Proprietăți din fibră de carbon
Proprietăți mecanice
Proprietățile mecanice ale fibrei de carbon sunt unul dintre cele mai convingătoare atribute ale acesteia. Greutatea ușoară, rezistența ridicată și modulul ridicat îl fac utilizat pe scară largă în multe câmpuri.
Rezistența specifică și modulul specific: Densitatea fibrei de carbon este de doar 1,5 până la 2,0 grame pe centimetru cub, dar rezistența sa la tracțiune poate atinge mai mult de 3.500 MPa, ceea ce este de mai multe ori mai mare decât oțelul, iar modulul său de tracțiune poate atinge mai mult de 230 GPA, care este de peste 7 ori mai mare decât rezistența specifică a majorității metalelor, iar modulul specific este de mai mult de 5 ori mai mare decât metalele. Această rezistență specifică excelentă și modul specific oferă fibrei de carbon un avantaj semnificativ în aerospațial, industria auto, echipamente sportive și alte domenii.
Anisotropie: Proprietățile mecanice ale fibrei de carbon au o anisotropie semnificativă, adică rezistența și modulul de -a lungul direcției axei fibrelor sunt mult mai mari decât cele perpendiculare pe axa fibrei. Această proprietate permite compozitelor din fibre de carbon să -și maximizeze avantajele performanței prin proiectarea rațională a formării.
Rezistența la oboseală: Carbon Composites Fibre au o rezistență excelentă la oboseală, cu o rată de retenție de rezistență de 60% după milioane de cicluri de oboseală de stres, mult mai mare decât cea a oțelului și aluminiului.
Proprietăți termice
Proprietățile termice ale fibrei de carbon sunt, de asemenea, excelente, ceea ce face posibilă utilizarea acesteia în medii la temperaturi ridicate.
Conductivitate termică: Fibra de carbon are, în general, o conductivitate termică de 0,025-0,09 calorii/cm-Sec- ° C și o rezistivitate de 0,8-1,6 × 10^-3ω-CM, care arată o bună conductivitate electrică și termică. Această performanță face ca fibra de carbon să aibă o gamă largă de aplicații în colectoare solare, materiale de coajă conductoare termic și așa mai departe.
Coeficientul de expansiune termică: Fibra de carbon are un coeficient mic de expansiune termică, negativ (-0,5 până la -1.6) × 10^-6/k în interior, zero la 200 până la 400 ℃ și 1,5 × 10^-6/k la mai puțin Mai mult de 1.000 ℃, ceea ce face ca compozitele din fibră de carbon să aibă o stabilitate dimensională mai bună sub schimbarea temperaturii.
Rezistență la temperatură ridicată: Fibra de carbon este foarte stabilă sub 400 ° C și chiar la 1000 ° C nu există încă prea multe schimbări. Această rezistență la temperatură ridicată face ca compozitele din fibră de carbon să fie utilizate pe scară largă în industria aerospațială.
Stabilitatea chimică de bază
Stabilitatea chimică a fibrei de carbon este o altă proprietate importantă care îi permite să -și mențină performanța în medii chimice dure.
Rezistența la coroziune: Fibra de carbon este stabilă pentru acizi, alcali și substanțe chimice organice, pe lângă acizi oxidanți puternici și pot fi făcute într -o mare varietate de produse rezistente la coroziune chimică. Acest tip de rezistență la coroziune face ca fibra de carbon să aibă o gamă largă de perspective de aplicare în domeniile industriei chimice și a ingineriei oceanice.
Rezistența la oxidare: Într-un mediu ne-oxidant, fibra de carbon este capabilă să reziste la temperaturi ultra-înalte, o caracteristică care îi oferă un avantaj în aplicații precum garnituri de cuptor cu temperaturi ridicate și sisteme de protecție termică pentru rachete și aeronave.
Stabilitatea mediului: Fibrele de carbon sunt utilizate în mediile normale de funcționare ≤250 ° C și este dificil de observat modificările chimice ale fibrelor de carbon, arătând o stabilitate excelentă a mediului.
Aplicații din fibre de carbon
Aerospațial
Aplicarea fibrei de carbon în aerospațial este una dintre cele mai notabile utilizări ale acesteia. Datorită proprietăților sale ușoare și de înaltă rezistență, fibra de carbon este utilizată pe scară largă ca material structural în aeronave și nave spațiale pentru a reduce greutatea și pentru a îmbunătăți eficiența combustibilului.
Structuri aeronave: Utilizarea compozitelor din fibră de carbon (CFRP) în structurile aeronavelor poate reduce semnificativ greutatea aeronavei și poate crește capacitatea și raza de acțiune a pasagerilor. De exemplu, structurile principale de fuselaj și aripă ale rulmentului din Boeing 787 Dreamliner și Airbus A350XWB folosesc pe scară largă CFRP, reprezentând 50% și, respectiv, 53% din greutate. Această aplicație nu numai că reduce greutatea aeronavei, dar îmbunătățește și eficiența zborului și economia.
Nave spațiale: În domeniul navei spațiale, fibra de carbon este utilizată pentru fabricarea componentelor structurale pentru rachete și sateliți datorită rezistenței sale ridicate și a rezistenței la căldură. S -a raportat că utilizarea plasticului armat cu fibre de carbon (CFRP) în structuri de rachetă și satelit pentru a reduce costurile de lansare și a crește sarcinile utile.
Bunuri sportive și de agrement
Fibra de carbon este, de asemenea, utilizată pe scară largă în sporturi și produse de agrement, în special în cluburile de golf, bicicletele, rachetele de tenis și tijele de pescuit, datorită forței sale ridicate și proprietăților ușoare.
Cluburi de golf: Cluburile de golf din fibre de carbon sunt utilizate pe scară largă datorită greutății lor ușoare și a elasticității ridicate. Conform statisticilor, puteți atinge o minge de golf cu 30 de metri mai mult decât un club de fier cu cluburi de fibre de carbon.
Bicicletă: Bicicletele din fibră de carbon sunt favorizate de călăreții profesioniști din cauza greutății ușoare și a rezistenței lor ridicate. Cadrele de biciclete din fibră de carbon sunt cu un sfert mai ușor decât ramele din aliaj de aluminiu și oferă o mai bună rigiditate și absorbție de șoc.
Construcții industriale și civile
Aplicarea fibrei de carbon în domeniul construcțiilor industriale și civile se concentrează în principal pe consolidarea și consolidarea structurală, în special în consolidarea podurilor, clădirilor și infrastructurii.
Armare structurală: țesăturile sau panourile din fibre de carbon sunt utilizate pentru a consolida structurile de beton pentru a -și îmbunătăți performanța seismică și capacitatea de transport a sarcinii. Au fost raportate tehnici de întărire a fibrelor de carbon pentru a îmbunătăți performanța seismică a structurilor cu mai mult de 40%.
Noua construcție: Fibra de carbon este, de asemenea, utilizată în construcții noi, cum ar fi acoperișurile încadrate cu fascicul de trunchi din tuburi din fibră de carbon, care sunt cu aproximativ 50% mai ușoare decât oțelul, iar eficiența construcției și performanța seismică au fost substanțial îmbunătățite.
Industria auto
Aplicarea fibrei de carbon în industria auto se concentrează în principal pe ușurință a vehiculelor de înaltă performanță și a vehiculelor energetice noi.
Vehicule de înaltă performanță: Fibra de carbon este utilizată pentru fabricarea corpului, șasiului și a altor părți ale mașinilor sport și a mașinilor de curse pentru caracteristicile sale ușoare și de înaltă rezistență, pentru a îmbunătăți performanța și manipularea vehiculului. De exemplu, modelele BMW I3 și I8 folosesc pe scară largă compozitele din fibră de carbon, ceea ce duce la o reducere semnificativă a greutății vehiculului.
Vehicule cu energie noi: În domeniul noilor vehicule cu energie, fibra de carbon este utilizată în cutii de baterii, structuri de corp etc. pentru a reduce greutatea vehiculelor și a îmbunătăți gama. S -a raportat că utilizarea compozitelor din fibră de carbon poate reduce greutatea vehiculului cu 30% la 60% și poate îmbunătăți semnificativ eficiența energetică.
Provocările și limitările fibrelor de carbon Barierele de producție și dificultățile tehnice ale fibrelor de carbon sunt unul dintre principalii factori care limitează aplicarea lor largă.
Următoarele sunt provocările majore cu care se confruntă fibra de carbon în procesul de producție:
Bariere tehnice ridicate: Producția de fibre de carbon are bariere tehnice ridicate și implică procese chimice și fizice complexe, inclusiv mai multe etape, cum ar fi polimerizarea, filarea, pre-oxidarea, carbonizarea și grafitizarea. Acești pași necesită un control precis al temperaturii, presiunii și condițiilor de mediu pentru a asigura performanța produsului final.
Investiții mari în echipamente: Costul ridicat de investiții al echipamentelor de producție de fibre de carbon, în special cuptoarele de carbonizare și grafitizare de înaltă calitate, care sunt solicitante din punct de vedere tehnic și relativ costisitoare de întreținut, limitează capacitatea întreprinderilor mici de a intra în industrie.
Costul materiilor prime: Prețul monomerului acrilonitril, principalul materie primă pentru fibra de carbon pe bază de PAN, fluctuează foarte mult, afectând costul de producție al fibrei de carbon. În plus, producția de filamente PAN RAW de înaltă calitate este una dintre dificultățile tehnice, necesitând tehnologii precise de polimerizare și de filare.
Consumul de energie: Procesul de producție al fibrei de carbon consumă multă energie, în special în etapele de carbonizare și grafitizare, care trebuie procesate la temperaturi ridicate pentru o lungă perioadă de timp. Acest lucru nu numai că crește costurile de producție, ci și o povară asupra mediului.
Monopolul tehnologic: Piața globală a fibrelor de carbon a fost de mult timp monopolizată de câteva companii, care dețin un număr mare de brevete tehnice și procese de producție mature, ceea ce face dificilă noii participanți să treacă prin barierele tehnologice într -o perioadă scurtă de timp.
Controlul calității produsului: Performanța produselor din fibră de carbon este foarte sensibilă la fiecare etapă în procesul de producție, iar orice modificări mici pot afecta performanța produsului final, astfel încât controlul calității produsului prezintă cerințe extrem de ridicate.
În rezumat, provocările de mediu și de sănătate în producerea și utilizarea fibrei de carbon trebuie să fie abordate prin inovație tehnologică, măsuri stricte de protecție a mediului și strategii eficiente de gestionare a deșeurilor. Odată cu progresele tehnologice și creșterea gradului de conștientizare a mediului, industria fibrelor de carbon face treptat măsuri pentru a reduce impactul asupra mediului și al sănătății.
