ต้นกำเนิดและอนาคตของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์

ในปี ค.ศ. 1860 โจเซฟ สวอน ได้ประดิษฐ์ต้นแบบของหลอดไส้ ซึ่งก็คือหลอดลวดคาร์บอนกึ่งสุญญากาศ เส้นใยคาร์บอนจึงถือกำเนิดขึ้นเพื่อให้แสงสว่างในยามค่ำคืนอันมืดมิด เส้นใยคาร์บอนเปรียบเสมือนตัวเรืองแสงของไฟฟ้า

เส้นใยคาร์บอนในยุคแรกนั้นไม่โดดเด่นนัก ผลิตจากเส้นใยธรรมชาติ มีความแข็งแรงเชิงโครงสร้างต่ำ คุณภาพของเส้นใยที่ผลิตจากเส้นใยคาร์บอนต่ำ แตกหักง่ายเมื่อใช้งาน และความทนทานยังห่างไกลจากมาตรฐาน จึงถูกแทนที่ด้วยเส้นใยทังสเตนอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้การวิจัยเส้นใยคาร์บอนเข้าสู่ช่วงพักตัว

ในช่วงทศวรรษ 1950 ความต้องการวัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ทนต่อการกัดกร่อน และมีความแข็งแรงสูงในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเพิ่มสูงขึ้น ผู้คนจึงหันกลับมาสนใจคาร์ไบด์อีกครั้ง หลังจากการศึกษาอย่างต่อเนื่อง วัสดุที่มีจุดหลอมเหลว 3,600 องศาเซลเซียส จึงถูกค้นพบในที่สุด และได้รับการตั้งชื่ออย่างเป็นทางการว่า "คาร์บอนไฟเบอร์"

คุณสมบัติที่ดีที่สุดของคาร์บอนไฟเบอร์คือ น้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง ความแข็งแรงจำเพาะสูง และโมดูลัสจำเพาะ ความหนาแน่นน้อยกว่า 1/4 ของเหล็ก อัตราส่วนแรงดึงสูงกว่าเหล็กประมาณ 10 เท่า และโมดูลัสยืดหยุ่นสูงกว่าเหล็กประมาณ 7 เท่า นอกจากนี้ คาร์บอนไฟเบอร์ยังมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมมากมาย เช่น ทนทานต่อความล้า ไม่เป็นสนิม ทนต่อสารเคมี และทนความร้อนได้ดี

ในด้านเครื่องยนต์อากาศยาน คาร์บอนไฟเบอร์จะถูกผสมเข้ากับเรซิน โลหะ เซรามิก และวัสดุพื้นผิวอื่นๆ เป็นหลักในรูปแบบของฐานเสริมแรง ซึ่งส่วนผสมดังกล่าวเรียกว่าวัสดุผสมเสริมคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP) ซึ่งมีประสิทธิภาพในการลดน้ำหนัก ลดเสียงและการปล่อยมลพิษ เพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ และประหยัดเชื้อเพลิง
วัสดุคอมโพสิตยังถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในส่วนประกอบอุณหภูมิสูงของเครื่องยนต์อากาศยาน เช่น สายสวนวาล์วควบคุมการไหลแบบแปรผัน (VBV) รุ่น GEnx ซึ่งทำจากสารมาเลอิกเอไมด์คู่เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ (BMI) โดยมีน้ำหนักเพียง 3.6 กิโลกรัมต่อสายสวน หัวฉีดแบบผสม (MFN) ของเครื่องยนต์ SaM146 ของรัสเซียก็ใช้ชิ้นส่วน BMI เสริมแรงด้วยคาร์บอนไฟเบอร์ ซึ่งมีน้ำหนักเบากว่าโลหะประมาณ 20 กิโลกรัม

ในอนาคต ด้วยการเสริมความแข็งแกร่งและความเหนียวของคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ให้ดียิ่งขึ้น การประยุกต์ใช้คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ในเครื่องยนต์อากาศยานจะได้รับความนิยมมากขึ้น เช่น เพิ่ม CFRTP ของกระบวนการสร้างพลาสติกหดตัวเนื่องจากความร้อน เพิ่มกระบวนการคาร์บอนเพื่อสร้างคอมโพสิตคาร์บอน/คาร์บอน CFRC เพิ่มกระบวนการสร้างโลหะ CFRM เพิ่มกระบวนการสร้างยาง CFRR ...... ไม่ว่าในทิศทางใด คอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์จะเป็นวัสดุที่จำเป็นสำหรับเครื่องยนต์อากาศยานสมรรถนะสูงในอนาคต