พอลิเมอร์เสริมใยคาร์บอน

พอลิเมอร์เสริมแรงด้วยเส้นใยคาร์บอน (หรือเส้นใย) ^{[ a ]}เป็นพลาสติกเสริมแรงด้วยเส้นใยที่ มีความแข็งแรงและน้ำหนักเบามาก ซึ่งประกอบด้วยเส้นใยคาร์บอน CFRP อาจมีต้นทุนการผลิตสูง แต่โดยทั่วไปจะใช้ในทุกที่ที่ ต้องการ อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักและความแข็งแกร่ง (ความคงตัว) สูง เช่น การบินและอวกาศ โครงสร้างส่วนบนของเรือ ยานยนต์ วิศวกรรมโยธา อุปกรณ์กีฬา และการใช้งานด้านผู้บริโภคและทางเทคนิคที่เพิ่มมากขึ้น^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

พอ ลิเมอร์ที่ยึดเกาะมักจะเป็น เรซิน เทอร์โมเซตเช่นอีพ็อกซีแต่บางครั้งก็ใช้พอลิ เมอร์เทอร์โมเซตหรือเทอร์โม พลาสติก อื่นๆ เช่นโพลีเอสเตอร์ไวนิลเอสเตอร์หรือไนลอน^{[ 4 ]}คุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ CFRP ขั้นสุดท้ายอาจได้รับผลกระทบจากชนิดของสารเติมแต่งที่ใส่เข้าไปในเมทริกซ์ยึดเกาะ (เรซิน) สารเติมแต่งที่พบมากที่สุดคือซิลิกาแต่สารเติมแต่งอื่นๆ เช่น ยางและนาโนทิวบ์คาร์บอนก็สามารถนำมาใช้ได้เช่นกัน

บางครั้งคาร์บอนไฟเบอร์ก็ถูกเรียกว่าโพลิเมอร์เสริมแรงด้วยกราไฟต์หรือโพลิเมอร์เสริมแรงด้วยเส้นใยกราไฟต์ ( GFRPเป็นคำที่ใช้กันน้อยกว่า เนื่องจากมีความหมายซ้ำซ้อนกับโพลิเมอร์เสริมแรงด้วยเส้นใยแก้ว )

คุณสมบัติ

CFRP เป็นวัสดุคอมโพสิตในกรณีนี้คอมโพสิตประกอบด้วยสองส่วน คือ เมทริกซ์และวัสดุเสริมแรง ใน CFRP วัสดุเสริมแรงคือเส้นใยคาร์บอน ซึ่งให้ความแข็งแรง เมทริกซ์มักจะเป็นพลาสติกเทอร์โมเซตติง เช่น เรซินโพลีเอสเตอร์ เพื่อยึดวัสดุเสริมแรงเข้าด้วยกัน^{[ 5 ]}เนื่องจาก CFRP ประกอบด้วยองค์ประกอบที่แตกต่างกันสองอย่าง คุณสมบัติของวัสดุจึงขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทั้งสองนี้

การเสริมแรงทำให้ CFRP มีความแข็งแรงและความแข็งแกร่ง ซึ่งวัดได้จากความเค้นและโมดูลัสความยืดหยุ่นตามลำดับ แตกต่างจาก วัสดุ ไอโซโทรปิกเช่น เหล็กและอะลูมิเนียม CFRP มีคุณสมบัติความแข็งแรงแบบทิศทาง คุณสมบัติของ CFRP ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงของเส้นใยคาร์บอนและสัดส่วนของเส้นใยคาร์บอนเมื่อเทียบกับพอลิเมอร์^{[ 6 ]}สมการสองสมการที่แตกต่างกันซึ่งควบคุมโมดูลัสความยืดหยุ่นสุทธิของวัสดุคอมโพสิตโดยใช้คุณสมบัติของเส้นใยคาร์บอนและเมทริกซ์พอลิเมอร์สามารถนำไปใช้กับพลาสติกเสริมแรงด้วยเส้นใยคาร์บอนได้เช่นกัน^{[ 7 ]}กฎของการผสมสำหรับ กรณี ความเครียด เท่ากัน ให้ผลลัพธ์ดังนี้:

E_{c}=V_{m}E_{m}+V_{f}E_{f}

ซึ่งใช้ได้กับวัสดุผสมที่มีเส้นใยเรียงตัวขนานกับแรงที่กระทำ $E_{c}$ คือค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์รวมทั้งหมด $V_{m}$ และ $V_{f}$ คือสัดส่วนปริมาตรของเมทริกซ์และเส้นใยในวัสดุคอมโพสิตตามลำดับ และ $E_{m}$ และ $E_{f}$ คือค่าโมดูลัสความยืดหยุ่นของเมทริกซ์และเส้นใยตามลำดับ^{[ 7 ]}กรณีสุดขั้วอีกกรณีหนึ่งของโมดูลัสความยืดหยุ่นของวัสดุคอมโพสิตที่มีเส้นใยวางตัวขวางกับแรงที่ใช้ สามารถหาได้โดยใช้กฎการผสมแบบผกผันสำหรับกรณีความเค้นเท่ากัน: ^{[ 7 ]}

E_{c}=\left({\frac {V_{m}}{E_{m}}}+{\frac {V_{f}}{E_{f}}}\right)^{-1}

สมการข้างต้นให้ค่าขอบเขตบนและล่างของโมดูลัสของยังสำหรับ CFRP และยังมีปัจจัยอื่นๆ อีกมากมายที่ส่งผลต่อค่าที่แท้จริง

ความทนทานต่อการแตกหักของพลาสติกเสริมใยคาร์บอนนั้นถูกควบคุมโดยกลไกหลายประการ:

การหลุดลอกระหว่างเส้นใยคาร์บอนและเมทริกซ์โพลีเมอร์
การดึงเส้นใยออกมา
การแยกชั้นระหว่างแผ่น CFRP ^{[ 8 ]}

โดยทั่วไป CFRP ที่ใช้เอพ็อกซีเป็นฐานแทบจะไม่มีความยืดหยุ่นเลย โดยมีค่าความเครียดก่อนการแตกหักน้อยกว่า 0.5% แม้ว่า CFRP ที่ใช้เอพ็อกซีจะมีกำลังและความยืดหยุ่นสูง แต่กลไกการแตกหักแบบเปราะทำให้เกิดความท้าทายที่ไม่เหมือนใครสำหรับวิศวกรในการตรวจจับความล้มเหลว เนื่องจากความล้มเหลวเกิดขึ้นอย่างรุนแรง^{[ 8 ]}ด้วยเหตุนี้ ความพยายามล่าสุดในการเพิ่มความเหนียวให้กับ CFRP จึงรวมถึงการปรับเปลี่ยนวัสดุเอพ็อกซีที่มีอยู่และการค้นหาเมทริกซ์พอลิเมอร์ทางเลือก วัสดุหนึ่งที่มีศักยภาพสูงคือPEEKซึ่งมีความเหนียวมากกว่าถึงหนึ่งลำดับขนาด โดยมีโมดูลัสความยืดหยุ่นและความแข็งแรงดึงที่ใกล้เคียงกัน^{[ 8 ]}อย่างไรก็ตาม PEEK นั้นยากต่อการแปรรูปและมีราคาแพงกว่ามาก^{[ 8 ]}

แม้ว่า CFRP จะมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักเริ่มต้นสูง แต่ข้อจำกัดในการออกแบบคือการขาดขีดจำกัดความล้า ที่กำหนดได้ ซึ่งหมายความว่าในทางทฤษฎีแล้ว ความล้มเหลวจากวัฏจักรความเค้นไม่สามารถตัดออกไปได้ ในขณะที่เหล็กและโลหะโครงสร้างและโลหะผสมอื่นๆ อีกมากมายมีขีดจำกัดความล้าหรือความทนทานที่ประเมินได้ แต่โหมดความล้มเหลวที่ซับซ้อนของวัสดุคอมโพสิตหมายความว่าคุณสมบัติความล้มเหลวจากความล้าของ CFRP นั้นยากที่จะคาดการณ์และออกแบบ อย่างไรก็ตาม งานวิจัยที่กำลังเกิดขึ้นได้ให้ความกระจ่างเกี่ยวกับผลกระทบของการกระแทกด้วยความเร็วต่ำต่อวัสดุคอมโพสิต^{[ 9 ]}การกระแทกด้วยความเร็วต่ำสามารถทำให้พอลิเมอร์คาร์บอนไฟเบอร์มีความเสี่ยงต่อความเสียหาย^{[ 9 ]}^{[ 10 ]}^{[ 11 ]}ด้วยเหตุนี้ เมื่อใช้ CFRP สำหรับการใช้งานที่มีการรับน้ำหนักแบบวัฏจักรที่สำคัญ วิศวกรอาจต้องออกแบบให้มีระยะขอบความปลอดภัยด้านความแข็งแรงที่มากพอสมควรเพื่อให้มั่นใจได้ถึงความน่าเชื่อถือของส่วนประกอบที่เหมาะสมตลอดอายุการใช้งาน

ผลกระทบจากสิ่งแวดล้อม เช่น อุณหภูมิและความชื้นอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อวัสดุคอมโพสิตที่ทำจากพอลิเมอร์ รวมถึง CFRP ส่วนใหญ่ แม้ว่า CFRP จะแสดงให้เห็นถึงความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม แต่ผลกระทบของความชื้นในช่วงอุณหภูมิที่กว้างอาจนำไปสู่การเสื่อมสภาพของคุณสมบัติทางกลของ CFRP โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ส่วนต่อประสานระหว่างเมทริกซ์และเส้นใย^{[ 12 ]}แม้ว่าเส้นใยคาร์บอนเองจะไม่ได้รับผลกระทบจากความชื้นที่แพร่เข้าไปในวัสดุ แต่ความชื้นจะทำให้เมทริกซ์พอลิเมอร์อ่อนตัวลง^{[ 8 ]}ซึ่งนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในคุณสมบัติที่ได้รับอิทธิพลจากเมทริกซ์เป็นหลักใน CFRP เช่น คุณสมบัติการรับแรงอัด แรงเฉือนระหว่างชั้น และแรงกระแทก^{[ 13 ]}เมทริกซ์อีพ็อกซีที่ใช้สำหรับใบพัดของเครื่องยนต์ได้รับการออกแบบให้ทนต่อเชื้อเพลิงไอพ่น น้ำมันหล่อลื่น และน้ำฝน และมีการทาสีภายนอกบนชิ้นส่วนคอมโพสิตเพื่อลดความเสียหายจากรังสีอัลตราไวโอเลต^{[ 8 ]}^{[ 14 ]}

เส้นใยคาร์บอนสามารถทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบกัลวานิกได้เมื่อชิ้นส่วน CFRP ติดอยู่กับอะลูมิเนียมหรือเหล็กอ่อน แต่จะไม่เกิดการกัดกร่อนกับเหล็กกล้าไร้สนิมหรือไทเทเนียม^{[ 15 ]}

CFRP นั้นยากต่อการขึ้นรูปมาก และทำให้เกิดการสึกหรอของเครื่องมืออย่างมาก การสึกหรอของเครื่องมือในการขึ้นรูป CFRP ขึ้นอยู่กับทิศทางของเส้นใยและสภาวะการตัดเฉือนของกระบวนการตัด เพื่อลดการสึกหรอของเครื่องมือ จึงมีการใช้เครื่องมือเคลือบชนิดต่างๆ ในการขึ้นรูป CFRP และ CFRP-โลหะซ้อนกัน^{[ 1 ]}

การผลิต

องค์ประกอบหลักของ CFRP คือเส้นใยคาร์บอนซึ่งผลิตจากพอลิเมอร์ ตั้งต้น เช่นโพลีอะคริโลไนไตรล์ (PAN) เรยอนหรือปิโตรเลียมพิทช์สำหรับพอลิเมอร์สังเคราะห์ เช่น PAN หรือเรยอน จะต้องนำพอ ลิเมอร์ ตั้งต้นมาปั่นเป็นเส้นใยก่อน โดยใช้กระบวนการทางเคมีและกลไกเพื่อจัดเรียงโซ่พอลิเมอร์ในเบื้องต้น เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางกายภาพขั้นสุดท้ายของเส้นใยคาร์บอนที่เสร็จสมบูรณ์ องค์ประกอบของพอลิเมอร์ตั้งต้นและกระบวนการทางกลที่ใช้ในระหว่างการปั่นเส้นใยอาจแตกต่างกันไปในแต่ละผู้ผลิต หลังจากดึงหรือปั่นแล้ว เส้นใยพอลิเมอร์จะถูกให้ความร้อนเพื่อขับไล่อะตอมที่ไม่ใช่คาร์บอนออกไป ( คาร์บอนไนเซชัน ) ทำให้ได้เส้นใยคาร์บอนขั้นสุดท้าย เส้นใยคาร์บอนอาจได้รับการบำบัดเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติในการใช้งาน จากนั้นจึงม้วนลงบนแกนม้วน [ ^{16 ] จาก}เส้นใยเหล่านี้ จะสร้างแผ่นแบบทิศทางเดียวขึ้น แผ่นเหล่านี้จะถูกวางซ้อนกันในลักษณะกึ่งไอโซโทรปิก เช่น 0°, +60° หรือ −60° สัมพันธ์กัน

จากเส้นใยพื้นฐาน สามารถสร้างแผ่นทอแบบสองทิศทางได้ เช่น ผ้าทวิลที่มีการทอแบบ 2/2 กระบวนการผลิต CFRP ส่วนใหญ่จะแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับชิ้นส่วนที่กำลังสร้าง การตกแต่ง (ความมันเงาภายนอก) ที่ต้องการ และจำนวนชิ้นส่วนที่จะผลิต นอกจากนี้ การเลือกเมทริกซ์ยังสามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติของวัสดุคอมโพสิตที่เสร็จสมบูรณ์^{[ 17 ]}

ชิ้นส่วน CFRP จำนวนมากถูกสร้างขึ้นโดยใช้ผ้าคาร์บอนชั้นเดียวที่รองด้วยใยแก้ว^{[ 18 ]}ใช้เครื่องมือที่เรียกว่าปืนตัด (chopper gun) เพื่อสร้างชิ้นส่วนคอมโพสิตเหล่านี้อย่างรวดเร็ว เมื่อสร้างเปลือกบางๆ จากใยคาร์บอนแล้ว ปืนตัดจะตัดม้วนใยแก้วเป็นชิ้นสั้นๆ และพ่นเรซินไปพร้อมกัน เพื่อให้ใยแก้วและเรซินผสมกันในทันที^{[ 19 ]}เรซินอาจเป็นการผสมภายนอก ซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาและเรซินจะถูกพ่นแยกกัน หรือเป็นการผสมภายใน ซึ่งต้องทำความสะอาดหลังการใช้งานทุกครั้ง วิธีการผลิตอาจรวมถึงสิ่งต่อไปนี้:

การขึ้นรูป

วิธีหนึ่งในการผลิตชิ้นส่วน CFRP คือการวางแผ่นผ้าใยคาร์บอนซ้อนกันในแม่พิมพ์ที่มีรูปร่างตามผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย การจัดเรียงและการทอของเส้นใยผ้าจะถูกเลือกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของคุณสมบัติความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุที่ได้ แม่พิมพ์จะถูกเติมด้วยอีพ็อกซีและให้ความร้อนหรืออบแห้งด้วยอากาศ ชิ้นส่วนที่ได้จะมีคุณสมบัติทนต่อการกัดกร่อน แข็ง และแข็งแรงเมื่อเทียบกับน้ำหนัก ชิ้นส่วนที่ใช้ในบริเวณที่ไม่สำคัญมากนักจะผลิตโดยการคลุมผ้าลงบนแม่พิมพ์ โดยอีพ็อกซีอาจจะถูกอัดเข้าไปในเส้นใยก่อน (หรือที่เรียกว่าpre-preg ) หรือ "ทา" ทับลงไป ชิ้นส่วนประสิทธิภาพสูงที่ใช้แม่พิมพ์เดี่ยว มักจะถูกบรรจุในถุงสุญญากาศและ/หรือ อบด้วย เครื่องออโตเคลฟเนื่องจากแม้แต่ฟองอากาศเล็กๆ ในวัสดุก็จะลดความแข็งแรงลง ทางเลือกอื่นนอกเหนือจากวิธีการอบด้วยเครื่องออโตเคลฟคือการใช้แรงดันภายในผ่านถุงลมที่พองตัวได้หรือโฟม EPSภายในใยคาร์บอนที่วางซ้อนกันโดยไม่ผ่านการอบ

ถุงสุญญากาศ

สำหรับชิ้นงานที่ไม่ซับซ้อนซึ่งต้องการจำนวนสำเนาค่อนข้างน้อย (หนึ่งหรือสองชิ้นต่อวัน) สามารถใช้ถุงสุญญากาศ ได้ โดยขัดและเคลือบแม่พิมพ์ไฟเบอร์กลาส คาร์บอนไฟเบอร์ หรืออะลูมิเนียม แล้วทา สารกันติดก่อนที่จะใส่ผ้าและเรซินลงไป จากนั้นจึงดูดอากาศออกและตั้งทิ้งไว้เพื่อให้ชิ้นงานแข็งตัว มีสามวิธีในการทาเรซินลงบนผ้าในแม่พิมพ์สุญญากาศ

วิธีแรกเป็นวิธีการทำด้วยมือ เรียกว่าการวางแบบเปียก โดยนำเรซินสองส่วนมาผสมและทาลงในแม่พิมพ์ก่อนที่จะนำไปวางในแม่พิมพ์แล้วใส่ในถุง

วิธีที่สองเรียกว่าการอัดฉีด โดยนำผ้าแห้งและแม่พิมพ์ใส่ไว้ในถุง แล้วใช้ระบบสุญญากาศดูดเรซินผ่านท่อขนาดเล็กเข้าไปในถุง จากนั้นผ่านท่อที่มีรูหรือวัสดุที่คล้ายกันเพื่อกระจายเรซินให้ทั่วผ้าอย่างสม่ำเสมอ ทั้งสองวิธีข้างต้นต้องใช้ฝีมือในการเกลี่ยเรซินให้ทั่วถึงเพื่อให้ได้พื้นผิวที่เงางามและมีรูเล็กๆ จำนวนมาก

วิธีการสร้างวัสดุคอมโพสิตแบบที่สามเรียกว่าการวางแบบแห้ง (Dry Layup) ในวิธีนี้ วัสดุคาร์บอนไฟเบอร์จะถูกชุบด้วยเรซินแล้ว (Pre-preg) และนำไปวางบนแม่พิมพ์ในลักษณะเดียวกับฟิล์มกาว จากนั้นจึงนำไปวางในสภาวะสุญญากาศเพื่อทำการบ่ม วิธีการวางแบบแห้งนี้มีปริมาณของเสียจากเรซินน้อยที่สุดและสามารถสร้างชิ้นงานที่มีน้ำหนักเบากว่าวิธีการวางแบบเปียก (Wet Layup) นอกจากนี้ เนื่องจากเรซินปริมาณมากจะกำจัดออกได้ยากกว่าในวิธีการวางแบบเปียก ชิ้นส่วน Pre-preg จึงมักมีรูพรุนน้อยกว่า การกำจัดรูพรุนโดยใช้เรซินปริมาณน้อยมักต้องใช้ แรงดัน ในเครื่องออโตเคลฟเพื่อไล่ก๊าซที่ตกค้างออกไป

การขึ้นรูปด้วยการอัด

วิธีการที่รวดเร็วกว่าคือการใช้แม่พิมพ์อัดขึ้นรูปหรือที่รู้จักกันทั่วไปว่าการตีขึ้นรูปคาร์บอนไฟเบอร์ แม่พิมพ์นี้เป็นแบบสองชิ้น (ตัวผู้และตัวเมีย) หรือหลายชิ้น โดยปกติทำจากอะลูมิเนียมหรือเหล็ก และล่าสุดทำจากพลาสติกพิมพ์ 3 มิติ ส่วนประกอบของแม่พิมพ์จะถูกอัดเข้าด้วยกัน โดยมีเส้นใยและเรซินบรรจุอยู่ในช่องด้านใน ซึ่งในที่สุดจะกลายเป็นชิ้นส่วนที่ต้องการ ข้อดีคือความเร็วของกระบวนการทั้งหมด ผู้ผลิตรถยนต์บางราย เช่น BMW อ้างว่าสามารถผลิตชิ้นส่วนใหม่ได้ทุกๆ 80 วินาที เทคนิคนี้ส่งผลให้ชิ้นส่วนมีความแข็งแรงจำกัดหรือแปรผันได้ เนื่องจากไม่สามารถควบคุมทิศทางของเส้นใยได้เหมือนกับวิธีการอื่นๆ

การพันเส้นใย

สำหรับรูปทรงที่ยากหรือซับซ้อนสามารถใช้เครื่องพันเส้นใย ในการผลิตชิ้นส่วน CFRP โดยการพันเส้นใยรอบแกนหรือตัวขึ้นรูปได้

การตัด

วัสดุคอมโพ สิตคาร์บอนไฟเบอร์เสริมแรงแบบพรีเพรกและสิ่งทอคาร์บอนไฟเบอร์แบบแห้ง จำเป็นต้องใช้วิธีการตัดที่แม่นยำเพื่อรักษาความสมบูรณ์ของวัสดุและลดข้อบกพร่อง เช่น การหลุดลอกของเส้นใย การแยกชั้นและการแตกของขอบตัด ระบบตัดดิจิทัล CNC ที่ติดตั้งระบบลากและระบบสั่น มักใช้ในการตัดพรีเพรกคาร์บอนไฟเบอร์ และมีดหมุนมักใช้ในการแปรรูปผ้าคาร์บอนไฟเบอร์ การตัดด้วยคลื่น อัลตราโซนิคเป็นอีกวิธีหนึ่งในการตัดพรีเพรก CFRP และมีประสิทธิภาพเป็นพิเศษในการลดการแยกชั้นโดยการลดความเครียดทางกลระหว่างกระบวนการตัด การตัดด้วยน้ำแรงดันสูง อาจเป็นวิธีที่เหมาะสมสำหรับ วัสดุคอม โพสิตพอลิเมอ ร์ที่หนาและหลายชั้น

แอปพลิเคชัน

การใช้งาน CFRP ได้แก่:

วิศวกรรมการบินและอวกาศ

เครื่องบินแอร์บัส A350 XWBประกอบด้วย CFRP 53% ^{[ 20 ]}รวมถึงส่วนประกอบปีกและลำตัวเครื่องบิน ซึ่งแซงหน้าเครื่องบินโบอิ้ง 787 ดรีมไลเนอร์ ในด้านอัตราส่วนน้ำหนักของ CFRP ที่สูงที่สุดที่ 50% ^{[ 21 ]}นับเป็นเครื่องบินพาณิชย์ลำแรกๆ ที่มีปีกทำจากวัสดุคอมโพสิต ส่วนเครื่องบินแอร์บัส A380ก็เป็นเครื่องบินโดยสารพาณิชย์ลำแรกๆ ที่มีกล่องปีกส่วนกลางทำจาก CFRP และเป็นลำแรกที่มีหน้าตัดปีกที่โค้งมนอย่างต่อเนื่อง แทนที่จะแบ่งเป็นส่วนๆ ตามแนวยาว หน้าตัดที่ต่อเนื่องและลื่นไหลนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ให้เหมาะสมที่สุด ยิ่งไปกว่านั้น ขอบท้ายปีก รวมถึงผนังกั้นด้านหลัง หางและลำตัวเครื่องบินส่วนที่ไม่ได้รับแรงดัน ก็ทำจาก CFRP เช่นกัน^[²²^]

อย่างไรก็ตาม ความล่าช้าทำให้กำหนดส่งมอบคำสั่งซื้อเลื่อนออกไปเนื่องจากปัญหาในการผลิต เครื่องบินหลายลำที่ใช้ CFRP ประสบปัญหาความล่าช้าในการส่งมอบเนื่องจากกระบวนการที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วน CFRP ค่อนข้างใหม่ ในขณะที่โครงสร้างโลหะเป็นที่เข้าใจได้ดีกว่า ปัญหาที่เกิดขึ้นซ้ำๆ คือการตรวจสอบการเสื่อมสภาพของโครงสร้าง ซึ่งต้องใช้วิธีการใหม่ เนื่องจากลักษณะเฉพาะของ CFRP ที่เป็นวัสดุหลายชนิดและไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ^{[ 23 ]}^{[ 24 ]}^{[ 25 ]}^{[ 26 ]}

ในปี พ.ศ. 2511 ^ชุดพัดลมคาร์บอนไฟเบอร์Hyfil ถูกนำมาใช้งานในเครื่องบิน Rolls-Royce ConwaysของVickers VC10ที่ดำเนินการโดยBOAC [ ^{27 ]}

บริษัท Scaled Compositesผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบและผลิตอากาศยานได้นำวัสดุ CFRP มาใช้ในงานออกแบบอย่างกว้างขวาง รวมถึงยานอวกาศส่วนตัวลำแรกที่มีลูกเรืออย่างSpaceship One ด้วย วัสดุ CFRP ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในยานบินขนาดเล็ก (MAV) เนื่องจากมีอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง

จากนั้นแอร์บัสจึงหันมาใช้พอลิเมอร์เทอร์โมพลาสติกเสริมใยคาร์บอน (CFRTP) เนื่องจากสามารถขึ้นรูปและแปรรูปใหม่ได้หลังจากการขึ้นรูป สามารถผลิตได้เร็วขึ้น มีความต้านทานแรงกระแทกสูงกว่า สามารถรีไซเคิลและขึ้นรูปใหม่ได้ และมีต้นทุนการผลิตที่ต่ำกว่า^{[ 28 ]}

วิศวกรรมยานยนต์

รถยนต์ Citroën SMที่ชนะการแข่งขันแรลลี่โมร็อกโก ปี 1971 โดยใช้ล้อคาร์บอนไฟเบอร์

แม็คลาเรน เอฟ1ปี 1996 – รถคันแรกที่มีตัวถังทำจากคาร์บอนไฟเบอร์

McLaren MP4 (MP4/1) รถแข่ง F1 คันแรกที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์

CFRP ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการแข่งขันรถยนต์ระดับไฮเอนด์^{[ 29 ]}ต้นทุนที่สูงของคาร์บอนไฟเบอร์ได้รับการชดเชยด้วยอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่เหนือกว่าของวัสดุ และน้ำหนักที่เบาเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการแข่งขันรถยนต์สมรรถนะสูง ผู้ผลิตรถแข่งยังได้พัฒนาวิธีการเพื่อให้ชิ้นส่วนคาร์บอนไฟเบอร์มีความแข็งแรงในทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ทำให้แข็งแรงในทิศทางที่รับน้ำหนัก แต่จะอ่อนแอในทิศทางที่รับน้ำหนักน้อยหรือไม่รับน้ำหนักเลย ในทางกลับกัน ผู้ผลิตได้พัฒนาการทอคาร์บอนไฟเบอร์แบบรอบทิศทางที่ให้ความแข็งแรงในทุกทิศทาง การประกอบคาร์บอนไฟเบอร์ประเภทนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดใน การประกอบแชสซี แบบโมโนค็อก "เซลล์ความปลอดภัย" ของรถแข่งสมรรถนะสูง แชสซีแบบโมโนค็อกคาร์บอนไฟเบอร์ตัวแรกถูกนำมาใช้ในฟอร์มูล่าวันโดยแม็คลาเรนในฤดูกาล 1981 ออกแบบโดยจอห์น บาร์นาร์ดและถูกลอกเลียนแบบอย่างกว้างขวางในฤดูกาลต่อๆ มาโดยทีม F1 อื่นๆ เนื่องจากความแข็งแกร่งที่เพิ่มขึ้นให้กับแชสซีของรถ^{[ 30 ]}

รถซูเปอร์คาร์หลายคันในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาได้นำ CFRP มาใช้ในการผลิตอย่างกว้างขวาง โดยใช้สำหรับแชสซีแบบโมโนค็อกรวมถึงส่วนประกอบอื่นๆ^{[ 31 ]}ย้อนกลับไปในปี 1971 Citroën SMได้นำเสนอล้อคาร์บอนไฟเบอร์น้ำหนักเบาเป็นตัวเลือกเสริม^{[ 32 ]}^{[ 33 ]}

ผู้ผลิตรายย่อยนิยมนำวัสดุนี้มาใช้มากขึ้น โดยส่วนใหญ่ใช้ในการผลิตแผงตัวถังสำหรับรถยนต์ระดับไฮเอนด์บางรุ่น เนื่องจากมีความแข็งแรงสูงขึ้นและน้ำหนักเบาลงเมื่อเทียบกับโพลิเมอร์เสริมใยแก้วที่พวกเขาใช้ในผลิตภัณฑ์ส่วนใหญ่

วิศวกรรมโยธา

วัสดุ CFRP ได้กลายเป็นวัสดุที่โดดเด่นใน งาน วิศวกรรมโครงสร้างมีการศึกษาถึงประโยชน์ที่เป็นไปได้ในงานก่อสร้างในเชิงวิชาการ นอกจากนี้ CFRP ยังพิสูจน์แล้วว่าคุ้มค่าในหลายๆ ด้าน ช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับโครงสร้างคอนกรีต ก่ออิฐ เหล็ก เหล็กหล่อ และไม้ การใช้งานในอุตสาหกรรมสามารถทำได้ทั้งการปรับปรุงโครงสร้างที่มีอยู่ให้แข็งแรงขึ้น หรือใช้เป็นวัสดุเสริมแรง (หรือวัสดุอัดแรง) ทางเลือกแทนเหล็กตั้งแต่เริ่มต้นโครงการ

การปรับปรุงโครงสร้างได้กลายเป็นการใช้งานวัสดุนี้ที่โดดเด่นมากขึ้นเรื่อยๆ ในงานวิศวกรรมโยธา และการใช้งานต่างๆ ได้แก่ การเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักของโครงสร้างเก่า (เช่น สะพาน คาน เพดาน เสา และผนัง) ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับน้ำหนักใช้งานที่ต่ำกว่าที่รับอยู่ในปัจจุบัน การปรับปรุงโครงสร้างเพื่อต้านทานแผ่นดินไหว และการซ่อมแซมโครงสร้างที่เสียหาย การปรับปรุงโครงสร้างเป็นที่นิยมในหลายกรณี เนื่องจากต้นทุนในการเปลี่ยนโครงสร้างที่บกพร่องอาจสูงกว่าต้นทุนในการเสริมความแข็งแรงโดยใช้ CFRP มาก^{[ 34 ]}

เมื่อนำไปใช้กับโครงสร้างคอนกรีตเสริมเหล็กเพื่อรับแรงดัด การใช้ CFRP มักส่งผลกระทบอย่างมากต่อความแข็งแรง (การเพิ่มความแข็งแรงเป็นสองเท่าหรือมากกว่านั้นไม่ใช่เรื่องแปลก) แต่จะเพิ่มความแข็งแง เพียงปานกลาง (เพียง 10%) ทั้งนี้เนื่องจากวัสดุที่ใช้ในงานดังกล่าวโดยทั่วไปมีความแข็งแรงมาก (เช่นความแข็งแรงดึง สูงสุด 3 GPa มากกว่าเหล็กกล้าอ่อน 10 เท่า) แต่ไม่แข็งแงมากนัก (โมดูลัสความยืดหยุ่น 150 ถึง 250 GPa น้อยกว่าเหล็กเล็กน้อย เป็นเรื่องปกติ) ดังนั้นจึงใช้พื้นที่หน้าตัดของวัสดุเพียงเล็กน้อยเท่านั้น พื้นที่ขนาดเล็กของวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงมากแต่ความแข็งแงปานกลางจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงได้อย่างมาก แต่ไม่เพิ่มความแข็งแง

วัสดุ CFRP ยังสามารถใช้เพื่อเพิ่มความแข็งแรงในการรับแรงเฉือนของคอนกรีตเสริมเหล็กได้ โดยการห่อผ้าหรือเส้นใยรอบส่วนที่ต้องการเสริมความแข็งแรง การห่อรอบส่วนต่างๆ (เช่น เสาของสะพานหรืออาคาร) ยังสามารถเพิ่มความยืดหยุ่นของส่วนนั้นได้อย่างมาก ทำให้ความต้านทานต่อการพังทลายภายใต้แรงกระทำแบบไดนามิกเพิ่มขึ้นอย่างมาก การเสริมความแข็งแรงเพื่อต้านทานแผ่นดินไหวในลักษณะนี้เป็นวิธีการประยุกต์ใช้หลักในพื้นที่เสี่ยงแผ่นดินไหว เนื่องจากมีต้นทุนที่ประหยัดกว่าวิธีการอื่นๆ มาก

หากเสาเป็นทรงกลม (หรือเกือบกลม) การหุ้มด้วยวัสดุเสริมแรง CFRP จะช่วยเพิ่มความสามารถในการรับแรงตามแนวแกนได้ ในการใช้งานนี้ การหุ้มด้วย CFRP จะช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการรับแรงอัดของคอนกรีต อย่างไรก็ตาม แม้ว่าจะได้ค่ารับน้ำหนักสูงสุดก่อนการพังทลายเพิ่มขึ้นมาก แต่คอนกรีตจะแตกร้าวได้ที่น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าการใช้งานแบบนี้จะใช้เพียงบางครั้งเท่านั้น CFRP ที่มีค่าโมดูลัสสูงมาก (ค่าโมดูลัสแรงดึง 420 GPa หรือมากกว่า) เป็นหนึ่งในไม่กี่วิธีที่ใช้ได้จริงในการเสริมความแข็งแรงให้ กับคาน เหล็กหล่อในการใช้งานทั่วไป จะมีการยึดติดกับปีกรับแรงดึงของหน้าตัด ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งของหน้าตัดและลดแกนกลาง ลง ทำให้ลดความเค้นดึงสูงสุดในเหล็กหล่อได้อย่างมาก

ในสหรัฐอเมริกา ท่อ คอนกรีตอัดแรงทรงกระบอก (PCCP) คิดเป็นสัดส่วนส่วนใหญ่ของท่อส่งน้ำหลัก เนื่องจากมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ ความเสียหายของ PCCP มักจะร้ายแรงและส่งผลกระทบต่อประชากรจำนวนมากมีการติดตั้ง PCCP ประมาณ 19,000 ไมล์ (31,000 กม.) ระหว่างปี 1940 ถึง 2006 การกัดกร่อนในรูปแบบของการเปราะตัวเนื่องจากไฮโดรเจนถูกกล่าวหาว่าเป็นสาเหตุของการเสื่อมสภาพอย่างค่อยเป็นค่อยไปของลวดอัดแรงในท่อ PCCP จำนวนมาก ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา มีการใช้ CFRP ในการบุภายใน PCCP ส่งผลให้เกิดระบบเสริมความแข็งแรงของโครงสร้างอย่างสมบูรณ์ ภายในท่อ PCCP ซับใน CFRP ทำหน้าที่เป็นกำแพงกั้นที่ควบคุมระดับความเครียดที่กระบอกเหล็กได้รับในท่อหลัก ซับในแบบคอมโพสิตช่วยให้กระบอกเหล็กทำงานได้ภายในช่วงยืดหยุ่น เพื่อให้มั่นใจได้ว่าประสิทธิภาพในระยะยาวของท่อส่งจะได้รับการรักษาไว้ การออกแบบซับใน CFRP ขึ้นอยู่กับความเข้ากันได้ของความเครียดระหว่างซับในและท่อหลัก^[³⁵^]

วัสดุ CFRP มีราคาสูงกว่าวัสดุที่ใช้กันทั่วไปในอุตสาหกรรมการก่อสร้าง เช่นโพลีเมอร์เสริมใยแก้ว (GFRP) และโพลีเมอร์เสริมใยอะรามิด (AFRP) แม้ว่าโดยทั่วไปแล้ว CFRP จะได้รับการยกย่องว่ามีคุณสมบัติที่เหนือกว่าก็ตาม ยังคงมีการวิจัยมากมายเกี่ยวกับการใช้ CFRP ทั้งในด้านการปรับปรุงโครงสร้างและการใช้เป็นวัสดุเสริมแรงหรือวัสดุอัดแรงทดแทนเหล็ก ต้นทุนยังคงเป็นปัญหา และ คำถามเกี่ยว กับความทนทาน ในระยะยาว ก็ยังคงมีอยู่ บางคนกังวลเกี่ยวกับ ลักษณะ ที่เปราะบางของ CFRP ซึ่งแตกต่างจากความยืดหยุ่นของเหล็ก แม้ว่าสถาบันต่างๆ เช่นสถาบันคอนกรีตแห่งอเมริกา (American Concrete Institute) จะได้ร่างมาตรฐานการออกแบบไว้แล้ว แต่ก็ยังคงมีความลังเลใจในหมู่วิศวกรเกี่ยวกับการนำวัสดุทางเลือกเหล่านี้มาใช้ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะขาดมาตรฐานและลักษณะที่เป็นกรรมสิทธิ์ของส่วนผสมของเส้นใยและเรซินในท้องตลาด

ไมโครอิเล็กโทรดคาร์บอนไฟเบอร์

เส้นใยคาร์บอนใช้ในการผลิตไมโครอิเล็กโทรด เส้นใยคาร์บอน ในการใช้งานนี้โดยทั่วไปจะใช้เส้นใยคาร์บอนเส้นเดียวที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 5–7 μm ปิดผนึกในหลอดแก้ว^{[ 36 ]}ที่ปลายหลอดแก้วจะถูกปิดผนึกด้วยอีพ็อกซีและขัดเงาเพื่อสร้างไมโครอิเล็กโทรดแบบแผ่นดิสก์เส้นใยคาร์บอน หรือเส้นใยจะถูกตัดให้มีความยาว 75–150 μm เพื่อสร้างอิเล็กโทรดทรงกระบอกเส้นใยคาร์บอน ไมโครอิเล็กโทรดเส้นใยคาร์บอนใช้ในแอมเพอโรเมตรีหรือโวลแทมเมตรีแบบวงจรสแกนเร็วสำหรับการตรวจจับสัญญาณทางชีวเคมี

สินค้ากีฬา

ปัจจุบัน CFRP ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์กีฬา เช่น ไม้แร็กเก็ตสำหรับเล่นสควอช เทนนิส และแบดมินตัน รวม ถึงเสาสำหรับว่าว กีฬาก้านลูกศรคุณภาพสูง ไม้ฮอกกี้ คันเบ็ด ตก ปลากระดานโต้คลื่น ครีบว่ายน้ำคุณภาพสูง และเรือ พาย นักกีฬาที่พิการขา เช่นจอนนี่ พีค็อกใช้ใบมีดคาร์บอนไฟเบอร์ในการวิ่ง นอกจากนี้ยังใช้เป็นแผ่นรองใน รองเท้า บาสเก็ตบอล บางรุ่น เพื่อช่วยให้เท้ามีความมั่นคง โดยปกติจะวางตามแนวยาวของรองเท้าเหนือพื้นรองเท้าและปล่อยให้เห็นบางส่วน โดยเฉพาะบริเวณส่วนโค้งของเท้า

เป็นที่ถกเถียงกันในปี 2549 มีการนำไม้คริกเก็ตที่มีชั้นคาร์บอนไฟเบอร์บางๆ ที่ด้านหลังมาใช้ในการแข่งขันโดยผู้เล่นที่มีชื่อเสียง เช่นริกกี้ ปอนติงและไมเคิล ฮัสซีย์ มีการอ้างว่าคาร์บอนไฟเบอร์ช่วยเพิ่มความทนทานของไม้คริกเก็ตเท่านั้น แต่ถูก ICCสั่งห้ามใช้ในการแข่งขันระดับเฟิร์สคลาสทั้งหมดในปี 2550 ^{[ 37 ]}

เฟรมจักรยาน CFRP มีน้ำหนักเบากว่าเฟรมเหล็ก อลูมิเนียม หรือไทเทเนียมที่มีความแข็งแรงเท่ากัน ประเภทและทิศทางการทอของเส้นใยคาร์บอนสามารถออกแบบเพื่อเพิ่มความแข็งแกร่งในทิศทางที่ต้องการได้สูงสุด เฟรมสามารถปรับแต่งให้เหมาะสมกับสไตล์การขี่ที่แตกต่างกันได้ เช่น การแข่งขันสปรินต์ต้องการเฟรมที่แข็งแรงกว่า ในขณะที่การแข่งขันระยะไกลอาจต้องการเฟรมที่ยืดหยุ่นกว่าเพื่อความสบายของผู้ขี่ในระยะเวลานาน^{[ 38 ]}รูปทรงที่หลากหลายที่สามารถสร้างได้นั้นช่วยเพิ่มความแข็งแกร่งและยังช่วยให้ส่วนท่อมี ลักษณะ ตามหลักอากาศพลศาสตร์ ตะเกียบ CFRP รวมถึง มงกุฎตะเกียบและแกนบังคับเลี้ยว แฮนด์บาร์หลักอานและขาจานกำลังเป็นที่นิยมมากขึ้นในจักรยานราคากลางและสูงกว่าขอบล้อ CFRP ยังคงมีราคาแพง แต่ความเสถียรเมื่อเทียบกับอลูมิเนียมช่วยลดความจำเป็นในการปรับล้อให้ตรง และมวลที่ลดลงช่วยลดโมเมนต์ความเฉื่อยของล้อ ซี่ล้อ CFRP นั้นหายาก และชุดล้อคาร์บอนส่วนใหญ่ยังคงใช้ซี่ล้อสแตนเลสแบบดั้งเดิม นอกจากนี้ CFRP ยังปรากฏมากขึ้นในส่วนประกอบอื่นๆ เช่น ชิ้นส่วนตีนผี คันเบรกและคันเกียร์ ตัวยึดเฟืองคาสเซ็ตต์ ข้อต่อระบบกันสะเทือน จานเบรก แป้นเหยียบ พื้นรองเท้า และรางอาน แม้ว่าจะแข็งแรงและเบา แต่การกระแทก การขันแน่นเกินไป หรือการติดตั้งชิ้นส่วน CFRP ที่ไม่เหมาะสม ส่งผลให้เกิดการแตกร้าวและความเสียหาย ซึ่งอาจซ่อมแซมได้ยากหรือเป็นไปไม่ได้^{[ 39 ]}^{[ 40 ]}

แอปพลิเคชันอื่นๆ

รองเท้าส้นสูงแบบคานยื่นรุ่น*Strada จาก* Pol Quadens

ความต้านทานไฟของพอลิเมอร์และคอมโพสิตเทอร์โมเซตจะดีขึ้นอย่างมากหากมีการขึ้นรูปชั้นบางๆ ของเส้นใยคาร์บอนไว้ใกล้พื้นผิว เนื่องจากชั้นเส้นใยคาร์บอนที่หนาแน่นและกะทัดรัดจะสะท้อนความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ^{[ 41 ]}

ปัจจุบันมีการนำ CFRP มาใช้ในผลิตภัณฑ์ระดับไฮเอนด์จำนวนมากขึ้นเรื่อยๆ ซึ่งต้องการความแข็งแรงและน้ำหนักเบา ตัวอย่างเช่น:

เครื่องดนตรีต่างๆ ได้แก่ คันชักไวโอลิน ปิ๊กกีตาร์ คอกีตาร์ (ที่ติดตั้งแกนคาร์บอนไฟเบอร์) แผ่นกันรอย /แผ่นกันรอยขีดข่วน ตัวกลอง ท่อเป่าปี่สก็อต กลไกเปียโน และเครื่องดนตรีทั้งชิ้น เช่น เชลโล วิโอลา และไวโอลินที่ทำจากคาร์บอนไฟเบอร์ กีตาร์อะคูสติก และอูคูเลเล รวมถึงชิ้นส่วนเครื่องเสียง เช่น เครื่องเล่นแผ่นเสียงและลำโพง
อาวุธปืนใช้วัสดุนี้แทนชิ้นส่วนโลหะ ไม้ และไฟเบอร์กลาสบางส่วน แต่ชิ้นส่วนภายในหลายชิ้นยังคงจำกัดอยู่ที่โลหะผสม เนื่องจากพลาสติกเสริมแรงในปัจจุบันไม่เหมาะสม
ตัวถังโดรนประสิทธิภาพสูง และชิ้นส่วนอื่นๆ สำหรับยานพาหนะและอากาศยานบังคับวิทยุ เช่น ใบพัดเฮลิคอปเตอร์
เสาที่มีน้ำหนักเบา เช่น ขาตั้งกล้อง เสาเต็นท์ คันเบ็ดตกปลา ไม้คิวบิลเลียด ไม้เท้า และเสาที่ใช้สำหรับเอื้อมถึงที่สูง เช่น เสาสำหรับทำความสะอาดกระจก
ในทางทันตกรรมเสาคาร์บอนไฟเบอร์ถูกนำมาใช้ในการบูรณะฟันที่ได้รับการรักษารากฟันแล้ว
โบกี้รถไฟแบบมีรางสำหรับบริการผู้โดยสาร ซึ่งช่วยลดน้ำหนักได้ถึง 50% เมื่อเทียบกับโบกี้โลหะ ซึ่งส่งผลให้ประหยัดพลังงาน^{[ 42 ]}
เคสแล็ปท็อปและเคสประสิทธิภาพสูงอื่นๆ
ผ้าทอคาร์บอน^{[ 43 ]}^{[ 44 ]}
อุปกรณ์ยิงธนู: ลูกธนูและลูกดอกคาร์บอนไฟเบอร์, ด้ามธนู (สำหรับหน้าไม้) และส่วนยกธนู (สำหรับธนูตั้งตรง) และรางสำหรับติดตั้งอุปกรณ์
พลาสติกเสริมใยคาร์บอน (เส้นใยโพลีอะไมด์-คาร์บอน) ถูกนำมาใช้ เป็นเส้นใยสำหรับกระบวนการพิมพ์แบบจำลองการสะสมแบบหลอมเหลว 3 มิติ^{[ 45 ]}ในการผลิตเครื่องมือและชิ้นส่วนที่แข็งแรงแต่น้ำหนักเบา เนื่องจากมีความแข็งแรงและความยาวการฉีกขาดสูง^{[ 46 ]}
การซ่อมแซมท่อส่งน้ำระบบทำความร้อนส่วนกลาง โดยใช้วิธีCIPP

การกำจัดและการรีไซเคิล

หัวใจสำคัญของการรีไซเคิลพอลิเมอร์เสริมใยคือการรักษาสมบัติทางกลของวัสดุไว้ ในขณะเดียวกันก็ต้องสามารถนำทั้ง เมทริกซ์เทอร์ โมพลาสติกและเส้นใยเสริมแรงกลับมาใช้ใหม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ CFRP มีอายุการใช้งานยาวนานเมื่อได้รับการปกป้องจากแสงแดด เมื่อถึงเวลาต้องเลิกใช้ CFRP จะไม่สามารถหลอมละลายในอากาศได้เหมือนโลหะหลายชนิด เมื่อปราศจากไวนิล (PVC หรือโพลีไวนิลคลอไรด์ ) และพอลิเมอร์ที่มีฮาโลเจนอื่นๆ กระบวนการรีไซเคิล CFRP สามารถแบ่งออกเป็น 4 วิธีหลัก ได้แก่ วิธีทางกล วิธีทางความร้อนวิธีทางเคมี และวิธีทางชีวภาพ แต่ละวิธีมีข้อดีที่แตกต่างกันในแง่ของการนำวัสดุหรือพลังงานกลับมาใช้ใหม่ซึ่งมีส่วนช่วยใน ความพยายาม ด้านความยั่งยืนในการจัดการขยะคอมโพสิต

กระบวนการ	การกู้คืนเมทริกซ์	การกู้คืนเส้นใย	การเสื่อมสภาพของคุณสมบัติทางกล	ข้อดี/ข้อเสีย
เครื่องกล	X	X	X	+ไม่ใช้สารเคมีอันตราย +ไม่มีการปล่อยก๊าซเรือนกระจก +ใช้พลังงานราคาถูก +สามารถรีไซเคิลได้ในปริมาณมาก -การยึดเกาะระหว่างเส้นใย/เมทริกซ์ไม่ดี -เส้นใยอาจทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์
เคมี		X		+เส้นใยยาวและสะอาด +คงคุณสมบัติเชิงกล +บางครั้งมีการคืนตัวของเมทริกซ์สูง -อุปกรณ์ราคาแพง -อาจมีการใช้ตัวทำละลายที่เป็นอันตราย
ความร้อน		X	X	+รักษาความยาวของเส้นใย +ไม่ใช้สารเคมีอันตราย +คุณสมบัติเชิงกลดีกว่าวิธีการเชิงกล +เมทริกซ์ที่ใช้ในการผลิตพลังงาน -คุณสมบัติของเส้นใยที่ได้คืนมานั้นได้รับอิทธิพลอย่างมากจากพารามิเตอร์ของกระบวนการ -บางกระบวนการไม่มีการนำวัสดุพื้นฐานกลับมาใช้ใหม่เลย

การรีไซเคิลเชิงกล

กระบวนการเชิงกลส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการบดซึ่งจะบดวัสดุคอมโพสิตให้เป็นผงละเอียดและวัสดุเสริมแรงที่เป็นเส้นใย วิธีนี้มุ่งเน้นไปที่การกู้คืนวัสดุเทอร์โมพลาสติกและวัสดุตัวเติม อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ทำให้เส้นใยสั้นลงอย่างมาก เช่นเดียวกับ กระดาษ ที่นำกลับมาใช้ใหม่เส้นใยที่สั้นลงทำให้วัสดุรีไซเคิลอ่อนแอกว่าวัสดุเดิม ยังคงมีการใช้งานในอุตสาหกรรมอีกมากมายที่ไม่ต้องการความแข็งแรงของการเสริมแรงด้วยเส้นใยคาร์บอนแบบเต็มความยาว ตัวอย่างเช่น เส้นใยคาร์บอนที่นำกลับมาใช้ใหม่ที่ถูกสับละเอียดสามารถใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค เช่น แล็ปท็อป มันให้การเสริมแรงที่ดีเยี่ยมแก่โพลิเมอร์ที่ใช้ แม้ว่าจะขาดอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักของชิ้นส่วนอากาศยานก็ตาม^{[ 47 ]}

การแตกตัวด้วยไฟฟ้า

วิธีนี้ประกอบด้วยการบด CFRP ด้วยการปล่อยประจุไฟฟ้า แบบพัลส์ เดิมทีพัฒนาขึ้นเพื่อสกัดผลึกและอัญมณีจากหินในเหมืองแร่ ปัจจุบันคาดว่าจะพัฒนาเพื่อใช้กับวัสดุคอมโพสิต วัสดุจะถูกวางไว้ในภาชนะที่มีน้ำและอิเล็กโทรด สองตัว พัลส์ไฟฟ้าแรงสูงที่สร้างขึ้นระหว่างอิเล็กโทรด (50-200 kV) จะทำให้วัสดุแตกเป็นชิ้นเล็กๆ^{[ 48 ]}ข้อเสียของเทคนิคนี้คือพลังงานที่ใช้มากกว่าวิธีการทางกลถึง 2.6 เท่า ทำให้ไม่สามารถแข่งขันได้ในเชิงเศรษฐกิจในแง่ของการประหยัดพลังงานและจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติม

การรีไซเคิลความร้อน

กระบวนการทางความร้อนประกอบด้วยเทคนิคหลายอย่าง เช่นการเผา ไหม้ การสลายตัว ด้วยความร้อน การสลายตัวด้วยความร้อน การทำให้เป็นแก๊ส การประมวลผลแบบฟลูอิไดซ์เบด และ การใช้ประโยชน์ จากโรงงานซีเมนต์กระบวนการเหล่านี้หมายถึงการกู้คืนเส้นใยโดยการกำจัดเรซินโดยการระเหย ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์พลอยได้ เช่น แก๊ส ของเหลว หรือสารอนินทรีย์^{[ 49 ]}

การออกซิเดชันในเตาเผาแบบฟลูอิไดซ์เบด

เทคนิคนี้ประกอบด้วยการนำวัสดุคอมโพสิตไปสัมผัสกับกระแสอากาศร้อนและอุดมด้วยออกซิเจนซึ่งจะทำให้เกิดการเผาไหม้ ( 450–550 °C, 840–1,020 °F ) อุณหภูมิในการทำงานจะถูกเลือกตามลักษณะของเมทริกซ์ที่จะย่อยสลายเพื่อจำกัดความเสียหายของเส้นใย หลังจากขั้นตอนการบดให้มีขนาด 6-20 มม. แล้ว วัสดุคอมโพสิตจะถูกนำไปใส่ในทรายซิลิกาบนตะแกรงโลหะ ซึ่งเรซินจะย่อยสลายเป็นโมเลกุลออกซิไดซ์และเส้นใย ส่วนประกอบเหล่านี้จะถูกพัดพาไปกับกระแสอากาศ ในขณะที่อนุภาคที่หนักกว่าจะจมลงในชั้นทราย ข้อดีข้อนี้เป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับผลิตภัณฑ์ที่ปนเปื้อนเมื่อหมดอายุการใช้งาน เช่น ผลิตภัณฑ์ที่มีพื้นผิวทาสี แกนโฟมหรือส่วนประกอบโลหะเครื่องแยกแบบไซโคลนช่วยให้สามารถกู้คืนเส้นใยที่มีความยาวระหว่าง 5 ถึง 10 มม. และมีการปนเปื้อนน้อยมากได้ เมทริกซ์จะถูกออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ในเตาเผาตัวที่สองซึ่งทำงานที่อุณหภูมิประมาณ1,000 °C (1,850 °F)ส่งผลให้สามารถนำพลังงานกลับมาใช้ใหม่ได้และได้ก๊าซไอเสียที่สะอาด^[⁵⁰^]

การรีไซเคิลทางเคมี

การรีไซเคิลทางเคมีของ CFRP เกี่ยวข้องกับการใช้ตัวทำละลาย ที่ทำปฏิกิริยาได้ ที่อุณหภูมิต่ำ (ต่ำกว่า 350°C) เพื่อสลายเรซินในขณะที่ยังคงรักษาเส้นใยไว้เพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ ตัวทำละลายจะย่อยสลายเมทริกซ์ของคอมโพสิตให้เป็นชิ้นส่วนโมเลกุลขนาดเล็ก ( โอลิโกเมอร์ ) และขึ้นอยู่กับระบบตัวทำละลายที่เลือก พารามิเตอร์การประมวลผลต่างๆ เช่น อุณหภูมิ ความดัน และตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถปรับได้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการ ตัวทำละลาย ซึ่งมักจะผสมกับตัวทำละลายร่วมหรือตัวเร่งปฏิกิริยา จะแทรกซึมเข้าไปในคอมโพสิตและทำลายพันธะเคมีเฉพาะส่งผลให้ได้โมโนเมอร์ ที่กู้คืน จากเรซินและเส้นใยยาวที่สะอาดพร้อมคุณสมบัติทางกลที่ยังคงอยู่ อุณหภูมิและความดันที่ต้องการขึ้นอยู่กับชนิดของเรซิน โดยทั่วไป เรซินอีพ็อกซีต้องการอุณหภูมิสูงกว่าเรซินโพลีเอสเตอร์ ในบรรดาตัวกลางที่ทำปฏิกิริยาต่างๆ ที่ศึกษา น้ำเป็นตัวกลางที่ใช้กันมากที่สุดเนื่องจากมีประโยชน์ต่อสิ่งแวดล้อม เมื่อผสมกับ ตัวเร่งปฏิกิริยา ที่เป็นด่างจะสามารถย่อยสลายเรซินหลายชนิดได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในขณะที่ ตัวเร่งปฏิกิริยา ที่เป็นกรดจะใช้สำหรับพอลิเมอร์ที่ทนทานกว่า นอกจากนี้ ยังมีการศึกษา การใช้ตัวทำละลายอื่นๆ เช่นเอทานอลอะซิโตนและสารผสมของตัวทำละลายทั้งสองชนิดนี้ในกระบวนการดังกล่าวด้วย

แม้จะมีข้อดี แต่วิธีนี้ก็มีข้อจำกัดอยู่บ้าง ต้องใช้อุปกรณ์เฉพาะทางที่สามารถจัดการกับ ตัวทำละลายที่มีฤทธิ์ กัดกร่อนสารเคมีอันตราย และอุณหภูมิหรือความดันสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อทำงานภายใต้ สภาวะ วิกฤตยิ่งยวด แม้ว่าจะมีการวิจัยอย่างกว้างขวางในระดับห้องปฏิบัติการ แต่การนำไปใช้ในอุตสาหกรรมยังคงมีจำกัด โดยปัจจุบันเทคโนโลยีนี้มีระดับความพร้อมทางเทคโนโลยี (TRL) เพียง 4 สำหรับการรีไซเคิลเส้นใยคาร์บอน^{[ 51 ]}

กระบวนการละลาย

กระบวนการละลายเป็นวิธีการที่ใช้ในการกู้คืนทั้งเมทริกซ์พอลิเมอร์และเส้นใยจากวัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกโดยไม่ทำลายพันธะเคมีต่างจากโซลโวลีซิสซึ่งเกี่ยวข้องกับการเสื่อมสภาพทางเคมีของพอลิเมอร์ การละลายจะละลายโซ่พอลิเมอร์ลงในตัวทำละลาย ทำให้สามารถกู้คืนวัสดุในรูปแบบเดิมได้ การวิเคราะห์พลังงานของกระบวนการแสดงให้เห็นว่าการละลายตามด้วยการระเหยมีประสิทธิภาพด้านพลังงานมากกว่าการตกตะกอนนอกจากนี้ การหลีกเลี่ยงการตกตะกอนช่วยลดการสูญเสียพอลิเมอร์ ทำให้ประสิทธิภาพการกู้คืนวัสดุโดยรวมดีขึ้น วิธีนี้เป็นแนวทางที่น่าสนใจสำหรับการรีไซเคิลวัสดุคอมโพสิตเทอร์โมพลาสติกอย่างยั่งยืน^{[ 52 ]}

การรีไซเคิลทางชีวภาพ

กระบวนการทางชีวภาพ แม้ว่าจะยังอยู่ระหว่างการพัฒนา มุ่งเน้นไปที่การย่อยสลายทางชีวภาพและการทำปุ๋ยหมักวิธีนี้มีแนวโน้มที่ดีสำหรับวัสดุผสมชีวภาพและวัสดุผสมทางการเกษตร โดยมุ่งเป้าไปที่การสร้างโซลูชันที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมสำหรับวัสดุเหล่านี้เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งาน เมื่อการวิจัยก้าวหน้าขึ้น การรีไซเคิลทางชีวภาพอาจเป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพในการลดขยะพลาสติกผสมอย่างยั่งยืน^{[ 53 ]}

พอลิเมอร์เสริมแรงด้วยนาโนทิวบ์คาร์บอน (CNRP)

ในปี 2552 Zyvex Technologiesได้แนะนำอีพ็อกซีเสริมแรงด้วยคาร์บอนนาโนทิวบ์และคาร์บอนพรีเพรก [ ^{54 ] โพลิเมอร์} เสริมแรงด้วย คาร์บอนนาโนทิวบ์ (CNRP) มีความแข็งแรงและทนทานกว่า CFRP ทั่วไปหลายเท่า และถูกนำมาใช้เป็นวัสดุโครงสร้างสำหรับเครื่องบินLockheed Martin F-35 Lightning II ^{[ 55 ]} CNRP ยังคงใช้เส้นใยคาร์บอนเป็นวัสดุเสริมแรงหลัก^{[ 56 ]}แต่เมทริกซ์ที่ยึดเกาะคืออีพ็อกซีที่เติมคาร์บอนนาโนทิวบ์^{[ 57 ]}

ดูเพิ่มเติม

เส้นใยคาร์บอน– เส้นใยวัสดุที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5–10 ไมโครเมตร ประกอบด้วยคาร์บอน
การซ่อมแซมวัสดุคอมโพสิต– การเตรียมและการติดตั้งแผ่นซ่อมแซมคอมโพสิต
กลไกการทำงานของใบมีดวิ่งของออสการ์ ปิสโตริอุส– ใบมีดที่นักวิ่งพาราลิมปิกชาวแอฟริกาใต้ ออสการ์ ปิสโตริอุส ใช้
วัสดุคอมโพ สิตเสริมแรงคาร์บอน-คาร์บอน-กราไฟต์ สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงมาก
คาร์บอนไฟเบอร์ขึ้นรูป
คาร์บอนเซรามิก
คาร์โบทาเนียม

หมายเหตุ

↑หรือเรียกอีกอย่างว่า พลาสติกเสริมใยคาร์บอน (CFRP), เทอร์โมพลาสติกเสริมใยคาร์บอน (CFRT), ใยคาร์บอน, วัสดุคอมโพสิตคาร์บอน หรือเรียกสั้นๆ ว่า คาร์บอน

ลิงก์ภายนอก

สมาคมผู้ผลิตเส้นใยคาร์บอนแห่งประเทศญี่ปุ่น (ภาษาอังกฤษ)
วิศวกรออกแบบระบบพยุงแบบผสมสำหรับเซดริก ฮูมส์ นักวิ่งของทีมฮอกี้ส์ที่ได้รับบาดเจ็บ
"เหล็กกล้าชนิดใหม่" บทความจากนิตยสาร Flightปี 1968 เกี่ยวกับการประกาศเปิดตัวคาร์บอนไฟเบอร์
เส้นใยคาร์บอน – ห้าปีแรก บทความจากนิตยสาร Flightปี 1971 เกี่ยวกับเส้นใยคาร์บอนในวงการการบิน

[1] หรือเรียกอีกอย่างว่า พลาสติกเสริมใยคาร์บอน (CFRP), เทอร์โมพลาสติกเสริมใยคาร์บอน (CFRT), ใยคาร์บอน, วัสดุคอมโพสิตคาร์บอน หรือเรียกสั้นๆ ว่า คาร์บอน

[ a ]

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

16 ] จาก

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[

[ 23 ]

[ 24 ]

[ 25 ]

[ 26 ]

ชุด

[ 28 ]

[ 29 ]

[ 30 ]

[ 31 ]

[ 32 ]

[ 33 ]

[ 34 ]

[

[ 36 ]

[ 37 ]

[ 38 ]

[ 39 ]

[ 40 ]

[ 41 ]

[ 42 ]

[ 43 ]

[ 44 ]

[ 45 ]

[ 46 ]

[ 47 ]

[ 48 ]

[ 49 ]

[

[ 51 ]

[ 52 ]

[ 53 ]

54 ] โพลิเมอร์

[ 55 ]

[ 56 ]

[ 57 ]