ต้นกำเนิดและอนาคตของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์

ในปี พ.ศ. 2403 โจเซฟ สวอนได้ประดิษฐ์ต้นแบบของหลอดไส้ที่เรียกว่าหลอดลวดคาร์บอนกึ่งสุญญากาศ เพื่อให้แสงสว่างในคืนอันมืดมิด เส้นใยคาร์บอนจึงถือกำเนิดขึ้นในฐานะตัวเรืองแสงของไฟฟ้า

คาร์บอนไฟเบอร์ในยุคแรกนั้นไม่โดดเด่นนัก เนื่องจากทำมาจากเส้นใยธรรมชาติ มีความแข็งแรงเชิงโครงสร้างน้อย คุณภาพของเส้นใยที่ทำมาจากเส้นใยนั้นไม่ดี แตกหักง่ายเมื่อใช้งาน และความทนทานของเส้นใยนั้นยังห่างไกลจากมาตรฐานอีกด้วย จึงถูกแทนที่ด้วยเส้นใยทังสเตนอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้การวิจัยเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์เข้าสู่ช่วงพักตัว

ในช่วงทศวรรษปี 1950 ความต้องการวัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และมีความแข็งแรงสูงในภาคการบินและอวกาศเพิ่มขึ้น และผู้คนก็หันกลับมามีความหวังกับคาร์ไบด์อีกครั้ง หลังจากการศึกษาชุดหนึ่ง ในที่สุดวัสดุที่มีจุดหลอมเหลว 3,600 ℃ ก็ถูกค้นพบและมีชื่ออย่างเป็นทางการว่า "คาร์บอนไฟเบอร์"

คุณสมบัติที่ดีที่สุดของคาร์บอนไฟเบอร์คือ น้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง ความแข็งแรงจำเพาะสูง และโมดูลัสจำเพาะ ความหนาแน่นน้อยกว่า 1/4 ของเหล็ก อัตราส่วนแรงดึงอยู่ที่ประมาณ 10 เท่าของเหล็ก ความยืดหยุ่นมากกว่าโมดูลัสยืดหยุ่นอยู่ที่ประมาณ 7 เท่าของเหล็ก นอกจากนี้ คาร์บอนไฟเบอร์ยังมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมมากมาย เช่น ไม่เป็นสนิม ทนต่อสารเคมี และทนต่อความร้อนได้ดี

ในด้านเครื่องยนต์อากาศยาน คาร์บอนไฟเบอร์มักถูกนำมาผสมเข้ากับเรซิน โลหะ เซรามิกส์ และสารตั้งต้นอื่นๆ ในรูปแบบฐานที่เสริมแรง ซึ่งส่วนผสมดังกล่าวเรียกว่าคอมโพสิตเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) ซึ่งมีประสิทธิภาพในการลดน้ำหนักและประสิทธิภาพในการลดเสียงและการปล่อยมลพิษ เพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ และประหยัดน้ำมัน
คอมโพสิตยังถูกนำมาใช้ในส่วนประกอบอุณหภูมิสูงของเครื่องยนต์อากาศยาน เช่น สายสวนวาล์วควบคุมการไหลแบบแปรผัน (VBV) GEnx ซึ่งทำจากสารมาลิกเอไมด์เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (BMI) สองตัว โดยมีน้ำหนักเพียง 3.6 กิโลกรัมต่อสายสวน หัวฉีดแบบผสม (MFN) บนเครื่องยนต์ SaM146 ของรัสเซียยังใช้ชิ้นส่วน BMI เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งมีน้ำหนักเบากว่าโลหะประมาณ 20 กิโลกรัม

ในอนาคต ด้วยการเสริมความแข็งแกร่งและความเหนียวของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ให้ดียิ่งขึ้น การประยุกต์ใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในเครื่องยนต์อากาศยานจะได้รับความนิยมเพิ่มมากขึ้น เช่น เพิ่ม CFRTP ของกระบวนการสร้างพลาสติกหดตัวเนื่องจากความร้อน เพิ่มกระบวนการคาร์บอนเพื่อสร้างคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน CFRC เพิ่มกระบวนการสร้างโลหะ CFRM เพิ่มกระบวนการสร้างยาง CFRR ...... ไม่ว่าจะไปในทิศทางใด คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ก็จะเป็นวัสดุที่จำเป็นสำหรับเครื่องยนต์อากาศยานสมรรถนะสูงในอนาคต