Matériaux en carbone : Un guide complet

Les matériaux en carbone sont un terme général désignant les matériaux solides à base de carbone. Ils sont généralement composés de microcristaux de graphite. Il existe de nombreux types de matériaux à base de carbone présentant d'excellentes performances et de vastes perspectives d'application.

I. Propriétés des matériaux en carbone

Propriétés physiques

Les matériaux en carbone ont des propriétés physiques telles que haute luminosité La transmission de la lumière est bonne, la conductivité électrique élevée, la conductivité thermique élevée et la résistance à la corrosion élevée. Sa transmission de la lumière peut être aussi bonne que celle du verre, et sa conductivité électrique et thermique peut être aussi bonne que celle du cuivre et de l'aluminium.

Propriétés chimiques

Le carbone est un matériau résistant à la corrosion qui présente une grande stabilité chimique et une bonne résistance à la corrosion de la plupart des acides, des alcalis et des sels.

II.. Explication détaillée des principaux types

Graphite

Le graphite est une structure en couches d'atomes de carbone, composée de plans de grille hexagonaux. Chaque atome de carbone possède quatre électrons libres. Le graphite possède une bonne conductivité électrique et thermique, et convient à la fabrication de matériaux de construction. électrodesLe graphite peut être divisé en deux catégories : le graphite naturel et le graphite artificiel. Le graphite peut être divisé en deux catégories : le graphite naturel et le graphite artificiel. Les deux ont des structures similaires et leurs propriétés physiques et chimiques sont donc semblables, mais leurs applications sont très différentes.

Charbon actif

Le charbon actif est une sorte de charbon spécialement traité, avec une structure de pores bien développée et une grande surface. En raison de sa forte capacité d'adsorption, de sa grande surface spécifique, de sa structure interne de pores développée, de sa faible densité apparente et d'autres caractéristiques, il est largement utilisé dans la purification de l'eau, la désulfuration, la dénitrification, la récupération de solvants, l'adsorption d'urgence, l'élimination du mercure et bien d'autres domaines. Parallèlement, le charbon actif est souvent utilisé comme catalyseur ou support de catalyseur dans des réactions chimiques telles que la préparation et le reformage de gaz.

Nanotube de carbone

Le nanotube de carbone est un nanomatériau unidimensionnel doté d'excellentes propriétés de résistance et de conductivité électrique et thermique. Ses applications en aval couvrent principalement l'industrie des véhicules à énergie nouvelle, l'industrie numérique 3C, l'industrie des semi-conducteurs, l'infrastructure énergétique et d'autres domaines. La demande d'applications commerciales à grande échelle de nanotubes de carbone provient principalement du domaine des piles au lithium et des plastiques conducteurs, dont plus de 80% de la demande provient des piles au lithium.

Graphène

Graphène est un matériau de carbone bidimensionnel constitué d'une seule couche d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille. C'est l'élément structurel de base de nombreux autres hétéromorphes du carbone, tels que le graphite, le diamant, le carbone, les nanotubes de carbone et les fullerènes. Grâce à ses excellentes caractéristiques optiques, mécaniques et électriques, son champ d'application dans les domaines du micro-nano-traitement, de la science des matériaux, de l'énergie, de l'administration de médicaments et de la biomédecine est plus que vital, et il est considéré comme un matériau prometteur pour les prochaines décennies.

Fibre de carbone

La fibre de carbone est un matériau fibreux à haute résistance et à haut module dont la teneur en carbone est supérieure à 90%. Elle est formée par la fissuration et la carbonisation de fibres organiques telles que le polyacrylonitrile (ou l'asphalte et la viscose) dans un environnement à haute température. Elle présente les caractéristiques suivantes : légèreté, résistance élevée, module élevé, résistance aux températures élevées et à la corrosion. Cela fait de la fibre de carbone un nouveau matériau stratégique dans le domaine de la haute technologie moderne et elle est connue comme le "roi des nouveaux matériaux". Les fibres de carbone peuvent être classées de différentes manières et peuvent être divisées en fibres de carbone à base de polyacrylonitrile (PAN-CF), à base de viscose (Rayon-CF) et à base d'asphalte (Pitch-CF) en fonction des différentes matières premières.

III. Domaines d'application

Nouveau champ énergétique :

Les matériaux à base de carbone ont un large éventail d'applications dans le domaine des nouvelles énergies. Par exemple, les composites à matrice de carbone peuvent être utilisés pour fabriquer des batteries et des supercondensateurs à haut rendement. Le graphène peut être utilisé pour fabriquer des cellules solaires et des pales d'éoliennes. Avec le développement continu des nouvelles technologies énergétiques, les perspectives d'application des matériaux à base de carbone dans le domaine des nouvelles énergies vont s'élargir.

Automobile :

Les matériaux en carbone sont utilisés dans le secteur automobile pour fabriquer des composants légers et des composants de moteur à haut rendement. Par exemple, les composites à base de fibres de carbone peuvent être utilisés pour fabriquer des carrosseries et des pièces automobiles afin d'améliorer leur légèreté et leurs performances. Le graphène peut également être utilisé pour fabriquer des piles à combustible à haut rendement afin d'améliorer la puissance et les performances économiques des véhicules.

Aérospatiale :

Les matériaux en carbone peuvent être utilisés dans le domaine aérospatial pour fabriquer, entre autres, des avions et des engins spatiaux très performants. Par exemple, les composites à base de fibres de carbone peuvent être utilisés pour fabriquer des ailes et des fuselages légers afin d'améliorer leurs performances. Le graphène peut également être utilisé pour fabriquer des moteurs aéronautiques à haute performance afin d'améliorer la puissance et les performances économiques des avions.

Industries :

Les matériaux en carbone sont utilisés dans le secteur industriel pour fabriquer des composants et des outils de haute performance. Par exemple, les composites à base de fibres de carbone peuvent être utilisés pour fabriquer des pièces mécaniques de pointe, des tuyaux industriels, etc. afin d'améliorer leurs performances et leur durée de vie. En outre, le graphène peut également être utilisé pour fabriquer des pompes et des valves à haut rendement afin d'améliorer l'efficacité de la production industrielle.

Domaine médical

Les matériaux en carbone sont idéaux pour les implants chirurgicaux. Des implants tels que des os artificiels, des hanches artificielles, des articulations du genou et des valves cardiaques ont été fabriqués avec succès.

Semi-conducteurs

Les matériaux en carbone peuvent être utilisés pour fabriquer des composants de champ thermique de semi-conducteurs, des matériaux d'électrode, des substrats de dissipation thermique, des boîtiers, des sondes d'inspection, etc.

Champ photovoltaïque

Les matériaux à base de carbone remplacent les produits à base de graphite isostatique de haute pureté. Par conséquent, les matériaux en carbone ont été utilisés avec succès dans le système de champ thermique photovoltaïque et largement utilisés comme consommables à long cristal dans le champ thermique photovoltaïque. Tels que les creusets, les cylindres de dérivation, les cylindres d'isolation, etc.

Secteur de l'énergie

Les matériaux à base de carbone ont un large éventail d'applications dans le secteur de l'énergie. Par exemple, le graphène peut être utilisé comme matériau d'électrode pour les cellules solaires et les batteries au lithium afin d'améliorer la densité énergétique et la vitesse de charge et de décharge des batteries. Les nanotubes de carbone peuvent être utilisés comme matériaux de stockage de l'hydrogène pour améliorer la quantité et la vitesse de stockage de l'hydrogène. La fibre de carbone peut être utilisée comme support de catalyseur pour les piles à combustible afin d'améliorer l'activité et la stabilité du catalyseur.

Domaine de l'environnement

Les matériaux à base de carbone ont également un large éventail d'applications dans le domaine de l'environnement. Par exemple, le graphène peut être utilisé dans le domaine du traitement de l'eau et de la purification de l'air pour améliorer l'efficacité du traitement et l'effet de purification. Les nanotubes de carbone peuvent être utilisés pour adsorber et éliminer les substances nocives dans l'eau et l'air. La fibre de carbone peut être utilisée pour fabriquer des capteurs environnementaux qui surveillent les niveaux de produits chimiques et de polluants dans l'environnement.

V. Perspectives d'avenir

L'industrie des nouveaux matériaux est un soutien important pour les domaines de pointe tels que la biomédecine, les technologies de l'information, les nouvelles énergies et les matériaux à base de carbone. En tant que composant important, les matériaux à base de carbone occupent une position stratégique. Ces dernières années, la famille du carbone s'est élargie pour inclure le diamant, la fibre de carbone, les composites carbone/carbone, le graphite, le carbone dur, le graphène, les nanotubes de carbone, les points de carbone, ....... Ses scénarios d'application sont également en constante expansion, accélérant l'innovation de la chaîne industrielle écologique de diverses industries. En outre, depuis 2024, l'économie de basse altitude a connu une croissance rapide. En tant que matériau clé en amont de la chaîne industrielle, la fibre de carbone et ses matériaux composites contribueront grandement à promouvoir le développement de l'économie de basse altitude. Nous avons donc des raisons de penser que les perspectives de l'industrie des matériaux en carbone sont très vastes.