คาร์บอนไฟเบอร์ คืออะไร ทำไมรถเจ๋งๆ ต้องใช้มัน
ไม่เชื่อก็ต้องเชื่อครับ ตอนนี้เรามาถึงยุคที่ มอเตอร์ไซค์ที่ขายตามท้องตลาดทั่วไปหรือรถโปรดักชั่นที่เต็มไปด้วยชิ้นส่วนคาร์บอนไฟเบอร์กันแล้ว ไม่จำเป็นจะต้องเป็นรถแข่งหรือรถสนามอีกต่อไปแล้ว แต่อาจจะจำกัดอยู่ในรถที่มีราคาสักหน่อย หรืออาจจะมาในรูปแบบของชิ้นส่วนอาฟเตอร์มาร์เก็ตหรือของแต่งนั่นเอง นอกจากนี้ยังมีในรูปแบบของไรดิ้งเกียร์อีกด้วย ไม่ใช่แค่กับตัวรถแล้ว ว่าแต่คุณรู้จักมันดีหรือยังว่าคาร์บอนไฟเบอร์มันคืออะไร วันนี้เราจะพาไป เจาะลึก คาร์บอนไฟเบอร์กันครับ
แต่วงการมอเตอร์ไซค์นั้นเพิ่งจะนำคาร์บอนไฟเบอร์มาใช้เป็นชิ้นส่วนเชิงโครงสร้างให้กับรถโปรดักชั่นเมื่อไม่นานมานี้เองครับ ตัวอย่างเช่น Ducati Superleggera ที่ใช้คาร์บอนไฟเบอร์มาทำเป็นเฟรมหลัก ซับเฟรม สวิงอาร์ม และล้อ เพื่อให้รถนั้นมีน้ำหนักเบามากที่สุดเท่าที่จะทำได้ โดยเหลือน้ำหนักที่ 154.22 กก. และ BMW HP4 Race ก็คล้ายๆ กัน และยังมีแฟริ่งเป็นคาร์บอนไฟเบอร์อีกด้วย
อย่างไรก็ดีพวกเรือธงขั้นเทพพวกนี้นั้นคนธรรมดาสามัญทั่วไปส่วนใหญ่มิอาจจะเอื้อมถึงได้ แต่ในตอนนี้ดูเหมือนว่าค่ายรถก็พยายามสื่อให้เราเห็นว่ายุคแห่งคาร์บอนไฟเบอร์นั้นมาถึงแล้ว และนี่เป็นเพียงแค่จุดเริ่มต้นของยุคที่เรียกว่ายุคแห่งวัสดุสุดล้ำก็ว่าได้
แล้วคาร์บอนไฟเบอร์มันคืออะไรกันล่ะ?
เวลาที่คนส่วนใหญ่พูดถึง “คาร์บอนไฟเบอร์” จริงๆ แล้ว เราเข้าใจผิด วัสดุที่หน้าตาเหมือนพลาสติกแต่น้ำหนักเบาและทนทานที่ขึ้นรูปเป็นรูปทรงต่างๆ ที่เราเห็นอยู่ในชิ้นส่วนต่างๆ ตั้งแต่การ์ดบริเวณกำปั้นของถุงมือมือเตอร์ไบค์ไปจนถึงเฟรมของรถจักรยานเสือภูเขานั้นจริงๆ แล้วคือ วัสดุคอมโพสิต (วัสดุที่เกิดขึ้นจากการผสมผสานวัสดุสองชนิดขึ้นไปเข้าด้วยกัน)
ส่วนผสมแรกของวัสดุคอมโพสิตนี้คือคาร์บอนไฟเบอร์นั่นเอง ตัวคาร์บอนไฟเบอร์คือสายเส้นใยไฟเบอร์ที่ทำมาจากคาร์บอนทอขึ้นมาจนเป็นผ้าที่ยืดหยุ่นและแข็งแรง ส่วนผสมที่สองคือโพลิเมอร์ซึ่งมักจะเป็นอีพ็อกซีเรซิน ซึ่งทำหน้าที่ยึดให้ผ้าคาร์บอนไฟเบอร์นั้นคงรูปทรงที่เราเห็นอยู่ในชิ้นส่วนต่างๆ ดังนั้นจริงๆ แล้ว คาร์บอนไฟเบอร์ส่วนประกอบของวัสดุคอมโพสิตชนิดนึง ซึ่งถ้าจะเรียกให้ถูกจริงๆ ต้องเรียกว่า โพลิเมอร์เสริมเส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์ (CFRP = carbon fiber reinforced polymer)
ขั้นตอนการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์นั้นเริ่มต้นจากวัตถุดิบที่ถูกเรียกว่า โพลิอะคลิโลไนไทรล์ หรือ PAN (Polyacrylonitrile) ซึ่งถูกนำมาทำละลายและยืดออกเป็นเส้นใยยาวๆ จากนั้นเจ้าเส้นใยนี้ก็จะถูกลำเลียงผ่านเตาที่จะทำให้เส้นใยนั้นร้อนขึ้นสูงถึง 1,000 ถึง 3,000 องศาเซลเซียส (ร้อนประมาณครึ่งนึงของดวงอาทิตย์) แต่จุดนี้ล่ะคือจุดสำคัญ ภายในเตานั้นจะไม่มีออกซิเจน และเมื่อไม่มีออกซิเจน ก็แปลว่าเส้นใยดังกล่าวจะไม่ถูกเผาไหม้ แต่ความร้อนจะเข้าไปทำให้เส้นใยแข็งแรงขึ้น โดยไปไล่อะตอมที่ไม่ใช่อะตอมของธาตุคาร์บอนออกไป ให้เหลือไว้แต่เส้นใยคาร์บอนไฟเบอร์ที่เกือบจะบริสุทธิ ซึ่งบางมากๆ และแข็งแรงมากๆ แทน
เส้นใยไฟเบอร์ที่ได้นั้นมีความหนาน้อยกว่าเส้นผมของคนเราเสียอีก แต่กลับแข็งแรงกว่าเหล็กกล้าหลายเท่า และเรื่องน้ำหนักนั้นไม่ต้องพูดถึง! เมื่อเส้นใยบางๆ เหล่านี้ถูกถักทอเข้าด้วยกันจนเป็นผ้าและประสานเข้ากันกับเรซินกลายเป็น CFRP หรือคาร์บอนไฟเบอร์ที่เราเรียกกันจนคุ้นปาก ก็จะกลายเป็นโครงสร้างที่แข็งแรงมากๆ แต่น้ำหนักเบามากๆ ซึ่งสามารถนำมาใช้แทนที่เหล็กกล้าหรืออลูมิเนียมที่นิยมใช้กันทั่วไปได้เลย นั่นเป็นสาเหตุว่าทำไมคาร์บอนไฟเบอร์ถึงได้ถูกใช้ในอุตสาหกรรมการบินและการอวกาศซะมาก
ที่น่าสนใจคือ ปัจจัยของความแข็งแรงของเจ้าคาร์บอนไฟเบอร์นั้นจะเกิดขึ้นกับในแนวตั้งฉากกับเส้นใยเท่านั้น ซึ่งหมายความว่าความแข็งแรงหรือความยืดหยุ่นของวัสดุผสมคาร์บอนไฟเบอร์สามารถปรับเปลี่ยนได้โดยขึ้นอยู่กับทิศทางการเรียงตัวของโครงสร้างนั้นๆ ซึ่งแตกต่างจากโลหะอย่างสิ้นเชิง เพราะโลหะจะให้ความแข็งแกร่งและแข็งแรงในทุกทิศทาง พูดอีกอย่างก็คือวิศวกรสามารถควบคุมระดับของความแข็งแรงให้กับส่วนใดส่วนนึงให้พอดิบพอดีกับการใช้งานด้วยคาร์บอนไฟเบอร์นี้ ใช้กับอะไรบางอย่างที่โลหะทั่วไปไม่สามารถทำได้ แม้แต่ไทเทเนียมหรือแม็กนีเซียมเองก็ทำไม่ได้
อนาคตของคาร์บอนไฟเบอร์
ตอนนี้การผลิตคาร์บอนไฟเบอร์นั้นถูกปรับปรุงให้ดีขึ้นและราคาของมันก็ถูกลง มันกำลังถูกใช้ในทุกๆ แวดวงของวิศวกรรม เนื่องจากไม่ว่าจะที่วงการไหน การผสมผสานความแข็งแรงสูงเข้ากับน้ำหนักที่เบามากนั้นเป็นที่ต้องการเป็นอย่างยิ่ง Ducati และ BMW ซึ่งนำมาทำเป็นเฟรมของรถก็เป็นเหมือนกับการปฏิวัติวงการมอเตอร์ไซค์ ซึ่งในวงการจักรยานจะนำมาประยุกต์ใช้เร็วกว่าวงการมอเตอร์ไซค์ก็ตามเป็นสิบปีแล้วก็ตาม และตอนนี้แม้แต่โรงงานผลิตรถยนต์เองก็เริ่มใช้ชิ้นส่วนคาร์บอนไฟเบอร์ในบริเวณที่มีความเครียดทางโครงสร้างสูง อาทิ ระบบส่งกำลังและเฟรม เป็นต้น
การที่มันแข็งแรงและเบากว่าไทเทเนียมทำให้มันกลายเป็วัสดุที่ปฏิวัติวงการอย่างแท้จริง แต่ทุกวันนี้มันยังคงมีราคาที่แพงอยู่มาก แต่อุตสาหกรรมการผลิตคาร์บอนไฟเบอร์ก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและทำให้ราคานั้นลดลงมาเรื่อยๆ ซึ่งจะช่วยให้วิศวกรได้ใช้มันในการประยุกต์ใช้สร้างสิ่งต่างๆ ได้มากขึ้น อย่างในวงการยานยนต์เองก็เช่น การพัฒนาเฟรมคาร์บอนไฟเบอร์ หรือระบบส่งกำลังให้กับยานพาหนะ ซึ่งจะช่วยเพิ่มอายุการใช้งานของยานพาหนะให้มากเนื่องจากน้ำหนักที่น้อยกว่าของมัน โดยที่ไม่สูญเสียความแข็งแรงเชิงโครงสร้างไป
แต่สำหรับเราที่เป็นนักบิด อนาคตเกี่ยวกับคาร์บอนไฟเบอร์เป็นอะไรที่น่าตื่นเต้นจริงๆ จากการที่เจ้า Superleggear สามารถใช้เจ้านี่ทำให้เราได้เห็นอัตราส่วนแรงม้าต่อน้ำหนักที่สูงมากในแบบที่เราไม่เคยสัมผัสมาก่อนเป็นจริงขึ้นมา เครื่องยนต์ที่แรงมากขึ้น น้ำหนักรถกลับยิ่งเบาลง ราคาของคาร์บอนไฟเบอร์ที่เอื้อมถึงได้ง่ายมากขึ้น และสุดท้ายปัญหาเดียวที่จะเกิดขึ้นก็คือ จะทำยังไงให้ล้อหน้าของรถที่แรงโคตรๆ แต่เบามากๆ นั้นติดอยู่กับพื้นได้อย่างไร!
รับชมวิดีโอการทดสอบรถต่างๆ ของเราคลิก
