เส้นใยคาร์บอน (Carbon fiber) หรือไฟเบอร์แกรไฟต์ แกรไฟต์คาร์บอน หรือ CF เป็นวัสดุทางวิทยาศาสตร์ที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบอย่างน้อยร้อยละ 90 โดยเส้นใยคาร์บอนจะมีขนาดของเส้นผ่านศูนย์กลาง 5-10 ไมโครเมตร ในการผลิตเส้นใยคาร์บอน คาร์บอนอะตอมจะถูกผูกมัดร่วมกันในผลึกจำนวนมากหรือน้อยตามแนวขนานกับแกนยาวของเส้นใยเป็นแนวคริสตัล โดยให้อัตราส่วนความแข็งแรงของเส้นใยต่อปริมาณสูง (ทำให้มันแข็งแกร่งสำหรับขนาดของมัน) เส้นใยคาร์บอนหลายพันเส้นจะถูกรวมเข้าด้วยกันในรูปแบบกลุ่มเส้นใยซึ่งอาจจะถูกนำมาใช้ด้วยตัวมันเองหรือทอเป็นผ้า คุณสมบัติของเส้นใยคาร์บอนคือ มีความแข็งแรงสูง ต้านทานแรงดึงสูง น้ำหนักเบา ทนต่อสารเคมีสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง และอัตราการขยายตัวต่อความร้อนต่ำ เส้นใยคาร์บอนจึงเป็นวัสดุที่ได้รับความนิยมมากในอุตสาหกรรมการบินและวิศวกรรมอวกาศ การทหาร มอเตอร์สปอร์ต และการแข่งขันกีฬาอื่นๆ แต่เส้นใยคาร์บอนมีราคาค่อนข้างสูงเมื่อเทียบกับเส้นใยชนิดอื่น อาทิ เส้นใยแก้วหรือเส้นใยพลาสติก เส้นใยคาร์บอนมักจะใช้ร่วมกับวัสดุอื่นๆ ในรูปแบบคอมโพสิท ซึ่งจะเรียกว่า “คาร์บอนไฟเบอร์เสริมโพลิเมอร์” แต่มักจะเรียกสั้นๆ ว่า “คาร์บอนไฟเบอร์” มากกว่า ซึ่งมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่สูงมากและมีความแข็งมากแม้ว่าจะค่อนข้างเปาะ อย่างไรก็ตามเส้นใยคาร์บอนจะประกอบด้วยวัสดุอื่นๆ เช่นเดียวกับแกรไฟต์ในรูปแบบคาร์บอน-คาร์บอนซึ่งมีความทนทานต่อความร้อนสูงมาก
ขั้นตอนการผลิตคาร์บอน ไฟเบอร์
ขั้นตอนการผลิตจะนำโพลีอะคริโลไนไตรล์หรือ PAN (Polyacrylonitrile) มาทำละลายแล้วยืดออกให้เป็นเส้นใยยาวๆ แล้วเส้นใยจะถูกลำเลียงผ่านเตาที่จะทำให้เส้นใยร้อนสูงขึ้นไป 1,000-3,000 องศาเซลเซียส และภายในเตานั้นจะไม่มีออกซิเจน ป้องกันไม่ให้เส้นใยถูกเผา และความร้อนจะเข้าไปทำให้เส้นใยแข็งแรงขึ้น เมื่อกระบวนการคาร์โบไนเซชั่นเกิดขึ้นอะตอมภายในเส้นใยจะสะเทือนอย่างรุนแรงทำให้เกิดอะตอมที่ไม่ใช่คาร์บอน เหลือไม่แต่เส้นใยคาร์บอนที่เกือบจะบริสุทธิ ที่มีคุณสมบัติที่บาง เบา และแข็งแรงมากๆ
ข้อดีของคาร์บอนไฟเบอร์
- น้ำหนักเบา – คาร์บอนไฟเบอร์เป็นวัสดุที่มีความหนาแน่นต่ำและมีความแข็งแรงสูงต่อน้ำหนัก
- ความต้านทานแรงดึงสูง – เป็น เส้นใยเสริมแรง ที่แข็งแกร่งที่สุดในเชิงพาณิชย์เมื่อเกิดความตึงเครียดคาร์บอนไฟเบอร์เป็นเรื่องยากที่จะยืดหรือโค้งงอได้
- การขยายตัวทางความร้อนต่ำ – คาร์บอนไฟเบอร์จะขยายตัวหรือหดตัวมากขึ้นในสภาวะที่ร้อนหรือเย็นกว่าวัสดุเช่นเหล็กและอะลูมิเนียม
- ความทนทานพิเศษ – เส้นใยคาร์บอนมีคุณสมบัติเมื่อยล้าที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับโลหะซึ่งหมายความว่าส่วนประกอบที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์จะไม่เสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วภายใต้ความเครียดจากการใช้งานอย่างต่อเนื่อง
- ความต้านทานการกัดกร่อน – เมื่อทำด้วยเรซินที่เหมาะสมเส้นใยคาร์บอนเป็นหนึ่งในวัสดุป้องกันการกัดกร่อนที่ดีที่สุด
- Radiolucence – คาร์บอนไฟเบอร์มีความโปร่งใสในการฉายรังสีและมองไม่เห็นในรังสีเอกซ์ทำให้เป็นประโยชน์สำหรับการใช้งานในอุปกรณ์ทางการแพทย์และสิ่งอำนวยความสะดวกต่างๆ
- ทนต่อรังสีอัลตราไวโอเลต – คาร์บอนไฟเบอร์สามารถทนต่อรังสียูวีได้โดยใช้เรซินที่เหมาะสม
ข้อเสีย
- เส้นใยคาร์บอนจะ แตกหรือแตก เมื่อบีบอัดผลักดันให้เกินขีดความสามารถหรือสัมผัสกับผลกระทบสูง มันจะแตกถ้าโดนด้วยค้อน การกลึงและรูยังสามารถสร้างพื้นที่ที่อ่อนแอซึ่งอาจเพิ่มโอกาสในการถูกทำลาย
