ความลับของผงซิลิกอนคาร์ไบด์สีเขียวเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิต

ผู้ที่เคยทำงานกับวัสดุคอมโพสิตต่างรู้ดีว่า การผสมผสานข้อดีของวัสดุที่แตกต่างกันเข้าด้วยกันเป็นจานอาหารที่ดีนั้นยากกว่าการประสานความสัมพันธ์ระหว่างแม่สามีและลูกสะใภ้ แต่ตั้งแต่มีผงซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียว“เครื่องปรุงรสวิเศษ” วงการวัสดุคอมโพสิตได้เปิด “โหมดเปิด” ขึ้นมาทันที วันนี้เรามาเปิดเผยม่านลึกลับนี้ และมาดูกันว่าผงสีเขียวกองนี้จะทำให้เหล่าปรมาจารย์ผู้ภาคภูมิใจอย่างคาร์บอนไฟเบอร์และเซรามิกเชื่อฟังได้อย่างไร

1. “นักรบหกเหลี่ยม” ผู้มีพรสวรรค์

ผงซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียวถือกำเนิดขึ้นเพื่อเป็น “ผงในฝัน” ของวัสดุคอมโพสิต ความแข็งโมห์สอยู่ที่ 9.5 ซึ่งแย่กว่าเพชรเพียงเล็กน้อย โรงงานผลิตผ้าเบรกแห่งหนึ่งในมณฑลกวางตุ้งได้ทำการเปรียบเทียบ วัสดุคอมโพสิตที่ผสมซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียว 20% มีดัชนีความต้านทานการสึกหรอสูงกว่าวัสดุแบบดั้งเดิมถึง 3 เท่า ผู้อำนวยการโรงงาน เหลา ฮวง ได้สัมผัสตัวอย่างและพึมพำว่า “ด้วยความแข็งขนาดนี้ แม้แต่การขัดด้วยกระดาษทรายเป็นเวลาครึ่งชั่วโมงก็ยังไม่ทิ้งรอยเลย!”

ค่าการนำความร้อนนั้นสูงเกินจริง สถาบันวิจัยซานตงได้วัดข้อมูลและพบว่าค่าการนำความร้อนของวัสดุคอมโพสิตอะลูมิเนียมที่มีซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียว 15% พุ่งสูงถึง 220 วัตต์/(m·K) ซึ่งแข็งแกร่งกว่าอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ถึง 30% ช่างเทคนิคเสี่ยวหลิวจ้องมองกล้องถ่ายภาพความร้อนและอุทานว่า “ประสิทธิภาพการระบายความร้อนนี้เทียบได้กับการติดตั้งระบบระบายความร้อนด้วยน้ำบนซีพียู!”

ความเสถียรทางเคมียิ่งโดดเด่นยิ่งขึ้นไปอีก ในการทดสอบวัสดุบุผิวท่อส่งสารเคมีในเมืองหนิงโป วัสดุคอมโพสิตซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียวถูกแช่ในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นเป็นเวลาครึ่งปี และพบว่าอัตราการสูญเสียน้ำหนักน้อยกว่า 0.3% เหล่าหวัง ผู้ตรวจสอบคุณภาพยกตัวอย่างขึ้นมาและอวดว่า “ความต้านทานการกัดกร่อนนี้ แม้แต่เตาหลอมแร่แปรธาตุของไท่ฉางเหล่าจวินยังต้องผ่านบุหรี่!”

2. “ช่วงเวลามหัศจรรย์” ของกระบวนการคอมโพสิต

เทคโนโลยีการกระจายตัวในปัจจุบันนี้ดีมาก บริษัทแห่งหนึ่งในมณฑลเจียงซูได้คิดค้นวิธีการผสมผสาน “อัลตราซาวนด์ + เครื่องบดลูก” ซึ่งทำให้ผงไมโครกระจายตัวได้สม่ำเสมอกว่าไข่มุกในชานม อาจารย์เหลาหลี่ยกภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขึ้นมาอวดว่า “ดูความหนาแน่นของการกระจายตัวสิ มดคงหลงทางแน่ๆ ถ้าปีนขึ้นไป!”

เทคโนโลยีการเชื่อมต่ออินเทอร์เฟซแบบสีดำนั้นยิ่งเข้มข้นขึ้นไปอีก สารเชื่อมต่อนาโนที่พัฒนาโดยห้องปฏิบัติการในเซี่ยงไฮ้ช่วยเพิ่มความแข็งแรงในการยึดเกาะระหว่างผงไมโครและเมทริกซ์เป็น 150 เมกะปาสคาล หัวหน้าโครงการยกแว่นขึ้นและกล่าวว่า “ครั้งสุดท้ายที่เราทดสอบแรงเฉือน ฟิกซ์เจอร์เสียรูป แต่วัสดุคอมโพสิตไม่หลุดลอก!”

3. “ฉากไฮไลท์” ของการทดสอบการต่อสู้จริง

อุตสาหกรรมการบินและอวกาศมีความผันผวนมาเป็นเวลานาน ใบพัดของโรงงานผลิตเครื่องยนต์การบินแห่งหนึ่งในเฉิงตูใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียวเพื่อเสริมความแข็งแรงให้กับวัสดุคอมโพสิตที่ทำจากเซรามิก และสามารถทนต่ออุณหภูมิได้ถึง 1600 องศาเซลเซียส นักขับทดสอบ เหล่าจาง มองไปที่แผงหน้าปัดรถแล้วน้ำลายไหล: "ด้วยสมรรถนะขนาดนี้ เครื่องยนต์เจ็ทต้องเรียกพ่อแล้ว!"

โครงยึดแบตเตอรี่ของรถยนต์พลังงานใหม่ยิ่งน่าตื่นเต้นขึ้นไปอีก โครงยึดคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ของผู้ผลิตแห่งหนึ่งในหนิงเต๋อมีความแข็งแรงจำเพาะสูงกว่าเหล็กถึง 8 เท่าหลังจากผสมกับซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียว ระหว่างการทดสอบการชน เหล่าหลี่ วิศวกรด้านความปลอดภัยตบประตูรถแล้วหัวเราะว่า “ตอนนี้ตัวรถเหมือนสวมเสื้อเกราะกันกระสุนสามชั้นเลย!”

วงการฮีตซิงก์สำหรับสถานีฐาน 5G นั้นช่างน่าเหลือเชื่อ หม้อน้ำคอมโพสิตอะลูมิเนียมของผู้ผลิตรายหนึ่งในเมืองหางโจวมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ควบคุมไว้ที่ 4.8×10⁻⁶/℃ ผู้อำนวยการฝ่ายเทคนิคได้ชี้ให้เห็นข้อมูลการทดสอบวงจรความร้อนและอวดว่า “สามารถปรับได้ตั้งแต่ -50℃ ถึง 200℃ และการเปลี่ยนแปลงขนาดนั้นร้ายแรงกว่า Virgo เสียอีก!”

4. “การมองระยะยาว” ในบัญชีต้นทุน

อย่ามองราคาต่อหน่วยที่สูงของผงไมโครคาร์ไบด์ซิลิคอนสีเขียวคำนวณจากยอดรวมบัญชีแล้วได้กำไรแน่นอน โรงงานผลิตเครื่องจักรแห่งหนึ่งในฉงชิ่งได้ทำบัญชีไว้แล้ว แม้ว่าต้นทุนวัตถุดิบจะเพิ่มขึ้น 25% แต่อายุการใช้งานกลับเพิ่มขึ้นถึงสี่เท่า และค่าบำรุงรักษาที่ประหยัดได้ในสามปีก็เพียงพอที่จะสร้างโรงงานใหม่ได้ สุภาพสตรีทางการเงินเคาะเครื่องคิดเลขแล้วหัวเราะ “ธุรกิจนี้ทำกำไรได้มากกว่าการกู้ยืมเงินนอกระบบอีก!”

การปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตยิ่งทำให้รู้สึกยินดีอย่างลับๆ จากการวัดจริงของสายการผลิตอัตโนมัติในเทียนจิน พบว่าเวลาในการบ่มวัสดุคอมโพสิตลดลง 40% ผู้อำนวยการโรงงานจ้องมองหน้าจอขนาดใหญ่แล้วตบขาตัวเองเบาๆ ว่า “ตอนนี้กำลังการผลิตก็เหมือนขี่จรวด ลูกค้าไม่ต้องตื่นตระหนกเมื่อเร่งสั่งซื้อ!”

ผงไมโครซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียวในปัจจุบันไม่ได้เป็นเพียงผลิตภัณฑ์แนวคิดในห้องปฏิบัติการอีกต่อไป ตั้งแต่ยานอวกาศที่บินอยู่บนฟ้าไปจนถึงยานยนต์พลังงานใหม่ที่วิ่งอยู่บนพื้นดิน ตั้งแต่ชิปโทรศัพท์มือถือขนาดเท่าฝ่ามือไปจนถึงใบพัดกังหันลมยาว 100 เมตร ผงไมโครซิลิคอนคาร์ไบด์สีเขียวมีอยู่ทั่วไป เหล่าผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมต่างกล่าวว่าสิ่งนี้ได้สร้างช่องโหว่บนเพดานประสิทธิภาพของวัสดุคอมโพสิต ในความคิดของผม นี่ไม่ใช่แค่การอัพเกรดวัสดุธรรมดาๆ แต่เป็น "การกระตุ้น" ให้กับอุตสาหกรรมสมัยใหม่ หากแนวโน้มนี้ยังคงดำเนินต่อไป สักวันหนึ่งเขียงของเราอาจต้องใช้เทคโนโลยีสีดำนี้ เพราะใครบ้างล่ะที่ไม่อยากให้เครื่องครัวของตัวเองมีคุณภาพเทียบเท่ากับวัสดุที่ใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ