Grafite VS fibra di carbonio: Un confronto completo

Nel campo della scienza dei materiali, la grafite e la fibra di carbonio hanno proprietà eccellenti e svolgono un ruolo importante in molti campi, dall'aerospaziale alla vita quotidiana. La comprensione approfondita delle loro proprietà, applicazioni e dinamiche di mercato è di grande importanza per promuovere lo sviluppo della scienza dei materiali.

Panoramica di base della grafite e della fibra di carbonio

Grafite

Sstruttura

Ha una tipica struttura cristallina a strati. Ogni strato è collegato da legami covalenti tra gli atomi di carbonio, formando una struttura a rete planare esagonale. Ciò rende forte la forza di legame tra gli atomi di carbonio dello strato. Gli strati interagiscono tra loro attraverso forze di van der Waals più deboli. Questa struttura unica gli conferisce molte proprietà speciali, come una buona lubrificazione. Poiché la forza di van der Waals tra gli strati è debole, gli strati scivolano facilmente l'uno rispetto all'altro. Allo stesso tempo, possiede anche una certa conducibilità elettrica e gli elettroni possono muoversi relativamente liberamente all'interno dello strato.

Il processo di produzione

Il suo processo di produzione è solitamente più complicato. Di solito si utilizzano come materie prime il coke da petrolio e il coke da asfalto. In primo luogo, è necessario pretrattare queste materie prime per rimuovere le impurità. Poi, vengono calcinate ad alte temperature per renderle inizialmente grafitizzate. Poi, dopo la macinazione, la formatura e altri processi per ottenere la forma desiderata. Infine, è necessario effettuare un trattamento di grafitizzazione ad alta temperatura per migliorare ulteriormente la purezza e la cristallinità della grafite. Generalmente questo processo ad alta temperatura può raggiungere i 2500℃ -3000 ℃, al fine di ottenere materiali in grafite con prestazioni eccellenti.

Fibra di carbonio

Sstruttura

È una fibra ad alta resistenza e ad alto modulo con un contenuto di carbonio superiore a 90%. Dal punto di vista della microstruttura, la disposizione degli atomi di carbonio della fibra di carbonio ha un certo orientamento. Ciò mostra una struttura caotica simile a quella della grafite, che le conferisce resistenza e modulo elevati. Gli atomi di carbonio nella fibra di carbonio sono legati principalmente attraverso legami covalenti per formare una struttura stabile.

Il processo di produzione

In genere si basa su fibra di poliacrilonitrile (PAN), fibra di asfalto o fibra di viscosa. Prendendo Fibra di carbonio a base di PAN Ad esempio, il processo di produzione inizia con la polimerizzazione e la filatura del filamento precursore. Il monomero PAN viene polimerizzato in un polimero e la fibra viene realizzata attraverso il processo di filatura. Quindi si esegue il trattamento di pre-ossidazione e si ossida e reticola la fibra PAN in aria a 200℃-300℃. Formare una struttura trapezoidale resistente al calore per prepararsi alla successiva carbonizzazione. Quindi il trattamento di carbonizzazione, sotto la protezione di gas inerte a 1000℃ -1500℃, rimuove gli atomi di carbonio non presenti nella fibra. In questo modo il contenuto di carbonio raggiunge più di 90%. Infine, effettuare la grafitizzazione in base alle esigenze. Migliorare ulteriormente la cristallinità e il modulo della fibra di carbonio ad alte temperature superiori a 2000 ℃ per migliorarne le prestazioni.

Confronto tra le proprietà della grafite e della fibra di carbonio

Proprietà meccaniche

La forza

Resistenza della fibra di carbonio è estremamente elevata, la resistenza alla trazione della fibra di carbonio ad alte prestazioni supera i 3500MPa e la fibra di carbonio speciale supera addirittura i 7000MPa. È spesso utilizzata nel settore aerospaziale e in altre parti strutturali che sopportano elevate forze di trazione. A causa della debole forza di van der Waals tra gli strati, la grafite scivola facilmente. Inoltre, la resistenza alla trazione della grafite ordinaria è solo di decine di MPa, inferiore a quella della fibra di carbonio.

Modulo

Il modulo della fibra di carbonio è elevato, generalmente compreso tra 230 e 480GPa, con un modulo elevato di oltre 600GPa. La forza di deformazione è piccola, la stabilità della forma è buona. Il modulo della grafite è solitamente compreso tra alcuni GPa e decine di GPa, e la resistenza alla deformazione è molto peggiore di quella della fibra di carbonio. È difficile da applicare in scenari con requisiti di deformazione elevati.

Proprietà fisiche

Densità

La densità della fibra di carbonio è di 1,7-2,0 g /cm³. È un materiale leggero con evidenti vantaggi nel settore aerospaziale e automobilistico. La densità della grafite è di 2,09-2,23 g/cm³, leggermente superiore a quella della fibra di carbonio. La sua applicazione è limitata a scenari con rigide restrizioni di peso.

Conducibilità elettrica

Conducibilità della grafite del 10⁴ – 10⁵ S/m, comunemente utilizzato in campo elettronico come elettrodo per batterie, spazzole e così via. La fibra di carbonio ha una conducibilità elettrica relativamente bassa, pari al 10² -10⁴ S/m. Ma è possibile migliorarlo con un trattamento speciale per soddisfare esigenze specifiche.

Conducibilità termica

La grafite ha una buona conducibilità termica e anisotropia, e la conducibilità termica a strati paralleli raggiunge centinaia di W/(m-K). Spesso viene utilizzata nei dissipatori di calore delle apparecchiature elettroniche. Anche la conduzione termica della fibra di carbonio è anisotropa. La conducibilità termica lungo l'asse della fibra è di 100-800W /(m-K), mentre in direzione verticale è di soli 5-20W /(m-K).

Proprietà chimiche

Resistenza alla corrosione

La grafite ha una buona resistenza alla corrosione e può resistere alla maggior parte dell'erosione di acidi e alcali. Può essere utilizzata nell'industria chimica per realizzare tubazioni e rivestimenti di reattori resistenti alla corrosione. La fibra di carbonio è stabile nell'ambiente chimico generale e può resistere alle comuni soluzioni acide e basiche. Tuttavia, in ambienti particolari come gli acidi fortemente ossidanti, le reazioni chimiche possono causare un degrado delle prestazioni.

Resistenza all'ossidazione

La grafite e la fibra di carbonio hanno una buona resistenza all'ossidazione a temperatura ambiente. Tuttavia, all'aumentare della temperatura, la grafite reagisce in modo evidente con l'ossigeno al di sopra dei 400℃. La fibra di carbonio presenta un evidente fenomeno di ossidazione intorno ai 300℃, che ne limita l'applicazione in ambienti aerobici ad alta temperatura. Tuttavia, il trattamento del rivestimento superficiale può essere migliorato in una certa misura.

Confronto tra campi di applicazione: grafite vs fibra di carbonio

Campi di applicazione della grafite

Nell'industria metallurgica, come materiale refrattario, il crogiolo di grafite può resistere alle alte temperature e all'erosione chimica. Stampo in grafite per l'industria della colata per migliorare la precisione della colata e la qualità della superficie. Nel campo dell'elettronica, è possibile utilizzarla come elettrodo ed è anche usata per produrre dissipatori di calore flessibili. Nel nucleare nell'industria, agisce come moderatore per garantire la stabilità delle reazioni nucleari. Inoltre, nell'industria siderurgica, gli elettrodi di grafite sono utilizzati come conduttori per generare archi elettrici per fondere l'acciaio o le leghe metalliche.

Campo di applicazione della fibra di carbonios

Nel settore aerospaziale, grazie alle caratteristiche di alta resistenza e bassa densità, può essere utilizzato per produrre ali di aerei e altri componenti, migliorando le prestazioni di volo. Nel settore degli articoli sportivi, si può spesso utilizzare per creare biciclette di alta gamma, mazze da golf, ecc. per migliorare la qualità. Nel settore industria automobilisticaÈ possibile utilizzarlo per produrre parti della carrozzeria e alberi di trasmissione per ottenere leggerezza e ridurre il consumo energetico e le emissioni.

Analisi dei costi e del mercato: grafite vs fibra di carbonio

Analisi della composizione dei costi

Il costo della grafite comprende le materie prime, il consumo di energia, l'ammortamento delle attrezzature, ecc.

Grazie all'abbondanza di materie prime e al processo maturo, il costo complessivo è basso. La percentuale del costo della fibra grezza sul costo della fibra di carbonio è elevata, il prezzo della fibra grezza PAN ad alte prestazioni è alto. Il consumo energetico del processo produttivo è elevato, le attrezzature sono costose e i costi di manutenzione sono alti. Tutto ciò si traduce in costi di produzione elevati.

Stato e tendenze del mercato

Il mercato della grafite è maturo, ampiamente utilizzato e la domanda è stabile. Con lo sviluppo delle nuove industrie energetiche ed elettroniche, la domanda di settori specifici è ancora in crescita. Il mercato della fibra di carbonio ha registrato una rapida crescita negli ultimi anni, con un aumento della domanda nel settore aerospaziale, automobilistico e in altri settori di fascia alta. Il progresso tecnologico e l'espansione della scala dovrebbero ridurre i costi e le prospettive di mercato.

Guida all'acquisto

Quando si acquista grafite, è bene considerare la purezza, la dimensione delle particelle e le proprietà fisiche e chimiche. Scegliete anche il fornitore giusto per assicurarvi che i prodotti di grafite soddisfino i requisiti dell'applicazione, siano corredati da rapporti di prova e da un'assistenza post-vendita completa.

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Conclusioni

La grafite e la fibra di carbonio differiscono in modo significativo per struttura, prestazioni, applicazioni e costi, e ciascuna di esse svolge un ruolo chiave in diversi campi. In futuro, si prevede che ottimizzeranno le prestazioni e ridurranno i costi. È necessario selezionarli in modo ragionevole in base alla domanda nelle applicazioni pratiche per massimizzare i vantaggi.