สารประกอบ CFRP คืออะไรและมีประโยชน์อย่างไร?

โพลิเมอร์ เสริม ใยคาร์บอน หรือ CFRP เป็นวัสดุคอมโพสิตที่มีความหนาแน่นต่ำและมีความแข็งแรงสูง ซึ่งพบการใช้งานในอุตสาหกรรมหลากหลายประเภท ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์สำหรับกีฬาที่มีการแข่งขันสูงไปจนถึงอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ แม้ว่าชื่อทางเทคนิคของมันคือวัสดุคอมโพสิตโพลิเมอร์เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ แต่คนส่วนใหญ่เรียกวัสดุประเภทนี้ง่ายๆ ว่าคาร์บอนไฟเบอร์

ตามชื่อที่บอก สารประกอบเหล่านี้เกิดจากพอลิเมอร์หรือเมทริกซ์พลาสติกที่เสริมด้วยผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ที่มีความต้านทานสูง คุณสมบัติขั้นสุดท้ายของคอมโพสิตขึ้นอยู่กับทั้งชนิดของเรซินที่ใช้และลักษณะเฉพาะของเส้นใย เช่นเดียวกับวิธีการที่เส้นใยถูกพันกันภายในเมทริกซ์และทิศทางที่พวกมันมีภายในวัสดุ ในทางกลับกัน มักจะเติมสารเติมแต่งต่างๆ เพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของส่วนที่เป็นผลลัพธ์

เมทริกซ์โพลีเมอร์

เมทริกซ์โพลิเมอร์ช่วยเติมเต็มการทำงานของการยึดเส้นใยคาร์บอนเข้าด้วยกันและอยู่ในตำแหน่งคงที่ มันยังกำหนดรูปร่างของชิ้นส่วนที่ทำขึ้นด้วยซึ่งมักจะประกอบด้วยอีพอกซีเรซินที่ผ่านการบ่มด้วยความร้อน แม้ว่าจะมีบางกรณีที่ใช้เรซินที่ผ่านการอบด้วยอากาศหรือเทอร์โมพลาสติกหรือโพลิเมอร์อื่นๆ แทน

ในกระบวนการผลิตชิ้นส่วน อีพอกซีเรซินสามารถรวมได้หลายวิธี ในบางกรณี แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์จะถูกแช่อยู่ในเรซินก่อนที่จะวางซ้อนทับกัน ในกรณีอื่นๆ จะมีการวางชั้นของเรซินที่ไม่ผ่านการบ่ม แล้วตามด้วยแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ จากนั้นจึงวางเรซินอีกชั้นหนึ่ง และอื่นๆ

เส้นใยคาร์บอน

กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์

กระบวนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์มีความชาญฉลาดมาก โดยพื้นฐานแล้ว ประกอบด้วยการผลิตและปั่นเส้นใยโพลิเมอร์สังเคราะห์เป็นครั้งแรก ซึ่งก็คือพลาสติก สามารถเตรียมได้ในรูปของเส้นใย ไม่ว่าจะโดยการหลอมพลาสติกที่สังเคราะห์ไว้แล้วแล้วยืดออกในขณะที่ยังร้อนอยู่ หรือโดยการดึงพลาสติกเมื่อเกิดการรวมตัว ไม่ว่าในกรณีใด ผลลัพธ์ที่ได้คือเกลียวโพลิเมอร์ที่ประกอบขึ้นจากสายโซ่ที่มีอะตอมของคาร์บอนหลายพันอะตอม รวมทั้งไฮโดรเจน ออกซิเจน และอาจมีองค์ประกอบอื่นๆ

เมื่อได้โครงสร้างพื้นฐานของไฟเบอร์แล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการทำให้เป็นคาร์บอนของวัสดุ นั่นคือ กำจัดอะตอมอื่นๆ ของโครงสร้างทั้งหมด โดยทั่วไปทำได้โดยการให้ความร้อนแก่กระสวยใยสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูง ไม่ว่าจะภายใต้สุญญากาศหรือในบรรยากาศเฉื่อย (เช่น ในสภาวะที่ไม่มีออกซิเจน)

กระบวนการผลิตเส้นใยเหล่านี้แตกต่างกันไปอย่างมากจากผู้ผลิตรายหนึ่งไปยังอีกรายหนึ่ง คุณภาพและคุณสมบัติทางเคมีและเชิงกลขึ้นอยู่กับวิธีการสังเคราะห์และการผลิตเป็นส่วนใหญ่ นอกเหนือไปจากวิธีการที่เส้นใยถูกสานสัมพันธ์กันเมื่อเตรียมแผ่นงานที่จะก่อตัวเป็นคอมโพสิตในภายหลัง ด้วยเหตุนี้ คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จึงสามารถพบได้ในการนำเสนอที่แตกต่างกันและมีช่วงราคาที่หลากหลายมาก

ลามิเนทของคาร์บอนไฟเบอร์

เส้นใยคาร์บอนสามารถใส่เข้าไปในเมทริกซ์พลาสติกได้ในรูปแบบของแผ่นที่มีเส้นใยทิศทางเดียว ซึ่งเน้นเชิงกลยุทธ์เพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับชิ้นส่วนสุดท้ายในทิศทางที่แน่นอน ความต้านทานเชิงกลของเส้นใยเกิดขึ้นโดยพื้นฐานตามแนวแกนของมัน ดังนั้น หากคุณต้องการผลิตชิ้นส่วนที่ทนทานต่อการดัดงอในทิศทางต่างๆ เส้นใยที่วิ่งผ่านชิ้นส่วนในทิศทางดังกล่าวจำเป็นต้องถูกนำเข้าสู่วัสดุ .

โดยทั่วไปแล้วจะทำได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี วิธีแรกซึ่งมีราคาถูกที่สุดคือการนำแผ่นที่มีเส้นใยทั้งหมดไปในทิศทางเดียวกันและวางซ้อนกันในทิศทางต่างๆ การเลือกที่ใช้บ่อยและมีประสิทธิภาพคือการวางกระดาษสามแผ่นซ้อนกันโดยทำมุม 0°, +60° และ -60° ซึ่งกันและกัน การติดตั้งนี้ช่วยให้มีความแข็งแรงสม่ำเสมอในทุกทิศทางโดยมีการจัดวางคาร์บอนไฟเบอร์ให้น้อยที่สุด

อีกทางเลือกหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปแม้ว่าจะมีราคาแพงกว่ามากก็คือการใช้แผ่นเส้นใยคาร์บอนที่ทอในแนวตั้งฉาก นั่นคือในลักษณะเดียวกับการทอด้ายเพื่อทำผ้า การประกอบด้วยเส้นใยในสองทิศทางตั้งฉากทำให้วัสดุแข็งแรงขึ้นในสองทิศทางแล้ว แต่การทอเพิ่มประโยชน์อย่างมากในการลดแนวโน้มของแผ่นกระดาษที่จะแยกออกจากกันอย่างมากเมื่อวัสดุต้องรับแรงดึงและงอซึ่งเป็นประเภทที่พบได้บ่อยมาก ของความล้มเหลวในวัสดุเคลือบประเภทนี้

การผลิตชิ้นส่วนที่มีสารประกอบ CFRP ที่มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง ;

ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ชิ้นส่วนต่างๆ ทำขึ้นโดยการเคลือบคาร์บอนไฟเบอร์สลับกับเรซินบางชนิด แต่รูปร่างทั่วไปของชิ้นส่วนจะใช้แม่พิมพ์ แท้จริงแล้ว กระบวนการผลิตประกอบด้วยการเริ่มต้นด้วยชั้นของเรซินบนพื้นผิวด้านในของแม่พิมพ์ จากนั้นจึงวางแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ที่สามารถมองเห็นได้จากภายนอก จากนั้นจึงวางเรซินอีกชั้นหนึ่งและทำซ้ำขั้นตอนนี้

ในกรณีของการผลิตชิ้นส่วนที่ไม่ต้องการแรงสูงเป็นพิเศษ การกดแม่พิมพ์ในขณะที่เรซิ่นแข็งตัวก็เพียงพอแล้ว และในบางกรณีก็มักจะให้ความร้อนด้วย อย่างไรก็ตาม เมื่อพูดถึงชิ้นส่วนสำคัญที่ต้องมีความต้านทานสูงสุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เช่น ชิ้นส่วนของลำตัวเครื่องบินหรือปีกของรถฟอร์มูล่าวัน ชิ้นส่วนต่างๆ จะต้องผ่านกระบวนการสุญญากาศเพื่อกำจัดฟองอากาศที่อาจเกิดขึ้นในโครงสร้าง . ที่อาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงาน

นอกจากนี้ ในกรณีเหล่านี้ ชิ้นส่วนมักจะถูกอบอ่อนในหม้อนึ่งความดันเพื่อให้เรซินแข็งตัวเร็วขึ้น ข้อกำหนดนี้ทำให้การผลิตชิ้นส่วนคาร์บอนไฟเบอร์มีราคาแพงมาก ไม่ต้องพูดถึงว่าแผ่นคาร์บอนไฟเบอร์มีราคาแพงมากอยู่แล้ว

ข้อเสียนี้ รวมถึงปัจจัยอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการนำไฟฟ้าของวัสดุและโหมดความล้มเหลวหลายโหมดที่ยากต่อการสร้างแบบจำลองในระหว่างขั้นตอนการออกแบบชิ้นส่วน หมายความว่าวัสดุผสม CFRP ไม่สามารถใช้งานได้เต็มศักยภาพในแอปพลิเคชันหลักจำนวนมาก ตัวอย่างนี้มีให้เห็นเมื่อ SpaceX ละทิ้งความตั้งใจที่จะสร้างยานอวกาศเรือธงลำต่อไป นั่นคือ Starship จากคาร์บอนไฟเบอร์ การสร้างหม้อนึ่งความดันให้ใหญ่พอที่จะสร้างส่วนประกอบต่างๆ ของยานอวกาศนั้นแพงเกินไปและใช้งานไม่ได้จริง ดังนั้นพวกเขาจึงตัดสินใจใช้เหล็กกล้าไร้สนิมแทน ซึ่งเป็นทางเลือกที่นอกรีตในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

คุณสมบัติของคอมโพสิต CFRP

คอมโพสิต CFRP มีคุณสมบัติพิเศษหลายอย่างที่ใช้ประโยชน์ในการใช้งานที่หลากหลาย บางส่วนของพวกเขาคือ:

• เป็นวัสดุที่เบาและทนทานมาก มีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงกว่าเหล็กกล้าและแม้แต่ไททาเนียมมาก
• พวกมันมีโมดูลัสของอัตราส่วนความยืดหยุ่นต่อน้ำหนักที่สูงมาก และยังสูงกว่าโลหะ ใดๆ อีกด้วย
• เป็นวัสดุที่มีความทนทานต่อความเมื่อยล้าสูง
• ทั้งเมทริกซ์โพลิเมอร์และเส้นใยคาร์บอนนั้นมีความเฉื่อยทางเคมี ซึ่งทำให้คอมโพสิต CFRP ทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดีมาก
• ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก ซึ่งหมายความว่าชิ้นส่วนที่ทำจากคอมโพสิต CFRP จะเกิดการบิดเบี้ยวน้อยมากเมื่อได้รับความร้อนหรือเย็นลง
• พวกเขามีการนำไฟฟ้า กราไฟต์เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีมาก และเส้นใยคาร์บอนโดยพื้นฐานแล้วก็คือกราไฟต์ ดังนั้นสารประกอบที่ประกอบด้วยกราไฟต์จึงนำไฟฟ้าได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในทิศทางของเส้นใย สิ่งนี้สามารถเป็นได้ทั้งผลดีและผลเสียทั้งนี้ขึ้นอยู่กับแอปพลิเคชัน

นอกจากคุณสมบัติเหล่านี้แล้ว คอมโพสิต CFRP ยังมีคุณสมบัติเพิ่มเติมบางอย่างที่อาจเสียเปรียบได้ขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ:

• มีความไวต่อแสงอัลตราไวโอเลต (UV) แสง UV มีความสามารถในการส่งเสริม ปฏิกิริยาเคมีที่หลากหลายโดยอนุมูลอิสระที่ย่อยสลายทั้งเรซินโพลิเมอร์และเส้นใยคาร์บอนส่วนใหญ่ ทำลายคุณสมบัติเชิงกลของพวกมัน โดยปกติจะแก้ไขได้ด้วยชั้นของสีที่ดูดซับรังสีก่อนที่จะมาถึงสารประกอบ
• โดยทั่วไปแล้ว คอมโพสิต CFRP มีความต้านทานแรงกระแทกต่ำ
• ในแง่ของความล้มเหลวของวัสดุ เมื่อวัสดุคอมโพสิต CFRP ถูกผลักดันจนถึงขีดจำกัดของความแข็งแรง ความล้มเหลวมักจะถือเป็นหายนะเนื่องจากเส้นใยคาร์บอนนั้นเปราะ โหมดความล้มเหลวรวมถึงการแยกชั้น (เมื่อแผ่นเส้นใยแยกออกจากกัน) และการแตกของเส้นใย

คุณสมบัติของคอมโพสิต CFRP เป็นแบบแอนไอโซทรอปิก

ควรสังเกตว่าคุณสมบัติส่วนใหญ่ที่กล่าวมาข้างต้นของวัสดุผสม CFRP เป็นแบบแอนไอโซทรอปิก ซึ่งหมายความว่าไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุและขึ้นอยู่กับทิศทางการวัด นี่เป็นผลมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าพวกมันประกอบขึ้นจากเส้นใยที่ได้รับคำสั่งซึ่งเป็นไปตามทิศทางที่กำหนดไว้อย่างดี ดังนั้น ลักษณะของวัสดุตามทิศทางเหล่านี้จึงแตกต่างอย่างมากจากลักษณะตามทิศทางต่างๆ

ตัวอย่างเช่น โมดูลัสแรงดึงของคอมโพสิต CFRP ที่มีเส้นใยคาร์บอน 70% ในอีพอกซีเรซินมีค่าเพียง 10.3 GPa ในทิศทางตั้งฉากกับเส้นใย ในขณะที่ในแนวแกนหรือแนวยาว โมดูลเดียวกันจะมีค่า 181 GPa ความแตกต่างของแรงดึงหรือความต้านทานแรงดึงนั้นน่าทึ่งยิ่งกว่า โดยมีค่า 40 MPa ในทิศทางที่ตั้งฉากกับเส้นใย ในขณะที่ในทิศทางตามยาวมีค่า 1,500 MPa ซึ่งสูงกว่าเกือบ 40 เท่า ในที่สุด ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวของสารประกอบนี้ต่ำกว่าเส้นใยในทิศทางตั้งฉากถึง 112.5 เท่า

การใช้งานทั่วไปของคอมโพสิต CFRP

แม้ว่าวัสดุผสม CFRP จะถูกนำมาใช้ในผลิตภัณฑ์ระดับไฮเอนด์ (เนื่องจากเป็นวัสดุที่มีราคาแพงกว่าตัวเลือกอื่นๆ ส่วนใหญ่มาก) แต่วัสดุผสม CFRP ก็ถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมสี่ประเภทเป็นหลัก:

ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

ครั้งแรกที่มีการใช้สารประกอบเหล่านี้ในการผลิตเครื่องบินในปี 1950 และการใช้ในอุตสาหกรรมก็เพิ่มมากขึ้นเท่านั้น เครื่องบินรุ่น 767 และ 777 ของโบอิ้งมีสาร CFRP 3% และ 7% ตามลำดับ ในกรณีเหล่านั้น พวกมันถูกใช้ในส่วนประกอบโครงสร้างบางอย่าง ในทางกลับกัน ในกรณีของโบอิ้ง 787 Dreamliner รุ่นใหม่ ลำตัวและปีกทั้งหมดทำจากคาร์บอนไฟเบอร์และวัสดุนี้คิดเป็น 50% ของน้ำหนักและ 80% ของปริมาตรของเครื่องบินดังกล่าว แนวโน้มนี้ยังพบได้กับผู้ผลิตเครื่องบินรายอื่นด้วย

ในทางกลับกัน แม้ว่า SpaceX จะละทิ้งคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับยาน Starship แต่บริษัทการบินและอวกาศเอกชนอีกแห่งที่ชื่อว่า Rocket Lab ก็เพิ่งประกาศการสร้างจรวดใหม่ Neutron ซึ่งเป็นจรวดที่นำกลับมาใช้ใหม่ได้ซึ่งทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ทั้งหมด

ในอุตสาหกรรมรถยนต์

เป็นเวลาหลายปีที่รถแข่งที่เร็วที่สุดในโลกถูกสร้างขึ้นโดยใช้คาร์บอนไฟเบอร์ นี่ไม่ได้เป็นเพียงส่วนหนึ่งของภายนอกเท่านั้น แต่ยังเป็นวัสดุหลักที่สร้างตัวถังและปีกที่ยึดรถไว้กับพื้นขณะที่เร่งความเร็ว แต่ยังรวมถึงแชสซีด้วย อันที่จริงแล้ว ระหว่าง 60% ถึง 70% ของน้ำหนักโครงสร้างของรถ McLaren Formula 1 ประกอบด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (ไม่นับเครื่องยนต์ ล้อ และระบบส่งกำลัง)

ในกรณีของรถยนต์สำหรับใช้ส่วนตัว เฉพาะรถยนต์ระดับไฮเอนด์ เช่น รถสปอร์ตหรูเท่านั้นที่ใช้คาร์บอนไฟเบอร์ในบางส่วนของตัวถังหรือโครงสร้าง

อุตสาหกรรมทหารเรือ

ทั้งน้ำหนักที่เบาและความต้านทานการกัดกร่อนสูงทำให้วัสดุคอมโพสิต CFRP เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างเรือที่มีน้ำหนักเบาและเรือความเร็วสูง อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันมีการใช้มากขึ้นในการสร้างเรือขนาดใหญ่ รวมถึงเรือยอทช์และเรือสำหรับการใช้งานระดับมืออาชีพ

นอกเหนือจากการทนทานต่อสารเคมีที่ทำให้ต้องการการบำรุงรักษาน้อยลงแล้ว การลดน้ำหนักยังเป็นหนึ่งในเหตุผลหลักที่วัสดุชนิดนี้กำลังเข้าสู่อุตสาหกรรมนี้ แทนที่ตัวเลือกอื่นๆ เช่น อะลูมิเนียม เหล็ก และแม้แต่สารประกอบโพลิเมอร์อื่นๆ เช่น ไฟเบอร์กลาส

ในกีฬาที่มีการแข่งขันสูง

หนึ่งในการใช้งานคาร์บอนไฟเบอร์ที่พบเห็นได้บ่อยที่สุดในวงการกีฬาคือการสร้างเฟรมของจักรยานสมรรถนะสูง ไม่ว่าจะเป็นการปั่นจักรยานประเภทใด ไม่ว่าจะเป็นการปั่นจักรยานเสือภูเขาดาวน์ฮิลล์หรือจักรยานเสือหมอบสำหรับ Tour de France จักรยานที่ดีที่สุดนั้นทำจากคาร์บอนไฟเบอร์เกือบทั้งหมด

ในทางกลับกัน คาร์บอนไฟเบอร์ยังพบได้ทั่วไปในองค์ประกอบโครงสร้างบางที่ต้องทนทานสูง เช่น ไม้กอล์ฟระดับไฮเอนด์ คันเบ็ดสำหรับแข่งขัน ไม้เทนนิส หรือแม้แต่ไม้ปิงปองหรือปิงปอง

อ้างอิง

เครื่องบินโบอิ้ ง787 Dreamliner – ภาพรวม (น). สายตรงวิทยาศาสตร์. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boeing-787-dreamliner

Barta, C. (2018, 15 ตุลาคม). คาร์บอนไฟเบอร์: ข้อมูล โครงสร้าง และคุณสมบัติ คาร์โบซิสเต็ม. https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/

การ์ดิเนอร์, G. (2010, 30 พฤศจิกายน). ทำไมต้อง CFRP? CompositesWorld. https://www.compositesworld.com/articles/why-cfrp

Giurgiutiu, V. (2016, 1 มกราคม). การตรวจสอบสุขภาพโครงสร้างของคอมโพสิตการบินและอวกาศ สายตรงวิทยาศาสตร์. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015

Kopeliovich, D. (2012a, 2 มิถุนายน) คอมโพสิตโพลิเมอร์เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ [SubsTech] . ซับเทค https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites

Gomez, JL (2021, 23 กันยายน) คาร์บอนไฟเบอร์คืออะไร วัสดุที่ตัวมันเองไร้ค่า และด้วยเรซินก็มีค่าทุกอย่าง Diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/

Kopeliovich, D. (2012b, 3 มิถุนายน) Epoxy Matrix Composite เสริมด้วยเส้นใยคาร์บอน 70% [SubsTech ] ซับเทค https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers

แมคลาเรน. (2563, 5 มิถุนายน). เรื่องราวที่น่าสนใจของคาร์บอนไฟเบอร์ แม็คลาเรน เรซซิ่ง. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/

โลเปซ, JC (2019, 30 มิถุนายน) คาร์บอนไฟเบอร์: มันคืออะไรและทำไมมันถึงน่าดึงดูดใจสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคเช่นเดียวกับสำหรับการบินหรือ . . ซาตาก้า. https://www.xataka.com/investigacion/fibra-carbono-que-que-atractiva-para-electronica-consumo-como-para-aeronautica-automocion

Zhao, Q., Zhang, K., Zhu, S., Xu, H., Cao, D., Zhao, L., Zhang, R., & Yin, W. (2019). ทบทวนความต้านทานไฟฟ้า/การนำไฟฟ้าของพอลิเมอร์เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ วิทยาศาสตร์ประยุกต์ , 9 (11), 2390 https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm