาะสำหรับการผลิตและการแปรรูปผลิตภัณฑ์รูปท่อ
05 คาร์บอนไฟเบอร์สับ
