Sifat serat karbon
Sifat mekanikal
Ciri -ciri mekanikal serat karbon adalah salah satu sifat yang paling menarik. Berat ringan, kekuatan tinggi dan modulus yang tinggi menjadikannya digunakan secara meluas dalam banyak bidang.
Kekuatan khusus dan modulus tertentu: Ketumpatan serat karbon hanya 1.5 hingga 2.0 gram per sentimeter padu, tetapi kekuatan tegangannya dapat mencapai lebih dari 3,500 MPa, yang beberapa kali dari keluli, dan modulus tegangannya dapat mencapai lebih dari 230 GPA, yang lebih daripada 7 kali lebih tinggi daripada kekuatan khusus kebanyakan logam, dan modulus tertentu adalah lebih daripada 5 kali logam. Kekuatan khusus yang sangat baik dan modulus khusus ini memberikan gentian karbon kelebihan yang signifikan dalam industri aeroangkasa, industri automotif, peralatan sukan dan bidang lain.
Anisotropi: Sifat mekanikal serat karbon mempunyai anisotropi yang signifikan, iaitu kekuatan dan modulus di sepanjang arah paksi serat jauh lebih tinggi daripada yang berserenjang dengan paksi serat. Harta ini membolehkan komposit serat karbon untuk memaksimumkan kelebihan prestasi mereka melalui reka bentuk layup rasional.
Rintangan Keletihan: Komposit serat karbon mempunyai rintangan keletihan yang sangat baik, dengan kadar pengekalan kekuatan sebanyak 60% selepas berjuta -juta kitaran keletihan tekanan, jauh lebih tinggi daripada keluli dan aluminium.
Sifat terma
Ciri-ciri haba serat karbon juga sangat baik, yang memungkinkan untuk menggunakannya dalam persekitaran suhu tinggi.
Kekonduksian terma: Serat karbon umumnya mempunyai kekonduksian terma 0.025-0.09 kalori/cm-sec- ° C dan resistiviti 0.8-1.6 × 10^-3Ω-cm, yang menunjukkan kekonduksian elektrik dan terma yang baik. Prestasi ini menjadikan serat karbon mempunyai pelbagai aplikasi dalam pengumpul solar, bahan shell konduktif termal dan sebagainya.
Koefisien pengembangan terma: Serat karbon mempunyai pekali kecil pengembangan terma, negatif (-0.5 hingga -1.6) × 10^-6/k di dalam rumah, sifar pada 200 hingga 400 ℃, dan 1.5 × 10^-6/k kurang daripada 1,000 ℃, yang menjadikan komposit serat karbon mempunyai kestabilan dimensi yang lebih baik di bawah perubahan suhu.
Rintangan suhu tinggi: Serat karbon sangat stabil di bawah 400 ° C, dan walaupun pada 1000 ° C masih tidak banyak perubahan. Rintangan suhu tinggi ini menjadikan komposit serat karbon digunakan secara meluas dalam industri aeroangkasa.
Kestabilan kimia asas
Kestabilan kimia serat karbon adalah satu lagi harta penting yang membolehkannya mengekalkan prestasinya dalam persekitaran kimia yang keras.
Rintangan kakisan: Serat karbon stabil kepada asid, alkali dan bahan kimia organik, sebagai tambahan kepada asid pengoksidaan yang kuat, dan boleh dijadikan pelbagai produk tahan karat kimia. Rintangan kakisan semacam ini menjadikan serat karbon mempunyai pelbagai prospek aplikasi dalam bidang industri kimia dan kejuruteraan laut.
Rintangan pengoksidaan: Dalam persekitaran yang tidak oksida, serat karbon dapat menahan suhu ultra tinggi, ciri yang memberikan kelebihan dalam aplikasi seperti pelapis relau suhu tinggi dan sistem perlindungan terma untuk roket dan pesawat.
Kestabilan Alam Sekitar: Serat karbon digunakan dalam suhu operasi biasa ≤250 ° C, dan sukar untuk melihat perubahan kimia dalam gentian karbon, menunjukkan kestabilan alam sekitar yang sangat baik.
Aplikasi serat karbon
Aeroangkasa
Penggunaan serat karbon dalam aeroangkasa adalah salah satu kegunaan yang paling ketara. Oleh kerana sifat ringan dan kekuatan tinggi, serat karbon digunakan secara meluas sebagai bahan struktur dalam pesawat dan kapal angkasa untuk mengurangkan berat badan dan meningkatkan kecekapan bahan api.
Struktur pesawat: Penggunaan komposit serat karbon (CFRP) dalam struktur pesawat dapat mengurangkan berat pesawat dan meningkatkan kapasiti dan julat penumpang. Sebagai contoh, struktur galas utama dan sayap Boeing 787 Dreamliner dan Airbus A350XWB menggunakan CFRP yang luas, menyumbang 50% dan 53% daripada berat badan. Permohonan ini bukan sahaja mengurangkan berat pesawat, tetapi juga meningkatkan kecekapan penerbangan dan ekonomi.
Kapal angkasa: Dalam bidang kapal angkasa, serat karbon digunakan untuk mengeluarkan komponen struktur untuk roket dan satelit kerana kekuatan tinggi dan rintangan haba. Penggunaan plastik bertetulang serat karbon (CFRP) dalam struktur roket dan satelit telah dilaporkan untuk mengurangkan kos pelancaran dan meningkatkan muatan.
Barang sukan dan rekreasi
Serat karbon juga digunakan secara meluas dalam barangan sukan dan rekreasi, terutamanya di kelab golf, basikal, raket tenis dan batang memancing, kerana kekuatan tinggi dan sifat ringannya.
Kelab Golf: Kelab golf serat karbon digunakan secara meluas kerana berat ringan dan keanjalan yang tinggi. Menurut statistik, anda boleh memukul bola golf 30 meter lebih daripada kelab besi dengan kelab serat karbon.
Basikal: Basikal serat karbon disukai oleh penunggang profesional kerana berat ringan dan kekuatan tinggi. Bingkai basikal serat karbon adalah satu perempat lebih ringan daripada bingkai aloi aluminium dan menawarkan ketegaran dan penyerapan kejutan yang lebih baik.
Pembinaan perindustrian dan sivil
Penggunaan serat karbon dalam bidang pembinaan perindustrian dan sivil terutama memberi tumpuan kepada tetulang struktur dan pengukuhan, terutama dalam penguatkuasaan jambatan, bangunan dan infrastruktur.
Pengukuhan Struktur: Kain atau panel serat karbon digunakan untuk mengukuhkan struktur konkrit untuk meningkatkan prestasi seismik dan kapasiti membawa beban mereka. Teknik tetulang serat karbon telah dilaporkan meningkatkan prestasi seismik struktur lebih daripada 40%.
Pembinaan baru: Serat karbon juga digunakan dalam pembinaan baru, seperti bumbung bumbung bingkai yang diperbuat daripada tiub serat karbon, yang lebih kurang 50% lebih ringan daripada keluli, dan kecekapan pembinaan dan prestasi seismik telah meningkat dengan ketara.
Industri Automobil
Penggunaan serat karbon dalam industri automotif terutamanya memberi tumpuan kepada ringan kenderaan berprestasi tinggi dan kenderaan tenaga baru.
Kenderaan berprestasi tinggi: Serat karbon digunakan untuk mengeluarkan badan, casis dan bahagian lain kereta sukan dan kereta lumba untuk ciri-ciri ringan dan kekuatan tinggi, untuk meningkatkan prestasi dan pengendalian kenderaan. Sebagai contoh, model BMW i3 dan i8 menggunakan komposit serat karbon yang luas, mengakibatkan pengurangan berat badan yang ketara.
Kenderaan Tenaga Baru: Dalam bidang kenderaan tenaga baru, serat karbon digunakan dalam kotak bateri, struktur badan, dan lain -lain untuk mengurangkan berat kenderaan dan meningkatkan julat. Telah dilaporkan bahawa penggunaan komposit serat karbon dapat mengurangkan berat kenderaan sebanyak 30% hingga 60% dan meningkatkan kecekapan tenaga.
Cabaran dan keterbatasan gentian karbon Halangan pengeluaran dan kesukaran teknikal gentian karbon adalah salah satu faktor utama yang membatasi aplikasi luas mereka.
Berikut adalah cabaran utama yang dihadapi oleh serat karbon dalam proses pengeluaran:
Halangan Teknikal Tinggi: Pengeluaran gentian karbon mempunyai halangan teknikal yang tinggi dan melibatkan proses kimia dan fizikal yang kompleks, termasuk beberapa langkah seperti pempolimeran, berputar, pra-pengoksidaan, karbonisasi dan grafitisasi. Langkah -langkah ini memerlukan kawalan yang tepat terhadap suhu, tekanan dan keadaan persekitaran untuk memastikan prestasi produk akhir.
Pelaburan yang besar dalam peralatan: Kos pelaburan yang tinggi bagi peralatan pengeluaran serat karbon, terutamanya pengatbonisasi berkualiti tinggi dan relau grafit, yang secara teknikal menuntut dan agak mahal untuk mengekalkan, mengehadkan keupayaan perniagaan kecil untuk memasuki industri.
Kos bahan mentah: Harga monomer acrylonitrile, bahan mentah utama untuk serat karbon berasaskan pan, berubah-ubah sangat, mempengaruhi kos pengeluaran serat karbon. Di samping itu, pengeluaran filamen mentah PAN berkualiti tinggi adalah salah satu kesukaran teknikal, yang memerlukan pempolimeran yang tepat dan teknologi berputar.
Penggunaan Tenaga: Proses pengeluaran serat karbon menggunakan banyak tenaga, terutama dalam peringkat karbonisasi dan grafit, yang perlu diproses pada suhu tinggi untuk masa yang lama. Ini bukan sahaja meningkatkan kos pengeluaran, tetapi juga meletakkan beban di alam sekitar.
Monopoli Teknologi: The Global Carbon Fiber Market telah lama dimonopoli oleh beberapa syarikat, yang memiliki sejumlah besar paten teknikal dan proses pengeluaran yang matang, menjadikannya sukar bagi peserta baru untuk memecahkan halangan teknologi dalam masa yang singkat.
Kawalan Kualiti Produk: Prestasi produk serat karbon sangat sensitif terhadap setiap langkah dalam proses pengeluaran, dan sebarang perubahan kecil boleh menjejaskan prestasi produk akhir, jadi kawalan kualiti produk meletakkan keperluan yang sangat tinggi.
Ringkasnya, cabaran alam sekitar dan kesihatan dalam pengeluaran dan penggunaan serat karbon perlu ditangani melalui inovasi teknologi, langkah -langkah perlindungan alam sekitar yang ketat dan strategi pengurusan sisa yang berkesan. Dengan kemajuan teknologi dan peningkatan kesedaran alam sekitar, industri serat karbon secara beransur -ansur mengambil langkah -langkah untuk mengurangkan kesan alam sekitar dan kesihatannya.
