الجرافيت مقابل ألياف الكربون: مقارنة شاملة

في مجال علوم المواد، يتمتع الجرافيت وألياف الكربون بخصائص ممتازة ويلعبان دورًا مهمًا في العديد من المجالات من الفضاء إلى الحياة اليومية. ويكتسب الفهم المتعمق لخصائصهما وتطبيقاتهما وديناميكيات السوق أهمية كبيرة لتعزيز تطوير علم المواد.

نظرة عامة أساسية على الجرافيت وألياف الكربون

الجرافيت

Sالهيكل

وله بنية بلورية نموذجية متعددة الطبقات. وترتبط كل طبقة منها بروابط تساهمية بين ذرات الكربون، لتشكل بنية شبكية مستوية سداسية الشكل. وهذا يجعل قوة الترابط بين ذرات الكربون في الطبقة قوية. وتتفاعل الطبقات مع بعضها البعض من خلال قوى فان دير فال الأضعف. ويمنحها هذا التركيب الفريد العديد من الخصائص المميزة، مثل التزليق الجيد. ونظرًا لضعف قوة فان دير فال بين الطبقات، يسهل انزلاق الطبقات بالنسبة لبعضها البعض. وفي الوقت نفسه، تتمتع أيضًا بتوصيلية كهربائية معينة، ويمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية نسبية داخل الطبقة.

عملية الإنتاج

وعادة ما تكون عملية إنتاجه أكثر تعقيدًا. وهي تستخدم عادةً فحم الكوك البترولي وفحم الكوك الإسفلتي كمواد خام. أولاً، تحتاج أولاً إلى معالجة هذه المواد الخام مسبقًا لإزالة الشوائب. بعد ذلك، يتم تكليسها في درجات حرارة عالية لجعلها مكلسة في البداية. ثم، بعد الطحن والتشكيل والعمليات الأخرى لجعلها بالشكل المطلوب. أخيرًا، من الضروري أيضًا إجراء معالجة الجرافيت بدرجة حرارة عالية لزيادة تحسين نقاء وبلورة الجرافيت. بشكل عام، يمكن أن تصل عملية درجة الحرارة العالية هذه إلى 2500 ℃ -3000 ℃، من أجل الحصول على مواد الجرافيت بأداء ممتاز.

ألياف الكربون

Sالهيكل

وهي ألياف عالية القوة وعالية المعامل بمحتوى كربون يزيد عن 90%. ومن منظور البنية المجهرية، فإن ترتيب ذرات الكربون في ألياف الكربون له اتجاه معين. وهذا يُظهر بنية جرافيت فوضوية مماثلة، مما يجعلها تتمتع بقوة ومعامل عالي. ترتبط ذرات الكربون في ألياف الكربون بشكل أساسي من خلال الروابط التساهمية لتشكيل إطار هيكلي مستقر.

عملية الإنتاج

ويعتمد ذلك بشكل عام على ألياف البولي أكريلونيتريل (PAN) أو الألياف الإسفلتية أو ألياف الفسكوز. أخذ ألياف الكربون المستندة إلى PAN كمثال، تبدأ عملية الإنتاج ببلمرة وغزل خيوط السلائف. تتم بلمرة مونومر PAN إلى بوليمر، وتصنع الألياف من خلال عملية الغزل. ثم تتم معالجة ما قبل الأكسدة، وأكسدة ألياف PAN وربطها في الهواء عند درجة حرارة تتراوح بين 200 و300 درجة مئوية. لتشكيل هيكل شبه منحرف مقاوم للحرارة للتحضير للكربنة اللاحقة. ثم تتم المعالجة بالكربنة، تحت حماية 1000 ℃ -1500 ℃ غاز خامل، لإزالة الذرات غير الكربونية في الألياف. بحيث يصل محتوى الكربون إلى أكثر من 90%. أخيرًا، قم بإجراء الجرافيت وفقًا للاحتياجات. وزيادة تحسين تبلور ومعامل ألياف الكربون في درجات حرارة عالية أعلى من 2000 ℃ لتحسين أدائها.

مقارنة خصائص الجرافيت مقابل ألياف الكربون

الخواص الميكانيكية

القوة

قوة ألياف الكربون عالية للغاية، حيث تتجاوز قوة الشد لألياف الكربون عالية الأداء 3500 ميجا باسكال، وتتجاوز ألياف الكربون الخاصة 7000 ميجا باسكال. يمكنك استخدامها غالبًا في صناعة الطيران والأجزاء الهيكلية الأخرى التي تتحمل قوى شد عالية. ونظرًا لضعف قوة فان دير فال بين الطبقات، يسهل انزلاق الجرافيت. وتبلغ قوة الشد للجرافيت العادي عشرات ميجا باسكال فقط، وهي أقل من ألياف الكربون.

المعامل

معامل ألياف الكربون مرتفع، بشكل عام في 230-480 جيجا باسكال، المعامل العالي الذي يزيد عن 600 جيجا باسكال. تشوه القوة صغير، واستقرار الشكل جيد. وعادةً ما يكون معامل الجرافيت عادةً من عدة جيجا باسكال إلى عشرات الجيجا باسكال، ومقاومة التشوه أسوأ بكثير من ألياف الكربون. من الصعب تطبيقها في سيناريوهات ذات متطلبات تشوه عالية.

الخصائص الفيزيائية

الكثافة

تبلغ كثافة ألياف الكربون 1.7-2.0 جم/سم مكعب. وهي مادة خفيفة الوزن ذات مزايا واضحة في مجال صناعة الطيران والسيارات خفيفة الوزن. تبلغ كثافة الجرافيت 2.09-2.23 جم/سم مكعب، وهي أعلى قليلاً من ألياف الكربون. وتطبيقه محدود في سيناريوهات ذات قيود صارمة على الوزن.

التوصيل الكهربائي

موصلية الجرافيت 10⁴ – 10⁵ S/m، وتستخدم عادةً في المجال الإلكتروني كقطب كهربائي للبطارية وفرشاة وما إلى ذلك. تتميز ألياف الكربون بموصلية كهربائية منخفضة نسبيًا تبلغ 10² -10⁴ س/م. ولكن يمكنك تحسينه بمعالجة خاصة لتلبية الاحتياجات الخاصة.

التوصيل الحراري

يتمتع الجرافيت بموصلية حرارية جيدة وتباين في الخواص الحرارية، وتصل الموصلية الحرارية للطبقة المتوازية إلى مئات الواط/(م-ك). يمكنك استخدامه غالبًا في المشتتات الحرارية للمعدات الإلكترونية. كما أن التوصيل الحراري لألياف الكربون متباين الخواص. وتبلغ الموصلية الحرارية على طول محور الألياف 100-800 واط/(م-ك)، والاتجاه الرأسي 5-20 واط/(م-ك) فقط.

الخواص الكيميائية

مقاومة التآكل

يتمتع الجرافيت بمقاومة جيدة للتآكل، ويمكنه مقاومة معظم التآكل الحمضي والقلوي. ويمكنك استخدامه في الصناعة الكيميائية لصنع خطوط أنابيب وبطانات مفاعلات مقاومة للتآكل. ألياف الكربون مستقرة في البيئة الكيميائية العامة ويمكنها تحمل المحاليل الحمضية والقاعدية الشائعة. ولكن في البيئات الخاصة مثل الأحماض المؤكسدة القوية، قد تتسبب التفاعلات الكيميائية في تدهور الأداء.

مقاومة الأكسدة

يتمتع الجرافيت وألياف الكربون بمقاومة جيدة للأكسدة في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، مع ارتفاع درجة الحرارة، يتفاعل الجرافيت بشكل واضح مع الأكسجين فوق 400 درجة مئوية. وتتميز ألياف الكربون بظاهرة أكسدة واضحة عند حوالي 300 درجة مئوية، مما يحد من تطبيقها في البيئة الهوائية ذات درجة الحرارة العالية. ولكن يمكن تحسين معالجة طلاء السطح إلى حد ما.

مقارنة بين مجالات التطبيق: الجرافيت مقابل ألياف الكربون

مجالات تطبيق الجرافيت

في صناعة المعادن، كمادة حرارية، مثل بوتقة الجرافيت يمكن أن تتحمل درجات الحرارة العالية والتآكل الكيميائي. قالب الجرافيت لصناعة الصب لتحسين دقة الصب وجودة السطح. في مجال الإلكترونيات، يمكنك استخدامه كقطب كهربائي ويستخدم أيضًا لتصنيع أحواض حرارية مرنة. في نووي تعمل كوسيط لضمان استقرار التفاعلات النووية. إلى جانب ذلك، في صناعة صناعة الصلب، تُستخدم الأقطاب الكهربائية المصنوعة من الجرافيت كموصلات لتوليد أقواس كهربائية لصهر الصلب أو السبائك المعدنية.

مجال تطبيق ألياف الكربونs

مجال الفضاء، مع قوة عالية وخصائص منخفضة الكثافة، يمكنك استخدامه لتصنيع أجنحة الطائرات والمكونات الأخرى، وتحسين أداء الطيران. في مجال السلع الرياضية، يمكنك استخدامه في كثير من الأحيان لتصنيع الدراجات الهوائية الراقية ونوادي الجولف وما إلى ذلك، لتحسين الجودة. في صناعة السيارات، يمكنك استخدامه لتصنيع أجزاء الهيكل وأعمدة نقل الحركة لتحقيق خفة الوزن وتقليل استهلاك الطاقة والانبعاثات.

تحليل التكلفة والسوق: الجرافيت مقابل ألياف الكربون

تحليل تكوين التكلفة

تغطي تكلفة الجرافيت المواد الخام، واستهلاك الطاقة واستهلاك المعدات، وما إلى ذلك.

وبسبب وفرة المواد الخام والعملية الناضجة، فإن التكلفة الإجمالية منخفضة. ونسبة تكلفة الألياف الخام في تكلفة ألياف الكربون كبيرة، وسعر ألياف PAN الخام عالية الأداء مرتفع. كما أن استهلاك الطاقة في عملية الإنتاج كبير، والمعدات باهظة الثمن، وتكلفة الصيانة مرتفعة. ويؤدي ذلك إلى ارتفاع تكاليف الإنتاج.

حالة السوق واتجاهاته

سوق الجرافيت ناضج، ويستخدم على نطاق واسع، والطلب عليه مستقر. مع تطور صناعات الطاقة الجديدة والإلكترونيات، لا يزال الطلب على مجالات محددة في تزايد مستمر. النمو السريع لسوق ألياف الكربون في السنوات الأخيرة، والفضاء، والسيارات خفيفة الوزن وغيرها من المجالات الراقية ذات الطلب المتزايد. من المتوقع أن يؤدي التقدم التكنولوجي وتوسيع النطاق إلى خفض التكاليف وآفاق السوق.

دليل الشراء

عند شراء الجرافيت، تأكد من مراعاة النقاء وحجم الجسيمات والخصائص الفيزيائية والكيميائية. اختر أيضًا المورد المناسب للتأكد من أن منتجات الجرافيت تفي بمتطلبات التطبيق، وتأتي مع تقارير الاختبار وخدمة ما بعد البيع الكاملة.

هل تبحث عن مواد جرافيت عالية الأداء؟ اكتشف منتجاتنا عالية الجودة من الجرافيت المصممة لمساعدتك على تحسين أداء منتجاتك الصناعية وقدرتها التنافسية بشكل أكثر فعالية. اشتر الآن.

الاستنتاجات

يختلف الجرافيت وألياف الكربون اختلافًا كبيرًا في الهيكل والأداء والتطبيق والتكلفة، ويلعب كل منهما دورًا رئيسيًا في مجالات مختلفة. ومن المتوقع أن يؤديا في المستقبل إلى تحسين الأداء وخفض التكاليف. ويجب أن يتم اختيارها بشكل معقول وفقًا للطلب في التطبيقات العملية لتحقيق أقصى قدر من الفوائد.