Graphit VS Kohlefaser: Ein umfassender Vergleich

In der Materialwissenschaft haben Graphit und Kohlenstofffasern hervorragende Eigenschaften und spielen eine wichtige Rolle in vielen Bereichen, von der Luft- und Raumfahrt bis zum täglichen Leben. Ein tiefgreifendes Verständnis ihrer Eigenschaften, Anwendungen und Marktdynamik ist von großer Bedeutung für die Förderung der Entwicklung der Materialwissenschaft.

Grundlegender Überblick über Graphit und Kohlenstofffasern

Graphit

SStruktur

Es hat eine typische schichtförmige Kristallstruktur. Jede Schicht ist durch kovalente Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen verbunden und bildet eine hexagonale, planare Netzwerkstruktur. Dadurch ist die Bindungskraft zwischen den Kohlenstoffatomen in der Schicht stark. Die Schichten interagieren miteinander durch schwächere van-der-Waals-Kräfte. Diese einzigartige Struktur verleiht ihm viele besondere Eigenschaften, wie z. B. eine gute Schmierfähigkeit. Da die van-der-Waals-Kraft zwischen den Schichten schwach ist, lassen sich die Schichten leicht gegeneinander verschieben. Gleichzeitig besitzt es eine gewisse elektrische Leitfähigkeit, und die Elektronen können sich innerhalb der Schicht relativ frei bewegen.

Der Produktionsprozess

Sein Produktionsprozess ist in der Regel komplizierter. In der Regel werden Petrolkoks und Asphaltkoks als Rohstoffe verwendet. Zunächst müssen diese Rohstoffe vorbehandelt werden, um Verunreinigungen zu entfernen. Dann wird es bei hohen Temperaturen kalziniert, um es zunächst graphitiert zu machen. Dann, nach dem Schleifen, Formen und andere Prozesse, um die gewünschte Form zu machen. Schließlich ist es auch notwendig, eine Hochtemperatur-Graphitisierung durchzuführen, um die Reinheit und Kristallinität des Graphits weiter zu verbessern. Im Allgemeinen kann dieser Hochtemperaturprozess 2500℃ -3000 ℃ erreichen, um zu erhalten Graphitwerkstoffe mit hervorragender Leistung.

Kohlefaser

SStruktur

Es handelt sich um eine hochfeste und hochmodulige Faser mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 90%. Aus der Perspektive der Mikrostruktur hat die Anordnung der Kohlenstoffatome in der Kohlefaser eine bestimmte Ausrichtung. Dies zeigt eine ähnliche chaotische Graphitstruktur, die ihr eine hohe Festigkeit und einen hohen Modul verleiht. Die Kohlenstoffatome in der Kohlenstofffaser sind hauptsächlich durch kovalente Bindungen miteinander verbunden und bilden ein stabiles strukturelles Gerüst.

Der Produktionsprozess

Diese basieren im Allgemeinen auf Polyacrylnitril (PAN)-Fasern, Asphaltfasern oder Viskosefasern. Entnahme von PAN-basierte Kohlenstofffaser Der Produktionsprozess beginnt beispielsweise mit der Polymerisation und dem Spinnen des Vorläuferfilaments. Das PAN-Monomer wird zu einem Polymer polymerisiert, und die Faser wird durch den Spinnprozess hergestellt. Anschließend wird eine Voroxidationsbehandlung durchgeführt, und die PAN-Faser wird an der Luft bei 200℃-300℃ oxidiert und vernetzt. Bildung einer hitzebeständigen trapezförmigen Struktur als Vorbereitung für die anschließende Karbonisierung. Durch die anschließende Karbonisierungsbehandlung unter Schutz von 1000℃-1500℃ Inertgas werden die Nicht-Kohlenstoffatome in der Faser entfernt. So dass der Kohlenstoffgehalt erreicht mehr als 90%. Schließlich führen Sie die Graphitierung je nach Bedarf durch. Und weiter verbessern die Kristallinität und Modul der Kohlenstoff-Faser bei hohen Temperaturen über 2000 ℃, um seine Leistung zu verbessern.

Vergleich der Eigenschaften von Graphit und Kohlefaser

Mechanische Eigenschaften

Stärke

Die Stärke der Kohlefaser ist extrem hoch, die Zugfestigkeit der Hochleistungs-Kohlefaser übersteigt 3500MPa, und die spezielle Kohlefaser übersteigt sogar 7000MPa. Sie werden häufig in der Luft- und Raumfahrt und anderen Strukturteilen verwendet, die hohen Zugkräften ausgesetzt sind. Aufgrund der schwachen Van-der-Waals-Kraft zwischen den Schichten ist Graphit leicht zu verrutschen. Und die Zugfestigkeit von gewöhnlichem Graphit beträgt nur einige Dutzend MPa, was niedriger ist als die von Kohlenstofffasern.

Modulus

Der Modul der Kohlefaser ist hoch, in der Regel in der 230-480GPa, die hohe Modul von über 600GPa. Die Kraftverformung ist gering, die Formstabilität ist gut. Der Modul von Graphit ist in der Regel mehrere GPa bis zehn GPa, und der Widerstand gegen Verformung ist viel schlechter als der von Kohlenstofffasern. Es ist schwierig, in Szenarien mit hohen Verformungsanforderungen anzuwenden.

Physikalische Eigenschaften

Dichte

Die Dichte von Kohlenstofffasern beträgt 1,7-2,0 g/cm³. Es handelt sich um ein leichtes Material mit offensichtlichen Vorteilen im Bereich der Luft- und Raumfahrt und des Automobilleichtbaus. Die Dichte von Graphit beträgt 2,09-2,23 g/cm³ und ist damit etwas höher als die von Kohlenstofffasern. Und seine Anwendung ist in Szenarien mit strengen Gewichtsbeschränkungen begrenzt.

Elektrische Leitfähigkeit

Graphit-Leitfähigkeit von 10⁴ – 10⁵ S/m und wird in der Elektronikbranche häufig als Batterieelektrode, Bürste usw. verwendet. Kohlefaser hat eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit von 10² -10⁴ S/m. Sie können ihn jedoch durch eine spezielle Behandlung verbessern, um besonderen Anforderungen gerecht zu werden.

Wärmeleitfähigkeit

Graphit hat eine gute Wärmeleitfähigkeit und Anisotropie, und die Wärmeleitfähigkeit einer parallelen Schicht erreicht Hunderte von W/(m-K). Es wird häufig in Kühlkörpern für elektronische Geräte verwendet. Die Wärmeleitung von Kohlenstofffasern ist ebenfalls anisotrop. Die Wärmeleitfähigkeit entlang der Faserachse liegt bei 100-800 W/(m-K), in vertikaler Richtung bei nur 5-20 W/(m-K).

Chemische Eigenschaften

Korrosionsbeständigkeit

Graphit hat eine gute Korrosionsbeständigkeit und kann den meisten Säuren und Laugen widerstehen. In der chemischen Industrie kann es zur Herstellung von korrosionsbeständigen Rohrleitungen und Reaktorauskleidungen verwendet werden. Kohlenstofffasern sind in der allgemeinen chemischen Umgebung stabil und können üblichen Säuren und Basen widerstehen. In speziellen Umgebungen, z. B. bei stark oxidierenden Säuren, können chemische Reaktionen jedoch zu Leistungseinbußen führen.

Oxidationsbeständigkeit

Graphit und Kohlenstofffasern haben bei Raumtemperatur eine gute Oxidationsbeständigkeit. Allerdings, wie die Temperatur steigt, Graphit reagiert offensichtlich mit Sauerstoff über 400℃. Und bei Kohlenstofffasern ist das Oxidationsphänomen um 300℃ offensichtlich, was ihre Anwendung in aerober Umgebung bei hohen Temperaturen einschränkt. Aber die Oberflächenbeschichtung Behandlung kann bis zu einem gewissen Grad verbessert werden.

Vergleich der Anwendungsbereiche: Graphit vs. Kohlefaser

Anwendungsbereiche von Graphit

In der metallurgischen Industrie, als ein feuerfestes Material, wie Graphit Tiegel kann hohe Temperatur und chemische Erosion standhalten. Graphitform für die Gießereiindustrie zur Verbesserung der Gussgenauigkeit und Oberflächenqualität. Im Bereich der Elektronik können Sie es als Elektrode verwenden und wird auch zur Herstellung von flexiblen Kühlkörpern verwendet. In der Kernkraft Industrie dient es als Moderator, um die Stabilität von Kernreaktionen zu gewährleisten. Außerdem werden in der Stahlindustrie Elektroden aus Graphit als Leiter verwendet, um Lichtbögen zum Schmelzen von Stahl oder Metalllegierungen zu erzeugen.

Anwendungsbereich Kohlefasers

Im Bereich der Luft- und Raumfahrt kann man es aufgrund seiner hohen Festigkeit und geringen Dichte zur Herstellung von Flugzeugflügeln und anderen Komponenten verwenden, um die Flugleistung zu verbessern. In der Sportartikelbranche wird es häufig zur Herstellung hochwertiger Fahrräder, Golfschläger usw. verwendet, um die Qualität zu verbessern. In der AutomobilbrancheSie können damit Karosserieteile und Getriebewellen herstellen, um ein geringes Gewicht zu erreichen und den Energieverbrauch und die Emissionen zu senken.

Kosten- und Marktanalyse: Graphit vs. Kohlefaser

Analyse der Kostenzusammensetzung

Die Kosten für Graphit umfassen Rohstoffe, Energieverbrauch, Abschreibung der Anlagen usw.

Aufgrund der reichlich vorhandenen Rohstoffe und des ausgereiften Verfahrens sind die Gesamtkosten niedrig. Der Anteil der Rohfaserkosten an den Kohlenstofffaserkosten ist groß, der Preis der Hochleistungs-PAN-Rohfaser ist hoch. Der Energieverbrauch des Produktionsprozesses ist hoch, die Ausrüstung ist teuer und die Wartungskosten sind hoch. Dies führt zu hohen Produktionskosten.

Marktstatus und -entwicklung

Der Graphitmarkt ist ausgereift, weit verbreitet, und die Nachfrage ist stabil. Mit der Entwicklung der neuen Energie und Elektronik-Industrie, die Nachfrage nach bestimmten Bereichen ist immer noch wächst. Carbonfaser-Markt schnelles Wachstum in den letzten Jahren, Luft-und Raumfahrt, Automobil-Leichtbau und andere High-End-Bereiche der steigenden Nachfrage. Der technologische Fortschritt und die Erweiterung des Umfangs wird voraussichtlich die Kosten zu senken, Marktaussichten.

Einkaufsführer

Achten Sie beim Kauf von Graphit auf dessen Reinheit, Partikelgröße sowie physikalische und chemische Eigenschaften. Wählen Sie außerdem den richtigen Lieferanten, um sicherzustellen, dass die Graphitprodukte die Anwendungsanforderungen erfüllen, mit Prüfberichten versehen sind und einen umfassenden Kundendienst bieten.

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Schlussfolgerungen

Graphit und Kohlenstofffasern unterscheiden sich erheblich in Struktur, Leistung, Anwendung und Kosten und spielen in verschiedenen Bereichen eine wichtige Rolle. Es wird erwartet, dass sie in Zukunft die Leistung optimieren und die Kosten senken werden. Um den Nutzen zu maximieren, muss man sie je nach Bedarf in praktischen Anwendungen auswählen.