Vlastnosti z uhlíkových vláken
Mechanické vlastnosti
Mechanické vlastnosti uhlíkového vlákna jsou jedním z jeho nejpřesvědčivějších atributů. Jeho lehká hmotnost, vysoká pevnost a vysoký modul způsobují, že se v mnoha polích široce používá.
Specifická síla a specifický modul: Hustota uhlíkového vlákna je pouze 1,5 až 2,0 gramů na kubický centimetr, ale její pevnost v tahu může dosáhnout více než 3 500 MPa, což je několikrát hubl oceli a její tahový modul může dosáhnout více než 230 GPA, která je více než 7krát vyšší než specifická síla většiny kovů, a specifický modul je více než 5krát vyšší než kovy. Tento vynikající specifickou sílu a specifický modul dává uhlíkovým vláknovým vláknem významnou výhodu v leteckém, automobilovém průmyslu, sportovním vybavení a dalších oborech.
Anisotropie: Mechanické vlastnosti uhlíkového vlákna mají významnou anizotropii, tj. Síla a modul podél směru ose vlákna jsou mnohem vyšší než vlastnosti kolmé k ose vlákna. Tato vlastnost umožňuje kompozitům z uhlíkových vláken maximalizovat jejich výhody výkonnosti prostřednictvím racionálního návrhu rozložení.
Rezistence na únavu: „Karbonové kompozity mají vynikající odolnost proti únavě, s mírou pevnosti 60% po milionech cyklů únavy napětí, mnohem vyšší než u oceli a hliníku.
Tepelné vlastnosti
Tepelné vlastnosti uhlíkového vlákna jsou také vynikající, což umožňuje jej používat ve vysokoteplotním prostředí.
Tepelná vodivost: Uhlíkové vlákno má obecně tepelnou vodivost 0,025-0,09 kalorií/cm-sec- ° C a odpor 0,8-1,6 × 10^-3Ω-CM, což vykazuje dobrou elektrickou a tepelnou vodivost. Tento výkon způsobuje, že uhlíkové vlákno má širokou škálu aplikací v solárních sběracích, tepelně vodivých skořepinových materiálech atd.
Koeficient tepelné roztažnosti: Uhlíkové vlákno má malý koeficient tepelné roztažnosti, negativní (-0,5 až -1,6) × 10^-6/k v interiéru, nula při 200 až 400 ℃ a 1,5 × 10^-6/K při méně než 1 000 ℃, což způsobuje, že kompozity z uhlíkových vláken mají při změně teploty lepší rozměrovou stabilitu.
Vysokoteplotní odolnost: Uhlíkové vlákno je velmi stabilní pod 400 ° C a dokonce ani při 1000 ° C stále nedochází k příliš mnoho změn. Tento odolnost proti vysokým teplotám způsobuje, že kompozity z uhlíkových vláken se široce používají v leteckém průmyslu.
Základní chemická stabilita
Chemická stabilita uhlíkového vlákna je další důležitá vlastnost, která jí umožňuje udržovat svůj výkon v drsném chemickém prostředí.
Odolnost proti korozi: Uhlíkové vlákno je kromě silných oxidačních kyselin stabilní pro kyseliny, alkalis a organické chemikálie a může být vyrobena do široké škály produktů odolných vůči chemické korozi. Tento druh odolnosti proti korozi způsobuje, že uhlíkové vlákno má v oblastech chemického průmyslu a oceánského inženýrství širokou škálu vyhlídek na aplikace.
Oxidační odolnost: V nexidizačním prostředí je uhlíkové vlákno schopno odolat ultra vysokých teplotách, což je charakteristika, která mu dává výhodu v aplikacích, jako jsou obložení pece s vysokou teplotou a systémy tepelné ochrany pro rakety a letadla.
Stabilita prostředí: Uhlíková vlákna se používají při normálních provozních teplotách ≤ 250 ° C a je obtížné pozorovat chemické změny uhlíkových vláken, což ukazuje na vynikající stabilitu prostředí.
Aplikace z uhlíkových vláken
Aerospace
Aplikace uhlíkových vláken v leteckém prostoru je jedním z jeho nejvýznamnějších použití. Díky svým lehkým a vysoce pevným vlastnostem se uhlíkové vlákno široce používá jako strukturální materiál v letadlech a kosmické lodi ke snížení hmotnosti a zlepšení palivové účinnosti.
Struktury letadel: Použití kompozitů z uhlíkových vláken (CFRP) ve strukturách letadel může výrazně snížit hmotnost letadel a zvýšit kapacitu a rozsah cestujících. Například struktury trupu a hlavních ložisek křídla Boeing 787 Dreamliner a Airbus A350XWB rozsáhle využívají CFRP, což představuje 50% a 53% hmotnosti. Tato aplikace nejen snižuje hmotnost letadla, ale také zvyšuje efektivitu letu a ekonomiku.
Kosmická loď: V oblasti kosmické lodi se uhlíkové vlákno používá k výrobě strukturálních komponent pro rakety a satelity díky své vysoké pevnosti a tepelné odolnosti. Bylo hlášeno, že použití plastu vyztuženého z uhlíkových vláken (CFRP) v raketových a satelitních strukturách snižuje náklady na starty a zvyšuje užitečné zatížení.
Sportovní a volnočasové zboží
Uhlíkové vlákno se také široce používá ve sportovním a volném zboží, zejména v golfových klubech, kol, tenisových raketách a rybářských prutech, díky své vysoké síle a lehké vlastnosti.
Golfové kluby: Golfové kluby z uhlíkových vláken se široce používají kvůli jejich nízké hmotnosti a vysoké elasticitě. Podle statistik můžete zasáhnout golfový míček o 30 yardů více než železný klub s kluby z uhlíkových vláken.
Kolo: Kola z uhlíkových vláken jsou upřednostňována profesionálními jezdci kvůli jejich nízké hmotnosti a vysoké síle. Rámy kol z uhlíkových vláken jsou o čtvrtinu lehčí než rámy z hliníkových slitin a nabízejí lepší tuhost a absorpci nárazů.
Průmyslová a civilní stavebnictví
Aplikace uhlíkových vláken v oblasti průmyslové a civilní konstrukce se zaměřuje hlavně na strukturální posílení a posilování, zejména na posílení mostů, budov a infrastruktury.
Strukturální výztuž: Tkaniny nebo panely z uhlíkových vláken se používají k posílení betonových struktur ke zlepšení jejich seismického výkonu a účetní kapacity zatížení. Bylo popsáno, že techniky vyztužení z uhlíkových vláken zlepšují seismický výkon struktur o více než 40%.
Nová konstrukce: Uhlíkové vlákno se také používá v nové konstrukci, jako jsou střechy s orámovaným příhradovým paprskem vyrobeným z zkumavek z uhlíkových vláken, které jsou asi o 50% lehčí než ocel, a efektivita konstrukce a seismická výkonnost se podstatně zlepšila.
Automobilový průmysl
Aplikace uhlíkových vláken v automobilovém průmyslu se zaměřuje hlavně na lehké vysoce výkonné vozidla a nová energetická vozidla.
Vysoce výkonná vozidla: Uhlíkové vlákno se používá k výrobě těla, podvozku a dalších částí sportovních automobilů a závodních vozů pro své lehké a vysoce pevné vlastnosti, aby se zlepšil výkon a manipulaci s vozidly. Například modely BMW I3 a I8 rozsáhle využívají kompozity z uhlíkových vláken, což vede k významnému snížení hmotnosti vozidla.
Nová energetická vozidla: V oblasti nových energetických vozidel se uhlíkové vlákno používá v bateriových krabicích, strukturách těla atd. Ke snížení hmotnosti vozidel a zlepšení dosahu. Bylo hlášeno, že použití kompozitů z uhlíkových vláken může snížit hmotnost vozidla o 30% až 60% a významně zlepšit energetickou účinnost.
Výzvy a omezení uhlíkových vláken Produkční bariéry a technické potíže s uhlíkovými vlákny jsou jedním z hlavních faktorů, které omezují jejich široké použití.
Následující jsou hlavní výzvy, kterým čelí uhlíkové vlákno ve výrobním procesu:
Vysoké technické bariéry: Produkce uhlíkových vláken má vysoké technické bariéry a zahrnuje složité chemické a fyzikální procesy, včetně více kroků, jako je polymerace, spřádání, předoxidace, karbonizace a grafitizace. Tyto kroky vyžadují přesnou kontrolu podmínek teploty, tlaku a prostředí, aby bylo zajištěno výkon konečného produktu.
Velké investice do vybavení: Vysoké investiční náklady na výrobní vybavení z uhlíkových vláken, zejména vysoce kvalitní pece karbonizace a grafitizace, které jsou technicky náročné a relativně nákladné udržovat, omezují schopnost malých podniků vstoupit do průmyslu.
Náklady na suroviny: Cena akrylonitrilního monomeru, hlavní suroviny pro uhlíkové vlákno na bázi pánve, výrazně kolísá, což ovlivňuje výrobní náklady na uhlíkové vlákno. Kromě toho je výroba vysoce kvalitních prvotních vláken Pan jednou z technických obtíží, která vyžaduje přesné polymerační a spřádací technologie.
Spotřeba energie: Výrobní proces uhlíkových vláken spotřebovává hodně energie, zejména ve fázích karbonizace a grafitizace, které je třeba po dlouhou dobu zpracovat při vysokých teplotách. Tím se nejen zvyšuje výrobní náklady, ale také klade zatížení životního prostředí.
Technologický monopol: „Globální trh s uhlíkovými vlákny je již dlouho monopolizován několika společnostmi, které vlastní velké množství technických patentů a zralých výrobních procesů, což ztěžuje novým účastníkům v krátké době prolomit technologické bariéry.
Kontrola kvality produktu: „Výkon produktů z uhlíkových vláken je velmi citlivý na každý krok ve výrobním procesu a jakékoli malé změny mohou ovlivnit výkon konečného produktu, takže kontrola kvality produktu provádí extrémně vysoké požadavky.
Stručně řečeno, environmentální a zdravotní výzvy ve výrobě a používání uhlíkových vláken je třeba řešit prostřednictvím technologických inovací, přísných opatření na ochranu životního prostředí a účinným strategiím nakládání s odpady. Díky technologickému pokroku a zvýšeným povědomí o životním prostředí se průmysl uhlíkových vláken postupně podniká kroky ke snížení jeho dopadů na životní prostředí a zdraví.
