Serat karbon adalah tekstil yang sebagian besar terdiri dari karbon. Ini diproduksi dengan memutar berbagai polimer berbasis karbon menjadi serat, mengolahnya untuk menghilangkan sebagian besar zat lain, dan menenun bahan yang dihasilkan menjadi kain. Ini biasanya tertanam dalam plastik – biasanya epoksi – untuk membentuk plastik yang diperkuat serat karbon atau komposit serat karbon. Fitur material yang paling menonjol adalah rasio kekuatan-terhadap-beratnya yang tinggi dan kelembaman kimianya yang relatif. Properti ini memberikan berbagai aplikasi, tetapi penggunaannya dibatasi oleh fakta bahwa itu cukup mahal.
Pembuatan
Produksi bahan ini biasanya didasarkan pada poliakrilonitril (PAN), plastik yang digunakan dalam tekstil sintetis untuk pakaian, atau pitch, zat mirip tar yang terbuat dari minyak bumi. Pitch pertama-tama dipintal menjadi untaian, tetapi PAN biasanya dalam bentuk berserat untuk memulai. Mereka diubah menjadi serat karbon dengan pemanasan kuat untuk menghilangkan unsur-unsur lain, seperti hidrogen, oksigen, dan nitrogen; proses ini disebut pirolisis. Meregangkan serat selama prosedur ini membantu menghilangkan ketidakteraturan yang mungkin melemahkan produk akhir.
Serat mentah awalnya dipanaskan hingga sekitar 590 ° F (300 ° C) di udara dan di bawah tekanan, dalam tahap yang dikenal sebagai oksidasi, atau stabilisasi. Ini menghilangkan hidrogen dari molekul dan mengubah serat menjadi bentuk yang lebih stabil secara mekanis. Mereka kemudian dipanaskan hingga sekitar 1,830 ° F (1,000 ° C) tanpa adanya oksigen dalam tahap yang dikenal sebagai karbonisasi. Ini menghilangkan bahan non-karbon lebih lanjut, meninggalkan sebagian besar karbon.
Ketika kualitas tinggi, serat kekuatan tinggi diperlukan, tahap lebih lanjut, yang dikenal sebagai grafitisasi terjadi. Bahan dipanaskan hingga antara 1,732 dan 5,500 ° F (1,500 hingga 3,000 ° C) untuk mengubah pembentukan atom karbon menjadi struktur seperti grafit. Ini juga menghilangkan sebagian besar atom non-karbon sisa. Istilah “serat karbon” digunakan untuk bahan dengan kandungan karbon paling sedikit 90%. Dimana kandungan karbon lebih besar dari 99%, bahan ini kadang-kadang disebut serat grafit.
Serat karbon mentah yang dihasilkan tidak terikat dengan baik dengan zat yang digunakan untuk membuat komposit, sehingga sedikit teroksidasi dengan perlakuan dengan bahan kimia yang sesuai. Atom oksigen yang ditambahkan ke struktur memungkinkannya membentuk ikatan dengan plastik, seperti epoksi. Setelah diberi lapisan pelindung tipis, itu ditenun menjadi benang dengan dimensi yang dibutuhkan. Ini pada gilirannya dapat ditenun menjadi kain, yang kemudian biasanya dimasukkan ke dalam bahan komposit.
Struktur dan Properti
Serat tunggal memiliki diameter sekitar 0.0002 hingga 0.0004 inci (0.005 hingga 0.010 mm); benang terdiri dari ribuan helai yang dijalin bersama untuk membentuk bahan yang sangat kuat. Dalam setiap untai, atom karbon disusun dengan cara yang mirip dengan grafit: cincin heksagonal bergabung bersama untuk membentuk lembaran. Dalam grafit, lembaran-lembaran ini rata dan hanya terikat longgar satu sama lain, sehingga mudah terlepas. Dalam serat karbon, lembaran terlipat dan kusut, dan membentuk banyak kristal kecil yang saling terkait, yang dikenal sebagai kristalit. Semakin tinggi suhu yang digunakan dalam pembuatan, semakin kristalit ini mengorientasikan diri di sepanjang sumbu serat dan semakin besar kekuatannya.
Dalam komposit, orientasi serat itu sendiri juga penting. Tergantung pada ini, material bisa lebih kuat ke arah tertentu atau sama kuatnya ke segala arah. Dalam beberapa kasus, sepotong kecil dapat menahan benturan berton-ton dan masih mengalami deformasi minimal. Sifat serat yang terjalin kompleks membuatnya sangat sulit untuk dipatahkan.
Dalam hal rasio kekuatan-terhadap-berat, komposit serat karbon adalah bahan terbaik yang dapat diproduksi oleh peradaban dalam jumlah yang cukup besar. Yang terkuat kira-kira lima kali lebih kuat dari baja dan jauh lebih ringan. Penelitian sedang dilakukan untuk kemungkinan memasukkan nanotube karbon ke dalam material, yang dapat meningkatkan rasio kekuatan-terhadap-berat sebanyak 10 kali atau lebih.
Sifat berguna lainnya yang dimilikinya adalah kemampuannya untuk menahan suhu tinggi dan kelembamannya. Struktur molekulnya, seperti grafit, sangat stabil, memberikan titik leleh yang tinggi dan membuatnya lebih kecil kemungkinannya untuk bereaksi secara kimia dengan zat lain. Oleh karena itu berguna untuk komponen yang mungkin terkena panas dan untuk aplikasi yang membutuhkan ketahanan terhadap korosi.
penggunaan
Serat karbon digunakan di banyak area di mana kombinasi kekuatan tinggi dan bobot rendah diperlukan. Ini termasuk transportasi umum dan pribadi, seperti mobil, pesawat terbang, dan pesawat ruang angkasa; peralatan olahraga, seperti sepeda balap, alat ski, dan alat pancing; dan konstruksi. Kelembaman relatif bahan membuatnya sangat cocok untuk aplikasi dalam industri kimia dan obat-obatan — dapat digunakan dalam implan karena tidak akan bereaksi dengan zat dalam tubuh. Dalam teknik sipil, telah ditentukan bahwa jembatan tua dapat terhindar dari kehancuran dan pembangunan kembali melalui penguatan serat karbon sederhana, yang relatif lebih murah.
Ekonomi
Mulai tahun 2013, penggunaan dan permintaan serat karbon dibatasi oleh biayanya. Sepeda yang terbuat dari komposit biasanya berharga sekitar beberapa ribu dolar AS (USD). Mobil balap Formula Satu, yang melaju dengan kecepatan lebih dari 200 mph (320 kph), mungkin menghabiskan biaya lebih dari $1 juta USD untuk pembuatan dan pemeliharaannya, biaya yang tidak sedikit ditentukan oleh penggunaan material ini dengan murah hati. Namun, permintaan telah meningkat secara signifikan, sebagian besar disebabkan oleh peningkatan produksi pesawat komersial besar. Jika biayanya dapat dikurangi secara signifikan, itu mungkin menjadi bahan universal untuk kendaraan dan produk kecil yang dirancang untuk daya tahan dan ringan yang ekstrem.