Τι είναι το σύνθετο υλικό άνθρακα;

Καθώς τα πεδία αυξάνουν συνεχώς τις απαιτήσεις για τα υλικά όσον αφορά την ελαφρότητα, την υψηλή αντοχή και την αντίσταση στη διάβρωση, τα παραδοσιακά μεταλλικά υλικά αδυνατούν σταδιακά να ανταποκριθούν σε αυτές τις απαιτήσεις. Ωστόσο, τα σύνθετα υλικά άνθρακα ξεχωρίζουν λόγω της εξαιρετικής συνολικής απόδοσής τους, αποτελώντας την εφαρμογή που βρίσκεται στο επίκεντρο του ενδιαφέροντος στον τομέα των σύγχρονων υλικών. Επομένως, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε τον ορισμό, τη σύνθεση, τα χαρακτηριστικά και τις εφαρμογές του σε συναφείς βιομηχανίες.

Βασικός ορισμός και σύνθεση των σύνθετων υλικών άνθρακα

Ορισμός

Το σύνθετο υλικό άνθρακα είναι ένας νέος τύπος σύνθετου υλικού με συγκεκριμένες λειτουργίες και μηχανικές ιδιότητες. Αποτελείται από ίνες άνθρακα ως ενισχυτικό υλικό, με ρητίνες, μέταλλα, κεραμικά κ.λπ. ως υλικά μήτρας. Και μέσω διεργασιών μορφοποίησης, όπως η μορφοποίηση με συμπίεση, η περιέλιξη, η θερμή συμπίεση κ.λπ., τα δύο αυτά υλικά συνδέονται στενά. Επιτυγχάνεται μια επανάσταση στις επιδόσεις, η οποία υπερβαίνει κατά πολύ τις συνδυασμένες επιδόσεις ενός μεμονωμένου υλικού, όπως ο χάλυβας.

Βασικά στοιχεία

Υλικά ενίσχυσης

Το σώμα ενίσχυσης καθορίζει άμεσα τις μηχανικές ιδιότητες του πυρήνα, όπως η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας του υλικού. Το κύριο συστατικό του είναι η ίνα άνθρακα, η οποία περιλαμβάνει πολλές οργανικές ίνες, όπως το πολυακρυλονιτρίλιο, ίνες βισκόζης κ.λπ. Κατασκευάζονται με την απομάκρυνση των προσμίξεων και την αναδιοργάνωση της ατομικής δομής του άνθρακα μέσω διεργασιών όπως η ενανθράκωση σε υψηλή θερμοκρασία και η γραφιτοποίηση. Τελικά, σχηματίζεται ένα υλικό που μοιάζει με ίνες με διάμετρο μόνο 5-10 μικρομέτρων και περιεκτικότητα σε άνθρακα άνω των 90%. Και με βάση τις διαφορές απόδοσης, οι ίνες άνθρακα μπορούν να ταξινομηθούν σε διάφορες ποιότητες:

Βαθμός γενικής χρήσης (όπως T300)

Η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητάς του είναι μέτρια και έχει χαμηλότερο κόστος, χρησιμοποιείται κυρίως σε αθλητικό εξοπλισμό και συνηθισμένα βιομηχανικά εξαρτήματα.

Βαθμός υψηλής απόδοσης (όπως T800, T1100)

Η αντοχή σε εφελκυσμό μπορεί να φτάσει 5-6 φορές αυτή του χάλυβα, του οποίου το μέτρο ελαστικότητας είναι πολύ υψηλότερο από αυτό του κράματος αλουμινίου. Έτσι, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για τομείς με εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις απόδοσης, όπως η αεροδιαστημική και ο εξοπλισμός υψηλών προδιαγραφών.

Επιπλέον, η μορφή των ινών άνθρακα, όπως συνεχείς ίνες, τεμαχισμένες ίνες, επηρεάζει επίσης τις ιδιότητες του υλικού.

Υλικά μήτρας

Το υλικό της μήτρας είναι υπεύθυνο για τη συγκόλληση των διασκορπισμένων ινών άνθρακα σε ένα σύνολο, το οποίο μεταδίδει ομοιόμορφα τα εξωτερικά φορτία. Και αποτρέπει τη φθορά των ινών άνθρακα που προκαλείται από σκληρά περιβάλλοντα, όπως η διάβρωση και οι υψηλές θερμοκρασίες. Επί του παρόντος, τα κύρια υλικά μήτρας χωρίζονται κυρίως σε τρεις κατηγορίες:

Μήτρα ρητίνης

Εποξειδική ρητίνη:

Έχει ισχυρή πρόσφυση, απλή διαδικασία χύτευσης και ελεγχόμενο κόστος, το οποίο είναι η προτιμώμενη επιλογή για την αεροδιαστημική και τον αθλητικό εξοπλισμό.

Φαινολική ρητίνη:

Έχει καλή αντοχή στη θερμότητα και επιβράδυνση της φλόγας, οπότε χρησιμοποιείται κυρίως σε πυρίμαχα εξαρτήματα.

Ρητίνη πολυιμιδίου:

Μπορεί να λειτουργήσει σταθερά σε θερμοκρασίες άνω των 200 ℃, γεγονός που είναι κατάλληλο για εξαρτήματα κινητήρων υψηλών προδιαγραφών.

Μεταλλική μήτρα

Αποτελείται κυρίως από ελαφρά μέταλλα, όπως το αλουμίνιο, το μαγνήσιο και το τιτάνιο, καθώς και τα κράματά τους. Διαθέτει τόσο υψηλή αντοχή όσο και υψηλή θερμική αγωγιμότητα, αλλά η διαδικασία διαμόρφωσης είναι πολύπλοκη και το κόστος σχετικά υψηλό. Έτσι είναι κατάλληλο για εξαρτήματα απαγωγής θερμότητας σε ηλεκτρονικές συσκευές και πτερύγια κινητήρων αεροσκαφών, τα οποία απαιτούν τη θερμική αγωγιμότητα.

Κεραμική μήτρα

Αποτελείται κυρίως από υλικά όπως καρβίδιο του πυριτίου και αλουμίνα, η οποία έχει εξαιρετική αντοχή στη θερμότητα και εξαιρετική αντοχή στη φθορά. Είναι σε θέση να αντέξει θερμοκρασίες άνω των 1000 ℃, το οποίο είναι το βασικό υλικό για εξαρτήματα σε ακραία περιβάλλοντα.

Βασικά χαρακτηριστικά των σύνθετων υλικών άνθρακα

Υψηλή αντοχή και υψηλό συντελεστή ελαστικότητας

Η αντοχή του σε εφελκυσμό φτάνει αρκετές φορές την αντοχή του χάλυβα και το μέτρο ελαστικότητάς του υπερβαίνει κατά πολύ αυτό των παραδοσιακών μετάλλων. Αυτό επιτρέπει στα εξαρτήματα από σύνθετα υλικά άνθρακα να είναι μικρότερα σε μέγεθος, ελαφρύτερα σε βάρος, γεγονός που εξασφαλίζει σταθερότητα. Και είναι πιο ικανό να αντιστέκεται αποτελεσματικά στην παραμόρφωση, γεγονός που μπορεί να μειώσει την παραμόρφωση της πτέρυγας και να διασφαλίσει την ασφάλεια και τις επιδόσεις της πτήσης.

Χαμηλή πυκνότητα

Σύνθετο υλικό άνθρακα έχουν εξαιρετικά χαμηλή πυκνότητα, μόλις το 1/4 - 1/5 της πυκνότητας του χάλυβα και περίπου το 1/2 της πυκνότητας του αλουμινίου. Έτσι, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για την κατασκευή εξαρτημάτων όπως τα αμαξώματα και τα πλαίσια αυτοκινήτων, τα οποία μπορούν να μειώσουν σημαντικά το βάρος. Και στον τομέα της αεροδιαστημικής, μειώνει το βάρος των αεροσκαφών, γεγονός που μειώνει το κόστος εκτόξευσης και αυξάνει το ωφέλιμο φορτίο και την εμβέλεια.

Αντίσταση στη διάβρωση και αντοχή στην κόπωση

Λόγω της ισχυρής χημικής σταθερότητας και της εξαιρετικής αντοχής στη διάβρωση, δεν αντιδρά με οξέα, αλκάλια και άλατα. Έτσι, μπορεί να λειτουργεί σε σκληρά χημικά περιβάλλοντα για μεγάλο χρονικό διάστημα, γεγονός που παρατείνει τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού και μειώνει το κόστος συντήρησης. Επιπλέον, με την εξαιρετική αντοχή στην κόπωση που παρουσιάζει, η βλάβη εξαπλώνεται αργά και η διάρκεια ζωής σε κόπωση είναι μεγάλη υπό εναλλασσόμενα φορτία.

Δυνατότητα σχεδιασμού

Τα σύνθετα υλικά άνθρακα διαθέτουν υψηλή δυνατότητα σχεδιασμού, η απόδοση των εξαρτημάτων μπορεί να σχεδιαστεί όπως απαιτείται. Μπορείτε να αλλάξετε τους τύπους, το περιεχόμενο, την κατεύθυνση και τη μέθοδο των ίνες άνθρακα, καθώς και την επιλογή διαφορετικών υλικών μήτρας. Επιπλέον, τροποποιώντας τη διαδικασία χύτευσης, μπορείτε να κατασκευάσετε εξαρτήματα σύνθετου σχήματος χωρίς την ανάγκη εκτεταμένων εργασιών κοπής. Αυτό μειώνει τη σπατάλη υλικών και τη βελτίωση της αποδοτικότητας, επιτρέπει την ικανοποίηση ειδικών απαιτήσεων σε διάφορους τομείς και διευρύνει το πεδίο εφαρμογής.

Κύριοι τομείς εφαρμογής των σύνθετων υλικών άνθρακα

Αεροδιαστημικός τομέας

Όσον αφορά τα επιβατικά αεροσκάφη

Μειώνει το βάρος και βελτιώνει την αποδοτικότητα των καυσίμων, γι' αυτό και η άτρακτος, οι πτέρυγες και άλλα βασικά εξαρτήματα κατασκευάζονται σε μεγάλο βαθμό από αυτό. Και ορισμένα μαχητικά αεροσκάφη το χρησιμοποιούν για να κατασκευάσουν τα δέρματα και τις θύρες του θαλάμου βομβών, γεγονός που ενισχύει την ευελιξία και βελτιώνει τις επιδόσεις stealth.

Σε διαστημόπλοιο

Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να μειώσετε το βάρος και να αυξήσετε τη χωρητικότητα φορτίου για δορυφορικά πλαίσια και στηρίγματα ηλιακών συλλεκτών. Και μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες άνω των 3000 ℃ και να εξασφαλίσει την εκτόξευση, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εξαρτήματα υψηλής θερμοκρασίας.

Τομέας μεταφορών

Στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας

Επειδή οι άξονες μετάδοσης 40% είναι ελαφρύτεροι από τους μεταλλικούς, είναι χρήσιμος για την επίτευξη ελαφριάς και εξοικονόμησης ενέργειας. Και έχει υψηλότερη απόδοση μετάδοσης, η οποία το βάρος των ελατηρίων μειώνεται στο μισό, διατηρώντας την αντοχή στην κόπωση.

Στον τομέα των σιδηροδρόμων υψηλής ταχύτητας

Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για τα κελύφη αμαξωμάτων και τα πλαίσια καθισμάτων του τρένου, γεγονός που μειώνει το βάρος του αμαξώματος σε σχέση με το 10%. Και μπορεί να μειώσει την κατανάλωση ενέργειας έλξης από 8% έως 10% και έχει καλή αντοχή στη διάβρωση. Έτσι, μπορεί να μειώσει τη συντήρηση σε υγρό και παράκτιο περιβάλλον και να μειώσει το κόστος λειτουργίας.

Πεδίο αθλητικού εξοπλισμού

Σε εξοπλισμό με μπάλα

Για το πλαίσιο, είναι 30% ελαφρύτερο από το μέταλλο και έχει καλή ελαστικότητα, αποτελεσματική μετάδοση δύναμης και μειώνει τους τραυματισμούς του βραχίονα. Για τα μπαστούνια του γκολφ, μπορείτε να προσαρμόσετε τον άξονα αλλάζοντας τη διάταξη των ινών για να επιτύχετε άκαμπτο άξονα και σκληρή κεφαλή.

Στον εξοπλισμό ποδηλασίας και στίβου

Μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για πλαίσια και τροχούς ποδηλάτων υψηλών προδιαγραφών για να επιτύχετε εξαιρετικά ελαφρύ βάρος και ισχυρή ακαμψία. Χρησιμοποιώντας το για το άλμα επί κοντώ, είναι χρήσιμο για το κοντάρι που αποθηκεύει ενέργεια και βοηθά τους αθλητές να ξεπεράσουν το ύψος.

Βιομηχανικός και νέος ενεργειακός τομέας

Στην αιολική ενέργεια

Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές λεπίδες από ίνες γυαλιού, είναι 30% ελαφρύτερο και πιο ανθεκτικό στην κόπωση. Και μπορεί να λειτουργεί σταθερά σε ισχυρούς θαλάσσιους ανέμους για πάνω από 20 χρόνια, προσαρμοζόμενη στην ανάπτυξη της αιολικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας και της υπεράκτιας ενέργειας.

Στον τομέα των δοχείων υψηλής πίεσης

Λόγω του μικρού του βάρους και της αντοχής του στη διάβρωση, μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για δεξαμενές αποθήκευσης φυσικού αερίου και υδρογόνου. Μπορείτε επίσης να το χρησιμοποιήσετε στις δεξαμενές αποθήκευσης υδρογόνου των οχημάτων κυψελών καυσίμου υδρογόνου, οι οποίες μπορούν να μειώσουν το βάρος και να βελτιώσουν την εμβέλεια.

Συμπέρασμα

Τα σύνθετα υλικά άνθρακα έχουν εξαιρετικές επιδόσεις, με πλεονεκτήματα όπως η υψηλή αντοχή και η χαμηλή πυκνότητα. Και έχει ευρείες προοπτικές εφαρμογής σε τομείς όπως η αεροδιαστημική, οι μεταφορές, ο αθλητικός εξοπλισμός και η βιομηχανική νέα ενέργεια. Επιπλέον, όχι μόνο προωθεί τη βιομηχανική τεχνολογική καινοτομία, αλλά παρέχει επίσης υλικές λύσεις για την ελαχιστοποίηση και τη διατήρηση της ενέργειας.