Graphite VS fibre de carbone : Une comparaison complète

Dans le domaine de la science des matériaux, le graphite et la fibre de carbone ont d'excellentes propriétés et jouent un rôle important dans de nombreux domaines, de l'aérospatiale à la vie quotidienne. Une compréhension approfondie de leurs propriétés, de leurs applications et de la dynamique du marché est d'une grande importance pour promouvoir le développement de la science des matériaux.

Vue d'ensemble du graphite et de la fibre de carbone

Graphite

Structure

Il présente une structure cristalline en couches typique. Chaque couche est reliée par des liaisons covalentes entre les atomes de carbone, formant une structure de réseau planaire hexagonale. La force de liaison entre les atomes de carbone de la couche est donc forte. Les couches interagissent entre elles par le biais de forces de van der Waals plus faibles. Cette structure unique lui confère de nombreuses propriétés particulières, telles qu'un bon pouvoir lubrifiant. Comme la force de van der Waals entre les couches est faible, les couches glissent facilement l'une par rapport à l'autre. Dans le même temps, il présente également une certaine conductivité électrique et les électrons peuvent se déplacer relativement librement à l'intérieur de la couche.

Le processus de production

Son processus de production est généralement plus complexe. Il utilise généralement du coke de pétrole et du coke d'asphalte comme matières premières. Il faut d'abord prétraiter ces matières premières pour en éliminer les impuretés. Ensuite, elles sont calcinées à haute température pour les rendre initialement graphitisées. Ensuite, après le broyage, le formage et d'autres processus pour obtenir la forme souhaitée. Enfin, il est également nécessaire d'effectuer un traitement de graphitisation à haute température pour améliorer encore la pureté et la cristallinité du graphite. En général, ce traitement à haute température peut atteindre 2500℃ -3000 ℃, afin d'obtenir matériaux en graphite avec d'excellentes performances.

Fibre de carbone

Structure

Il s'agit d'une fibre à haute résistance et à haut module dont la teneur en carbone est supérieure à 90%. Du point de vue de la microstructure, l'arrangement des atomes de carbone de la fibre de carbone présente une certaine orientation. Elle présente une structure chaotique similaire à celle du graphite, ce qui lui confère une résistance et un module élevés. Les atomes de carbone de la fibre de carbone sont principalement liés par des liaisons covalentes pour former un cadre structurel stable.

Le processus de production

Elle est généralement basée sur la fibre de polyacrylonitrile (PAN), la fibre d'asphalte ou la fibre de viscose. La prise Fibre de carbone à base de PAN à titre d'exemple, le processus de production commence par la polymérisation et le filage du filament précurseur. Le monomère PAN est polymérisé en un polymère, et la fibre est fabriquée par le processus de filage. Ensuite, le traitement de pré-oxydation est effectué, et la fibre PAN est oxydée et réticulée dans l'air à 200℃-300℃. Former une structure trapézoïdale résistante à la chaleur pour préparer la carbonisation ultérieure. Ensuite, le traitement de carbonisation, sous la protection de 1000℃ -1500℃ gaz inerte, enlever les atomes de non-carbone dans la fibre. Ainsi, la teneur en carbone atteint plus de 90%. Enfin, effectuer la graphitisation selon les besoins. Et améliorer davantage la cristallinité et le module de la fibre de carbone à des températures élevées supérieures à 2000 ℃ pour améliorer ses performances.

Comparaison des propriétés du graphite et de la fibre de carbone

Propriétés mécaniques

La force

Résistance de la fibre de carbone est extrêmement élevée, la résistance à la traction de la fibre de carbone haute performance dépasse 3500MPa, et la fibre de carbone spéciale dépasse même 7000MPa. Elle est souvent utilisée dans l'aérospatiale et dans d'autres pièces structurelles qui supportent des forces de traction élevées. En raison de la faible force de van der Waals entre les couches, le graphite glisse facilement. La résistance à la traction du graphite ordinaire n'est que de quelques dizaines de MPa, ce qui est inférieur à celle de la fibre de carbone.

Module

Le module de la fibre de carbone est élevé, généralement compris entre 230 et 480GPa, le module élevé dépassant 600GPa. La déformation due à la force est faible, la stabilité de la forme est bonne. Le module du graphite est généralement de quelques GPa à quelques dizaines de GPa, et la résistance à la déformation est bien moins bonne que celle de la fibre de carbone. Il est difficile de l'utiliser dans des scénarios où les exigences en matière de déformation sont élevées.

Propriétés physiques

Densité

La densité de la fibre de carbone est de 1,7 à 2,0 g/cm³. Il s'agit d'un matériau léger qui présente des avantages évidents dans le domaine de l'aérospatiale et de l'automobile. La densité du graphite est de 2,09-2,23 g/cm³, ce qui est légèrement supérieur à la fibre de carbone. Son application est limitée à des scénarios avec des restrictions de poids strictes.

Conductivité électrique

Conductivité du graphite de 10⁴ – 10⁵ S/m, couramment utilisée dans le domaine électronique comme électrode de batterie, brosse, etc. La fibre de carbone a une conductivité électrique relativement faible de 10² -10⁴ S/m. Mais il est possible de l'améliorer par un traitement spécial pour répondre à des besoins spécifiques.

Conductivité thermique

Le graphite présente une bonne conductivité et anisotropie thermiques, et la conductivité thermique des couches parallèles atteint des centaines de W/(m-K). Il est souvent utilisé dans les dissipateurs thermiques des équipements électroniques. La conduction thermique de la fibre de carbone est également anisotrope. La conductivité thermique le long de l'axe de la fibre est de 100 à 800 W/(m-K), et dans la direction verticale, elle n'est que de 5 à 20 W/(m-K).

Propriétés chimiques

Résistance à la corrosion

Le graphite présente une bonne résistance à la corrosion et peut résister à la plupart des érosions acides et alcalines. Il peut être utilisé dans l'industrie chimique pour fabriquer des pipelines et des revêtements de réacteurs résistants à la corrosion. La fibre de carbone est stable dans l'environnement chimique général et peut résister aux solutions acides et basiques courantes. Mais dans des environnements spéciaux tels que les acides oxydants forts, les réactions chimiques peuvent entraîner une dégradation des performances.

Résistance à l'oxydation

Le graphite et la fibre de carbone ont une bonne résistance à l'oxydation à température ambiante. Cependant, à mesure que la température augmente, le graphite réagit manifestement avec l'oxygène au-dessus de 400℃. Et la fibre de carbone présente un phénomène d'oxydation évident autour de 300℃, ce qui limite leur application dans un environnement aérobie à haute température. Mais le traitement du revêtement de surface peut être amélioré dans une certaine mesure.

Comparaison des domaines d'application : graphite et fibre de carbone

Domaines d'application du graphite

Dans l'industrie métallurgique, en tant que matériau réfractaire, le creuset en graphite peut résister à des températures élevées et à l'érosion chimique. Le moule en graphite pour l'industrie de la fonderie permet d'améliorer la précision du moulage et la qualité de la surface. Dans le domaine de l'électronique, il peut être utilisé comme électrode et sert également à fabriquer des dissipateurs thermiques flexibles. Dans le domaine de l nucléaire Dans l'industrie nucléaire, il sert de modérateur pour assurer la stabilité des réactions nucléaires. Par ailleurs, dans l'industrie sidérurgique, des électrodes en graphite sont utilisées comme conducteurs pour générer des arcs électriques afin de fondre l'acier ou les alliages métalliques.

Domaine d'application de la fibre de carbones

Dans le domaine aérospatial, grâce à ses caractéristiques de haute résistance et de faible densité, il peut être utilisé pour fabriquer des ailes d'avion et d'autres composants, afin d'améliorer les performances de vol. Dans le domaine des articles de sport, il est souvent utilisé pour fabriquer des bicyclettes haut de gamme, des clubs de golf, etc. afin d'améliorer la qualité. Dans le secteur des l'industrie automobileVous pouvez l'utiliser pour fabriquer des pièces de carrosserie et des arbres de transmission afin de les alléger et de réduire la consommation d'énergie et les émissions.

Analyse des coûts et du marché : graphite et fibre de carbone

Analyse de la composition des coûts

Le coût du graphite couvre les matières premières, la consommation d'énergie et l'amortissement des équipements, etc.

En raison de l'abondance des matières premières et de la maturité du processus, le coût global est faible. La proportion du coût de la fibre brute dans le coût de la fibre de carbone est importante, le prix de la fibre brute PAN haute performance est élevé. En outre, la consommation d'énergie du processus de production est importante, l'équipement est coûteux et le coût de maintenance est élevé. Il en résulte des coûts de production élevés.

État et tendances du marché

Le marché du graphite est mature, largement utilisé et la demande est stable. Avec le développement des industries des nouvelles énergies et de l'électronique, la demande dans des domaines spécifiques continue de croître. Le marché de la fibre de carbone a connu une croissance rapide ces dernières années, l'aérospatiale, l'automobile légère et d'autres secteurs haut de gamme faisant l'objet d'une demande croissante. Les progrès technologiques et l'expansion de l'échelle devraient permettre de réduire les coûts et d'améliorer les perspectives du marché.

Guide d'achat

Lors de l'achat de graphite, il convient de tenir compte de sa pureté, de la taille de ses particules et de ses propriétés physiques et chimiques. Choisissez également le bon fournisseur pour vous assurer que les produits en graphite répondent aux exigences de l'application, qu'ils sont accompagnés de rapports d'essai et d'un service après-vente complet.

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Conclusions

Le graphite et la fibre de carbone diffèrent considérablement en termes de structure, de performance, d'application et de coût, et chacun joue un rôle clé dans différents domaines. À l'avenir, on s'attend à ce qu'elles optimisent les performances et réduisent les coûts. Il convient donc de les sélectionner raisonnablement en fonction de la demande dans les applications pratiques afin d'en tirer le maximum d'avantages.