מקורו ועתידו של חומר סיבי פחמן

בשנת 1860, ג'וזף סוואן המציא את אב הטיפוס של מנורות ליבון, מנורת חוט פחמן חצי-וואקום. כדי להאיר את הלילה החשוך, כגוף זוהר של אור חשמלי, נוצר סיבי פחמן.

סיבי הפחמן המוקדמים לא היו מורגשים, הם היו עשויים מסיבים טבעיים, בעלי חוזק מבני נמוך, איכות הפילמנט העשוי מהם הייתה ירודה, נשברה בקלות בשימוש, ועמידותם הייתה רחוקה מלהיות אידיאלית, והוא הוחלף במהרה בפילמנט טונגסטן. כתוצאה מכך, מחקר סיבי הפחמן נכנס לתקופה רדומה.

בשנות ה-50 של המאה ה-20, גברה הדרישה לחומרים עמידים בטמפרטורה גבוהה, עמידים בפני קורוזיה וחוזק גבוה במגזר התעופה והחלל, ואנשים שוב הפנו את תקוותיהם לקרבידים. לאחר סדרת מחקרים, נמצא לבסוף חומר בעל נקודת התכה של 3,600 מעלות צלזיוס וכונה רשמית "סיבי פחמן".

התכונות הטובות ביותר של סיבי פחמן הן קל משקל, חוזק גבוה, חוזק סגולי גבוה ומודולוס סגולי, צפיפותם פחות מרבע מפלדה, יחס חוזק המתיחה שלו הוא כ-10 פעמים מזה של ברזל, ומודולוס האלסטיות שלו במתיחה הוא כ-7 פעמים מזה של ברזל. בנוסף, לסיבי פחמן מגוון תכונות מצוינות, כגון עמידות בפני עייפות, עמידות בפני חלודה, יציבות כימית ויציבות תרמית טובה.

בתחום מנועי האוויר, סיבי פחמן משולבים בעיקר עם שרף, מתכת, קרמיקה ומצעים אחרים בצורת בסיס מחוזק, והשילוב נקרא חומרים מרוכבים מחוזקים בסיבי פחמן (CFRP), והוא פועל היטב מבחינת הפחתת משקל ויעילות, הפחתת רעש ופליטות, שיפור חוזק החומר וחיסכון בדלק.
חומרים מרוכבים נמצאים בשימוש בהדרגה גם ברכיבים בטמפרטורה גבוהה של מנועי אוויר, כגון קטטר שסתום הצפה משתנה (VBV) של GEnx, העשוי מאמיד מאלי כפול מחוזק בסיבי פחמן (BMI), עם משקל של 3.6 ק"ג בלבד לכל קטטר. זרבובית הזרימה המעורבת (MFN) במנוע SaM146 הרוסי משתמשת גם בחלקי BMI מחוזקים בסיבי פחמן, שהם קלים בכ-20 קילוגרמים מהמתכת.

בעתיד, עם השיפור הנוסף בחוזק ובקשיחות של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן, השימוש בחומרים מרוכבים מסיבי פחמן במנועי אווירון יהיה פופולרי: שיפור ה-CFRTP של תהליך היווצרות פלסטיק התכווצות תרמית, שיפור תהליך הפחמן ליצירת חומרים מרוכבים מסיבי פחמן/פחמן CFRC, שיפור היווצרות תהליך מתכת CFRM, שיפור היווצרות CFRR מתהליך גומי ...... בשני הכיוונים, חומרים מרוכבים מסיבי פחמן יהיו חומר חיוני למנועי אווירון בעלי ביצועים גבוהים עתידיים.