Υλικά άνθρακα: Υλικά: Ένας ολοκληρωμένος οδηγός

Τα υλικά άνθρακα είναι ένας γενικός όρος για τα στερεά υλικά με βάση τον άνθρακα. Συνήθως αποτελούνται από μικροκρυστάλλους γραφίτη. Υπάρχουν πολλοί τύποι υλικών άνθρακα με εξαιρετικές επιδόσεις και ευρείες προοπτικές εφαρμογής.

I. Ιδιότητες των υλικών άνθρακα

Φυσικές ιδιότητες

Τα υλικά άνθρακα έχουν φυσικές ιδιότητες όπως υψηλή φωτεινότητα διαπερατότητα, υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, υψηλή θερμική αγωγιμότητα και υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Η φωτοπερατότητά του μπορεί να είναι καλή όπως αυτή του γυαλιού και η ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητά του μπορεί να είναι καλή όπως αυτή του χαλκού και του αλουμινίου.

Χημικές ιδιότητες

Το υλικό άνθρακα είναι ένα ανθεκτικό στη διάβρωση υλικό με υψηλή χημική σταθερότητα και καλή αντοχή στη διάβρωση στα περισσότερα οξέα, αλκάλια και άλατα.

II.. Λεπτομερής εξήγηση των κύριων τύπων

Γραφίτης

Ο γραφίτης είναι μια πολυεπίπεδη δομή ατόμων άνθρακα, αποτελούμενη από εξαγωνικά επίπεδα πλέγματος. Κάθε άτομο άνθρακα έχει τέσσερα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Ο γραφίτης έχει καλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, κατάλληλος για την κατασκευή ηλεκτρόδια, εναλλάκτες θερμότητας και άλλους τομείς. Ο γραφίτης μπορεί να χωριστεί σε φυσικό γραφίτη και τεχνητό γραφίτη, οι οποίοι έχουν παρόμοιες δομές, οπότε οι φυσικές και χημικές τους ιδιότητες είναι παρόμοιες, αλλά είναι αρκετά διαφορετικές στην εφαρμογή.

Ενεργός άνθρακας

Ο ενεργός άνθρακας είναι ένα είδος ειδικά επεξεργασμένου άνθρακα, με καλά αναπτυγμένη δομή πόρων και μεγάλη επιφάνεια. Λόγω της ισχυρής ικανότητας προσρόφησης, της μεγάλης ειδικής επιφάνειας, της ανεπτυγμένης δομής εσωτερικών πόρων, της χαμηλής πυκνότητας όγκου και άλλων χαρακτηριστικών, χρησιμοποιείται ευρέως στον καθαρισμό νερού, την αποθείωση, την απονιτροποίηση, την ανάκτηση διαλύτη, την προσρόφηση έκτακτης ανάγκης, την απομάκρυνση υδραργύρου και σε πολλούς άλλους τομείς. Ταυτόχρονα, ο ενεργός άνθρακας χρησιμοποιείται συχνά ως καταλύτης ή φορέας καταλύτη σε χημικές αντιδράσεις όπως η προετοιμασία και η αναμόρφωση αερίου.

Νανοσωλήνας άνθρακα

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μονοδιάστατα νανοϋλικά με εξαιρετικές ιδιότητες υψηλής αντοχής και υψηλής ηλεκτρικής και θερμικής αγωγιμότητας. Και οι μεταγενέστερες εφαρμογές του καλύπτουν κυρίως τη βιομηχανία νέων ενεργειακών οχημάτων, την ψηφιακή βιομηχανία 3C, τη βιομηχανία ημιαγωγών, τις υποδομές ενέργειας και άλλους τομείς. Η ζήτηση για μεγάλης κλίμακας εμπορικές εφαρμογές νανοσωλήνων άνθρακα προέρχεται κυρίως από τον τομέα των μπαταριών λιθίου και των αγώγιμων πλαστικών, εκ των οποίων περισσότεροι από 80% της ζήτησης προέρχονται από τις μπαταρίες λιθίου.

Γραφένιο

Γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο υλικό άνθρακα που αποτελείται από ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα τοποθετημένων σε κυψελωτή διάταξη. Είναι το βασικό δομικό στοιχείο πολλών άλλων ετερόμορφων μορφών άνθρακα, όπως ο γραφίτης, το διαμάντι, ο άνθρακας, οι νανοσωλήνες άνθρακα και τα φουλερένια. Με εξαιρετικά οπτικά, μηχανικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά, το πεδίο εφαρμογής του στη μικρο-νανοεπεξεργασία, την επιστήμη των υλικών, την ενέργεια, τη χορήγηση φαρμάκων και τη βιοϊατρική είναι περισσότερο από ζωτικής σημασίας και θεωρείται ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για τις επόμενες δεκαετίες.

Ίνα άνθρακα

Οι ίνες άνθρακα είναι ένα υλικό ινών υψηλής αντοχής και υψηλής διαμόρφωσης με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεγαλύτερη από 90%. Σχηματίζεται από τη ρωγμάτωση και ενανθράκωση οργανικών ινών όπως το πολυακρυλονιτρίλιο (ή η άσφαλτος και η βισκόζη) σε περιβάλλον υψηλής θερμοκρασίας. Έχει τα χαρακτηριστικά του μικρού βάρους, της υψηλής αντοχής, του υψηλού μέτρου ελαστικότητας, της αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και της αντοχής στη διάβρωση. Αυτό καθιστά τις ίνες άνθρακα ένα νέο στρατηγικό υλικό στον σύγχρονο τομέα της υψηλής τεχνολογίας και είναι γνωστές ως ο "βασιλιάς των νέων υλικών". Οι ίνες άνθρακα μπορούν να ταξινομηθούν με διάφορους τρόπους και μπορούν να διαχωριστούν σε ίνες άνθρακα με βάση το πολυακρυλονιτρίλιο (PAN-CF), με βάση τη βισκόζη (Rayon-CF) και με βάση την άσφαλτο (Pitch-CF) σύμφωνα με τις διαφορετικές πρώτες ύλες.

III. Πεδία εφαρμογής

Νέο ενεργειακό πεδίο:

Τα υλικά άνθρακα έχουν ευρύ φάσμα εφαρμογών στον τομέα της νέας ενέργειας. Για παράδειγμα, τα σύνθετα υλικά με μήτρα άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή μπαταριών και υπερπυκνωτών υψηλής απόδοσης. Το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ηλιακών κυψελών και πτερυγίων αιολικής ενέργειας. Με τη συνεχή ανάπτυξη της νέας ενεργειακής τεχνολογίας, οι προοπτικές εφαρμογής των υλικών άνθρακα στον τομέα της νέας ενέργειας θα είναι ευρύτερες.

Αυτοκίνητο:

Τα υλικά άνθρακα χρησιμοποιούνται στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας για την κατασκευή ελαφρών εξαρτημάτων και εξαρτημάτων κινητήρων υψηλής απόδοσης. Για παράδειγμα, τα σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή αμαξωμάτων και εξαρτημάτων αυτοκινήτων για τη βελτίωση του ελαφρού βάρους και των υψηλών επιδόσεών τους. Το γραφένιο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή κυψελών καυσίμου υψηλής απόδοσης για τη βελτίωση της ισχύος και των οικονομικών επιδόσεων των οχημάτων.

Αεροδιαστημική:

Τα υλικά άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον τομέα της αεροδιαστημικής για την κατασκευή αεροσκαφών και διαστημοπλοίων υψηλών επιδόσεων, μεταξύ άλλων. Για παράδειγμα, τα σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ελαφρών φτερών και ατράκτων για τη βελτίωση των επιδόσεών τους. Το γραφένιο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αεροκινητήρων υψηλής απόδοσης για τη βελτίωση της ισχύος και των οικονομικών επιδόσεων των αεροσκαφών.

Βιομηχανίες:

Τα υλικά άνθρακα χρησιμοποιούνται στον βιομηχανικό τομέα για την κατασκευή εξαρτημάτων και εργαλείων υψηλής απόδοσης. Για παράδειγμα, τα σύνθετα υλικά από ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή προηγμένων μηχανικών εξαρτημάτων και βιομηχανικών σωλήνων κ.ο.κ. για τη βελτίωση των επιδόσεων και της διάρκειας ζωής τους. Επιπλέον, το γραφένιο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αντλιών και βαλβίδων υψηλής απόδοσης για τη βελτίωση της αποδοτικότητας της βιομηχανικής παραγωγής.

Ιατρικός τομέας

Τα υλικά άνθρακα είναι ιδανικά υλικά για χειρουργικά εμφυτεύματα. Και έχουν κατασκευαστεί με επιτυχία εμφυτεύματα όπως τεχνητά οστά, τεχνητοί γοφοί, αρθρώσεις γόνατος και καρδιακές βαλβίδες.

Ημιαγωγοί

Τα υλικά άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή εξαρτημάτων θερμικού πεδίου ημιαγωγών, υλικών ηλεκτροδίων, υποστρωμάτων απαγωγής θερμότητας, περιβλημάτων συσκευασιών, ανιχνευτών επιθεώρησης και άλλων.

Φωτοβολταϊκό πεδίο

Τα υλικά άνθρακα είναι υποκατάστατα εισαγωγής προϊόντων ισοστατικού γραφίτη υψηλής καθαρότητας. Ως εκ τούτου, τα υλικά άνθρακα έχουν υλοποιηθεί με επιτυχία στο σύστημα φωτοβολταϊκού θερμικού πεδίου και χρησιμοποιούνται ευρέως ως αναλώσιμα μακράς διάρκειας κρυστάλλου στο φωτοβολταϊκό θερμικό πεδίο. Όπως χωνευτήρια, κύλινδροι εκτροπής, κύλινδροι μόνωσης κ.λπ.

Ενεργειακός τομέας

Τα υλικά άνθρακα έχουν ευρύ φάσμα εφαρμογών στον τομέα της ενέργειας. Για παράδειγμα, το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό ηλεκτροδίων για ηλιακές κυψέλες και μπαταρίες λιθίου για τη βελτίωση της ενεργειακής πυκνότητας και της ταχύτητας φόρτισης και εκφόρτισης των μπαταριών. Οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως υλικά αποθήκευσης υδρογόνου για τη βελτίωση της ποσότητας και του ρυθμού αποθήκευσης υδρογόνου. Οι ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φορείς καταλυτών για κυψέλες καυσίμου για τη βελτίωση της δραστικότητας και της σταθερότητας του καταλύτη.

Περιβαλλοντικός τομέας

Τα υλικά άνθρακα έχουν επίσης ευρύ φάσμα εφαρμογών στον τομέα του περιβάλλοντος. Για παράδειγμα, το γραφένιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί στον τομέα της επεξεργασίας νερού και του καθαρισμού του αέρα για τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της επεξεργασίας και του αποτελέσματος καθαρισμού. Οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την προσρόφηση και την απομάκρυνση επιβλαβών ουσιών στο νερό και τον αέρα. Οι ίνες άνθρακα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή περιβαλλοντικών αισθητήρων που παρακολουθούν τα επίπεδα χημικών ουσιών και ρύπων στο περιβάλλον.

V. Μελλοντικές προοπτικές

Η βιομηχανία νέων υλικών αποτελεί σημαντική στήριξη για τομείς υψηλής τεχνολογίας όπως η βιοϊατρική, η τεχνολογία της πληροφορίας και η νέα ενέργεια, καθώς και για τα υλικά άνθρακα. Και ως σημαντικό συστατικό, τα υλικά άνθρακα έχουν στρατηγική θέση. Τα τελευταία χρόνια, η οικογένεια του άνθρακα έχει επεκταθεί και περιλαμβάνει διαμάντια, ίνες άνθρακα, σύνθετα υλικά άνθρακα/άνθρακα, γραφίτη, σκληρό άνθρακα, γραφένιο, νανοσωλήνες άνθρακα, κουκίδες άνθρακα, ....... Τα σενάρια εφαρμογής του επεκτείνονται επίσης συνεχώς, επιταχύνοντας την καινοτομία της οικολογικής βιομηχανικής αλυσίδας διαφόρων βιομηχανιών. Επιπλέον, από το 2024, η οικονομία του χαμηλού υψομέτρου έχει αυξηθεί ραγδαία. Ως βασικό υλικό στα ανάντη της βιομηχανικής αλυσίδας, οι ίνες άνθρακα και τα σύνθετα υλικά τους θα συμβάλουν με σημαντική δύναμη στην προώθηση της ανάπτυξης της οικονομίας χαμηλού υψομέτρου. Ως εκ τούτου, έχουμε λόγους να πιστεύουμε ότι οι προοπτικές της βιομηχανίας ανθρακικών υλικών είναι πολύ ευρείες.