คาร์บอนไฟเบอร์ เป็นวัสดุเส้นใยที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 95% มีคุณสมบัติเชิงกล เคมี ไฟฟ้า และอื่นๆ ที่ยอดเยี่ยม ถือเป็น “ราชาแห่งวัสดุใหม่” และเป็นวัสดุเชิงยุทธศาสตร์ที่ขาดแคลนในการพัฒนาทางทหารและพลเรือน รู้จักกันในชื่อ “ทองคำดำ”
สายการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มีดังนี้:
คาร์บอนไฟเบอร์เส้นบางทำอย่างไร?
เทคโนโลยีกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ได้พัฒนาและก้าวหน้ามาอย่างต่อเนื่อง ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของวัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ ทำให้ได้รับความนิยมมากขึ้นในทุกสาขาอาชีพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเติบโตอย่างแข็งแกร่งของอุตสาหกรรมการบิน รถยนต์ รถไฟ ใบพัดพลังงานลม ฯลฯ ซึ่งส่งผลต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์ โอกาสยังกว้างไกลยิ่งขึ้นไปอีก
ห่วงโซ่อุตสาหกรรมคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแบ่งได้เป็น 2 กลุ่ม คือ กลุ่มต้นน้ำและกลุ่มปลายน้ำ กลุ่มต้นน้ำมักหมายถึงการผลิตวัสดุเฉพาะสำหรับคาร์บอนไฟเบอร์ ส่วนกลุ่มปลายน้ำมักหมายถึงการผลิตส่วนประกอบของคาร์บอนไฟเบอร์ บริษัทที่อยู่ระหว่างกลุ่มต้นน้ำและกลุ่มปลายน้ำอาจมองว่ากลุ่มนี้เป็นผู้จัดหาอุปกรณ์ในกระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ ดังแสดงในรูป:
กระบวนการทั้งหมดตั้งแต่ไหมดิบไปจนถึงเส้นใยคาร์บอนซึ่งเป็นต้นน้ำของห่วงโซ่อุตสาหกรรมเส้นใยคาร์บอน จำเป็นต้องผ่านกระบวนการต่างๆ เช่น เตาออกซิเดชัน เตาคาร์บอไนเซชัน เตากราไฟไทเซชัน การปรับสภาพพื้นผิว และการกำหนดขนาด โครงสร้างเส้นใยส่วนใหญ่ใช้เส้นใยคาร์บอน
อุตสาหกรรมต้นน้ำของห่วงโซ่อุปทานเส้นใยคาร์บอนนั้นเป็นอุตสาหกรรมปิโตรเคมี โดยอะคริโลไนไตรล์ได้มาจากการกลั่นน้ำมันดิบ การแตกร้าว การออกซิเดชันแอมโมเนีย เป็นต้น ส่วนเส้นใยโพลีอะคริโลไนไตรล์นั้น เส้นใยคาร์บอนได้มาจากการออกซิเดชันล่วงหน้าและทำให้เส้นใยคาร์บอนกลายเป็นคาร์บอน และวัสดุคอมโพสิตเส้นใยคาร์บอนได้มาจากการแปรรูปเส้นใยคาร์บอนและเรซินคุณภาพสูง เพื่อตอบสนองความต้องการในการใช้งาน
กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ประกอบด้วยการดึง การร่างแบบ การคงสภาพ การคาร์บอไนเซชัน และกราไฟต์ ดังแสดงในรูป:
การวาดภาพ:นี่เป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการผลิตเส้นใยคาร์บอน โดยหลักแล้วจะแยกวัตถุดิบออกเป็นเส้นใย ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพ ในระหว่างกระบวนการนี้ การถ่ายเทมวลและการถ่ายเทความร้อนระหว่างของเหลวที่กำลังหมุนและของเหลวที่กำลังแข็งตัว และสุดท้ายคือการตกตะกอนแบบ PAN เส้นใยจะก่อตัวเป็นโครงสร้างเจล
การร่าง:ต้องใช้อุณหภูมิ 100 ถึง 300 องศาจึงจะทำงานควบคู่ไปกับผลการยืดของเส้นใยแบบวางแนวได้ นอกจากนี้ยังเป็นขั้นตอนสำคัญในการเสริมกำลังสูง เพิ่มความหนาแน่น และปรับสภาพเส้นใย PAN ให้ละเอียดยิ่งขึ้น
ความเสถียร:โซ่โมเลกุลเชิงเส้นเทอร์โมพลาสติก PAN ถูกแปลงเป็นโครงสร้างสี่เหลี่ยมคางหมูทนความร้อนที่ไม่เป็นพลาสติกโดยวิธีการให้ความร้อนและออกซิเดชันที่ 400 องศา จึงไม่ละลายและไม่ติดไฟที่อุณหภูมิสูง โดยรักษารูปร่างของเส้นใยไว้ และอุณหพลศาสตร์ก็อยู่ในสถานะเสถียร
การคาร์บอไนเซชัน:จำเป็นต้องขับไล่องค์ประกอบที่ไม่ใช่คาร์บอนใน PAN ที่อุณหภูมิ 1,000 ถึง 2,000 องศา และในที่สุดสร้างเส้นใยคาร์บอนที่มีโครงสร้างกราไฟท์เทอร์โบสตราติกที่มีปริมาณคาร์บอนมากกว่า 90%
การสร้างกราไฟต์: ต้องใช้ความร้อน 2,000 ถึง 3,000 องศาเพื่อแปลงวัสดุคาร์บอนไนซ์แบบอสัณฐานและแบบเทอร์โบสตราติกให้เป็นโครงสร้างกราไฟต์สามมิติ ซึ่งเป็นมาตรการทางเทคนิคหลักในการปรับปรุงโมดูลัสของเส้นใยคาร์บอน
กระบวนการเส้นใยคาร์บอนตั้งแต่กระบวนการผลิตไหมดิบจนถึงผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปนั้น เส้นใยดิบ PAN จะถูกผลิตขึ้นจากกระบวนการผลิตไหมดิบก่อนหน้า หลังจากการดึงเส้นเบื้องต้นด้วยความร้อนเปียกของเครื่องป้อนลวด เส้นใยจะถูกถ่ายโอนไปยังเตาเผาออกซิเดชันล่วงหน้าโดยเครื่องดึงเส้นตามลำดับ หลังจากอบที่อุณหภูมิต่างๆ ในกลุ่มเตาเผาออกซิเดชันล่วงหน้าแล้ว เส้นใยที่ถูกออกซิไดซ์จะถูกขึ้นรูป นั่นคือ เส้นใยที่ถูกออกซิไดซ์ล่วงหน้า เส้นใยที่ถูกออกซิไดซ์ล่วงหน้าจะถูกขึ้นรูปเป็นเส้นใยคาร์บอนหลังจากผ่านเตาเผาคาร์บอนไนเซชันอุณหภูมิปานกลางและอุณหภูมิสูง จากนั้นเส้นใยคาร์บอนจะถูกนำไปผ่านกระบวนการปรับสภาพพื้นผิวขั้นสุดท้าย การปรับขนาด การอบแห้ง และกระบวนการอื่นๆ เพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์เส้นใยคาร์บอน กระบวนการป้อนลวดอย่างต่อเนื่องและการควบคุมที่แม่นยำ ปัญหาเพียงเล็กน้อยในกระบวนการใดๆ จะส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพการผลิตและคุณภาพของผลิตภัณฑ์เส้นใยคาร์บอนขั้นสุดท้าย การผลิตเส้นใยคาร์บอนมีขั้นตอนการผลิตที่ยาวนาน มีจุดสำคัญทางเทคนิคมากมาย และมีอุปสรรคในการผลิตสูง เป็นการบูรณาการหลายสาขาวิชาและเทคโนโลยีเข้าด้วยกัน
ข้างต้นนี้เป็นการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ มาดูกันว่าผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ใช้ยังไง!
การแปรรูปผลิตภัณฑ์ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์
1. การตัด
พรีเพร็กถูกนำออกจากห้องเย็นที่อุณหภูมิ -18 องศา หลังจากตื่นแล้ว ขั้นตอนแรกคือการตัดวัสดุอย่างแม่นยำตามแผนภาพวัสดุบนเครื่องตัดอัตโนมัติ
2. การปูพื้น
ขั้นตอนที่สองคือการวางพรีเพร็กลงบนเครื่องมือวางแผ่น และวางแผ่นแต่ละชั้นตามข้อกำหนดการออกแบบ กระบวนการทั้งหมดดำเนินการภายใต้การวางตำแหน่งด้วยเลเซอร์
3. การขึ้นรูป
โดยผ่านหุ่นยนต์จัดการอัตโนมัติ พรีฟอร์มจะถูกส่งไปยังเครื่องขึ้นรูปเพื่อขึ้นรูปด้วยการอัด
4. การตัด
หลังจากการขึ้นรูป ชิ้นงานจะถูกส่งไปยังเวิร์กสเตชันหุ่นยนต์ตัดเพื่อตัดและลบคมในขั้นตอนที่สี่ เพื่อให้มั่นใจถึงความแม่นยำของขนาดของชิ้นงาน กระบวนการนี้สามารถทำงานบนเครื่อง CNC ได้เช่นกัน
5. การทำความสะอาด
ขั้นตอนที่ห้าคือการทำความสะอาดด้วยน้ำแข็งแห้งที่สถานีทำความสะอาดเพื่อกำจัดสารปลดปล่อย ซึ่งสะดวกสำหรับกระบวนการเคลือบกาวในขั้นตอนต่อไป
6. กาว
ขั้นตอนที่หกคือการทากาวโครงสร้างที่สถานีหุ่นยนต์ติดกาว ตำแหน่งการติดกาว ความเร็วในการติดกาว และปริมาณกาวที่ออกมาทั้งหมดได้รับการปรับอย่างแม่นยำ ส่วนหนึ่งของการเชื่อมต่อกับชิ้นส่วนโลหะจะถูกยึดด้วยหมุดย้ำ ซึ่งดำเนินการที่สถานีหมุดย้ำ
7. การตรวจสอบการประกอบ
หลังจากติดกาวแล้ว แผงด้านในและด้านนอกจะถูกประกอบเข้าด้วยกัน หลังจากกาวแห้งแล้ว จะมีการตรวจจับแสงสีน้ำเงินเพื่อรับรองความถูกต้องของขนาดของรูกุญแจ จุด เส้น และพื้นผิว
คาร์บอนไฟเบอร์นั้นยากต่อการประมวลผลมากกว่า
คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงทนทานเทียบเท่าวัสดุคาร์บอน และมีคุณสมบัติในการแปรรูปเส้นใยได้อย่างนุ่มนวล คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยม ยกตัวอย่างเช่น คาร์บอนไฟเบอร์และเหล็กกล้าทั่วไป ความแข็งแรงของคาร์บอนไฟเบอร์อยู่ที่ประมาณ 400 ถึง 800 MPa ในขณะที่เหล็กกล้าทั่วไปอยู่ที่ 200 ถึง 500 MPa เมื่อพิจารณาถึงความเหนียวแล้ว คาร์บอนไฟเบอร์และเหล็กกล้ามีความคล้ายคลึงกันโดยพื้นฐาน และไม่มีความแตกต่างที่ชัดเจน
คาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงสูงกว่าและมีน้ำหนักเบากว่า จึงถือได้ว่าเป็นราชาแห่งวัสดุใหม่ ด้วยข้อได้เปรียบนี้ ในระหว่างกระบวนการผลิตวัสดุผสมเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) เมทริกซ์และเส้นใยจึงมีปฏิสัมพันธ์ภายในที่ซับซ้อน ทำให้คุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุเหล่านี้แตกต่างจากโลหะ CFRP มีความหนาแน่นน้อยกว่าโลหะมาก แต่มีความแข็งแรงมากกว่าโลหะส่วนใหญ่ เนื่องจาก CFRP มีลักษณะไม่สม่ำเสมอ เส้นใยจึงมักหลุดออกหรือหลุดออกจากเมทริกซ์ระหว่างกระบวนการผลิต CFRP มีความทนทานต่อความร้อนสูงและทนต่อการสึกหรอ ทำให้อุปกรณ์มีความต้องการมากขึ้นในระหว่างกระบวนการผลิต ดังนั้นจึงเกิดความร้อนจากการตัดจำนวนมากในกระบวนการผลิต ซึ่งส่งผลเสียต่อการสึกหรอของอุปกรณ์
ในเวลาเดียวกัน ด้วยการขยายตัวอย่างต่อเนื่องของสาขาการประยุกต์ใช้งาน ข้อกำหนดต่างๆ ก็มีความละเอียดอ่อนมากขึ้นเรื่อยๆ และข้อกำหนดในการนำวัสดุไปใช้งานและข้อกำหนดด้านคุณภาพของ CFRP ก็มีความเข้มงวดมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งทำให้ต้นทุนการประมวลผลเพิ่มขึ้นด้วย
การแปรรูปแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์
หลังจากแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์แห้งตัวและขึ้นรูปแล้ว จำเป็นต้องมีกระบวนการหลังการผลิต เช่น การตัดและการเจาะ เพื่อความแม่นยำหรือการประกอบชิ้นส่วน ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน เช่น พารามิเตอร์ของกระบวนการตัดและความลึกในการตัด การเลือกเครื่องมือและดอกสว่านที่มีวัสดุ ขนาด และรูปทรงต่างกันจะให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันอย่างมาก ในขณะเดียวกัน ปัจจัยต่างๆ เช่น ความแข็งแรง ทิศทาง เวลา และอุณหภูมิของเครื่องมือและดอกสว่านก็มีผลต่อผลลัพธ์ของกระบวนการเช่นกัน
ในขั้นตอนหลังการประมวลผล ควรเลือกเครื่องมือที่มีความคม เคลือบด้วยเพชร และดอกสว่านคาร์ไบด์แข็ง ความทนทานต่อการสึกหรอของเครื่องมือและดอกสว่านเป็นตัวกำหนดคุณภาพของกระบวนการและอายุการใช้งานของเครื่องมือ หากเครื่องมือและดอกสว่านไม่คมพอหรือใช้งานไม่ถูกต้อง นอกจากจะเร่งการสึกหรอ เพิ่มต้นทุนการผลิตแล้ว ยังทำให้แผ่นโลหะเสียหาย ส่งผลต่อรูปร่างและขนาดของแผ่นโลหะ รวมถึงเสถียรภาพของรูและร่องบนแผ่นโลหะ ทำให้เกิดการฉีกขาดเป็นชั้นๆ ของวัสดุ หรือแม้แต่การยุบตัวของบล็อก ส่งผลให้แผ่นโลหะทั้งหมดเป็นรอย
เมื่อทำการเจาะแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ยิ่งความเร็วสูงเท่าไหร่ ผลลัพธ์ก็ยิ่งดีเท่านั้น ในการเลือกดอกสว่าน การออกแบบปลายดอกสว่านที่เป็นเอกลักษณ์ของดอกสว่านขอบหน้า PCD8 เหมาะกับการใช้งานกับแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มากกว่า ซึ่งสามารถเจาะแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้ดีกว่าและลดความเสี่ยงของการเกิดการหลุดลอก
เมื่อตัดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์หนา ขอแนะนำให้ใช้เครื่องกัดแบบอัดสองคมที่มีขอบคมแบบเกลียวซ้ายและขวา คมตัดที่คมกริบนี้มีทั้งปลายเกลียวด้านบนและด้านล่างเพื่อปรับสมดุลแรงตามแนวแกนของเครื่องมือขึ้นและลงขณะตัด เพื่อให้มั่นใจว่าแรงตัดที่เกิดขึ้นจะพุ่งตรงไปยังด้านในของวัสดุ เพื่อให้ได้สภาพการตัดที่มั่นคงและป้องกันการเกิดการหลุดลอกของวัสดุ การออกแบบขอบคมเพชรด้านบนและด้านล่างของเราเตอร์ "Pineapple Edge" ยังสามารถตัดแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ร่องคายเศษที่ลึกสามารถระบายความร้อนจากการตัดได้มากผ่านการปล่อยเศษในระหว่างกระบวนการตัด เพื่อป้องกันความเสียหายต่อคุณสมบัติของแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์
01 เส้นใยยาวต่อเนื่อง
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:รูปแบบผลิตภัณฑ์เส้นใยคาร์บอนที่พบมากที่สุดคือมัดที่ประกอบด้วยเส้นใยโมโนฟิลาเมนต์หลายพันเส้น ซึ่งแบ่งออกเป็นสามประเภทตามวิธีการบิด: NT (Never Twisted, untwisted), UT (Untwisted, untwisted), TT หรือ ST (Twisted, twisted) ซึ่ง NT เป็นเส้นใยคาร์บอนที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด
การใช้งานหลัก:ส่วนใหญ่ใช้สำหรับวัสดุคอมโพสิต เช่น CFRP, CFRTP หรือวัสดุคอมโพสิต C/C และด้านการใช้งานได้แก่ อุปกรณ์เครื่องบิน/อวกาศ อุปกรณ์กีฬา และชิ้นส่วนอุปกรณ์อุตสาหกรรม
02 เส้นด้ายเส้นใยสเตเปิล
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:เส้นด้ายเส้นใยสั้นสำหรับเส้นด้ายสั้นที่ปั่นจากเส้นใยคาร์บอนสั้น เช่น เส้นใยคาร์บอนที่ใช้พิทช์เอนกประสงค์ มักเป็นผลิตภัณฑ์ที่อยู่ในรูปแบบของเส้นใยสั้น
การใช้งานหลัก:วัสดุฉนวนกันความร้อน วัสดุลดแรงเสียดทาน ชิ้นส่วนคอมโพสิต C/C ฯลฯ
03 ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:ผลิตจากเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่องหรือเส้นใยคาร์บอนปั่น ตามวิธีการทอ ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์สามารถแบ่งได้เป็นผ้าทอ ผ้าถัก และผ้าไม่ทอ ปัจจุบันผ้าคาร์บอนไฟเบอร์มักเป็นผ้าทอ
การใช้งานหลัก:เช่นเดียวกับเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่อง ส่วนใหญ่ใช้ในวัสดุคอมโพสิต เช่น CFRP, CFRTP หรือวัสดุคอมโพสิต C/C และใช้ในสาขาการใช้งานต่างๆ เช่น อุปกรณ์เครื่องบิน/อวกาศ อุปกรณ์กีฬา และชิ้นส่วนอุปกรณ์อุตสาหกรรม
04 เข็มขัดถักคาร์บอนไฟเบอร์
คุณสมบัติผลิตภัณฑ์:เป็นผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ชนิดหนึ่งที่ทอจากเส้นใยคาร์บอนต่อเนื่องหรือเส้นใยคาร์บอนปั่น
การใช้งานหลัก:ส่วนใหญ่ใช้สำหรับวัสดุเสริมแรงที่ทำจากเรซิน โดยเฉพาะสำหรับการผลิตและการแปรรูปผลิตภัณฑ์รูปท่อ
05 คาร์บอนไฟเบอร์สับ
