흑연 VS 탄소 섬유: 종합적인 비교

재료 과학 분야에서 흑연과 탄소 섬유는 우수한 특성을 가지고 있으며 항공 우주에서 일상 생활에 이르기까지 많은 분야에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 그 특성, 응용 분야 및 시장 역학에 대한 심층적인 이해는 재료 과학의 발전을 촉진하는 데 큰 의미가 있습니다.

흑연 및 탄소 섬유의 기본 개요

흑연

S구조

전형적인 층상 결정 구조를 가지고 있습니다. 각 층은 탄소 원자 사이의 공유 결합으로 연결되어 육각형의 평면 네트워크 구조를 형성합니다. 이는 층 내 탄소 원자 간의 결합력을 강하게 만듭니다. 각 층은 약한 반데르발스 힘을 통해 서로 상호작용합니다. 이 독특한 구조는 우수한 윤활성과 같은 여러 가지 특수한 특성을 제공합니다. 층 사이의 반데르발스 힘이 약하기 때문에 층은 서로에 대해 미끄러지기 쉽습니다. 동시에 일정한 전기 전도성을 가지고 있어 전자가 층 내에서 비교적 자유롭게 이동할 수 있습니다.

제작 프로세스

생산 공정은 일반적으로 더 복잡합니다. 일반적으로 석유 코크스와 아스팔트 코크스를 원료로 사용합니다. 먼저 이러한 원료를 전처리하여 불순물을 제거해야 합니다. 그런 다음 고온에서 소성하여 초기에 흑연화합니다. 그런 다음 연삭, 성형 및 기타 공정을 거쳐 원하는 모양을 만듭니다. 마지막으로 흑연의 순도와 결정성을 더욱 향상시키기 위해 고온 흑연화 처리도 수행해야 합니다. 일반적으로이 고온 공정은 2500 ℃ - 3000 ℃에 도달하여 다음을 얻을 수 있습니다. 흑연 소재 뛰어난 성능을 제공합니다.

탄소 섬유

S구조

탄소 함량이 90% 이상인 고강도 고탄성 섬유입니다. 미세 구조의 관점에서 볼 때 탄소 섬유의 탄소 원자 배열은 특정 방향을 가지고 있습니다. 이것은 유사한 혼란스러운 흑연 구조를 보여 주며, 이는 높은 강도와 탄성률을 갖습니다. 탄소 섬유의 탄소 원자는 주로 공유 결합을 통해 결합되어 안정적인 구조적 틀을 형성합니다.

제작 프로세스

이는 일반적으로 폴리 아크릴로니트릴(PAN) 섬유, 아스팔트 섬유 또는 비스코스 섬유를 기반으로 합니다. 복용 PAN 기반 탄소 섬유 예를 들어, 생산 공정은 전구체 필라멘트의 중합과 방사로 시작됩니다. PAN 모노머를 중합하여 폴리머로 만들고 방적 공정을 통해 섬유를 만듭니다. 그런 다음 사전 산화 처리를 수행하고 200 ℃-300 ℃에서 PAN 섬유를 공기 중에서 산화 및 가교합니다. 내열성 사다리꼴 구조를 형성하여 후속 탄화를 준비합니다. 그런 다음 탄화 처리는 1000 ℃ -1500 ℃ 불활성 가스의 보호하에 섬유의 비 탄소 원자를 제거합니다. 탄소 함량이 90% 이상에 도달하도록 합니다. 마지막으로 필요에 따라 흑연화를 수행합니다. 그리고 2000 ℃ 이상의 고온에서 탄소 섬유의 결정 성 및 계수를 더욱 개선하여 성능을 향상시킵니다.

흑연과 탄소 섬유의 특성 비교

기계적 특성

힘

탄소 섬유의 강도 고성능 탄소 섬유의 인장 강도는 3500MPa를 초과하고 특수 탄소 섬유는 7000MPa를 초과하기도 합니다. 항공 우주 및 높은 인장력을 견디는 기타 구조 부품에 자주 사용할 수 있습니다. 흑연은 층 사이의 반데르발스 힘이 약하기 때문에 미끄러지기 쉽습니다. 그리고 일반 흑연의 인장 강도는 탄소 섬유보다 낮은 수십 MPa에 불과합니다.

모듈러스

탄소 섬유의 탄성률은 일반적으로 230-480GPa, 600GPa 이상의 높은 탄성률로 높습니다. 힘 변형이 작고 모양 안정성이 좋습니다. 흑연의 계수는 일반적으로 수 GPa에서 수십 GPa이며 변형에 대한 저항은 탄소 섬유보다 훨씬 나쁩니다. 변형 요구 사항이 높은 시나리오에는 적용하기 어렵습니다.

물리적 속성

밀도

탄소 섬유의 밀도는 1.7-2.0g/cm³입니다. 항공우주 및 자동차 경량화 분야에서 분명한 장점을 가진 경량 소재입니다. 흑연의 밀도는 2.09-2.23g/cm³로 탄소 섬유보다 약간 높습니다. 그리고 엄격한 무게 제한이 있는 시나리오에서는 적용이 제한적입니다.

전기 전도성

흑연 전도도 10⁴ – 10⁵ S/m, 전자 분야에서 배터리 전극, 브러시 등으로 일반적으로 사용됩니다. 탄소 섬유는 상대적으로 낮은 전기 전도도인 10² -10⁴ S/m. 하지만 특정 요구 사항을 충족하기 위해 특별한 처리를 통해 개선할 수 있습니다.

열 전도성

흑연은 열전도율과 이방성이 우수하며 평행층 열전도율은 수백 W/(m-K)에 달합니다. 전자 장비 방열판에 자주 사용됩니다. 탄소 섬유의 열전도도 이방성입니다. 섬유 축을 따라 열전도율은 100-800W/(m-K)이고 수직 방향은 5-20W/(m-K)에 불과합니다.

화학적 특성

내식성

흑연은 내식성이 우수하고 대부분의 산과 알칼리 침식에 저항할 수 있습니다. 또한 화학 산업에서 부식 방지 파이프 라인과 원자로 라이닝을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 탄소 섬유는 일반적인 화학 환경에서 안정적이며 일반적인 산성 및 염기성 용액을 견딜 수 있습니다. 하지만 강한 산화성 산과 같은 특수한 환경에서는 화학 반응으로 인해 성능이 저하될 수 있습니다.

내산화성

흑연과 탄소 섬유는 상온에서 산화 저항성이 우수합니다. 그러나 온도가 상승하면 흑연은 400℃ 이상에서 산소와 명백하게 반응합니다. 그리고 탄소섬유는 300℃ 전후에서 산화 현상이 뚜렷해 고온 호기성 환경에서의 적용이 제한됩니다. 하지만 표면 코팅 처리를 통해 어느 정도 개선할 수 있습니다.

적용 분야 비교: 흑연 대 탄소 섬유

그라파이트 적용 분야

야금 산업에서 흑연 도가니와 같은 내화물은 고온 및 화학적 침식을 견딜 수 있는 내화성 재료입니다. 주조 산업용 흑연 금형은 주조 정확도와 표면 품질을 향상시킵니다. 전자 분야에서는 전극으로 사용할 수 있으며 유연한 방열판을 제조하는 데에도 사용됩니다. 전자 분야에서 핵 산업에서 핵 반응의 안정성을 보장하는 중재자 역할을 합니다. 또한 제강 산업에서는 흑연으로 만든 전극을 전도체로 사용하여 강철이나 금속 합금을 제련하기 위한 전기 아크를 생성합니다.

탄소 섬유 응용 분야s

고강도, 저밀도 특성을 가진 항공우주 분야에서는 항공기 날개 및 기타 부품을 제조하고 비행 성능을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 스포츠용품 분야에서는 고급 자전거, 골프 클럽 등을 제작하여 품질을 향상시키는 데 사용할 수 있습니다. 자동차의 자동차 산업를 사용하여 차체 부품과 변속기 샤프트를 제조하여 경량화를 달성하고 에너지 소비와 배출량을 줄일 수 있습니다.

비용 및 시장 분석: 흑연 대 탄소 섬유

비용 구성 분석

흑연 원가에는 원자재, 에너지 소비, 장비 감가상각 등이 포함됩니다.

풍부한 원자재와 성숙한 공정으로 인해 전체 비용이 낮습니다. 탄소 섬유 비용에서 원료 섬유 비용의 비율이 크고 고성능 PAN 원료 섬유의 가격이 높습니다. 그리고 생산 공정 에너지 소비가 크고 장비가 비싸며 유지 보수 비용이 높습니다. 이로 인해 생산 비용이 높아집니다.

시장 현황 및 트렌드

흑연 시장은 성숙하고 널리 사용되며 수요가 안정적입니다. 새로운 에너지 및 전자 산업의 발전과 함께 특정 분야에 대한 수요는 여전히 증가하고 있습니다. 최근 몇 년 동안 탄소 섬유 시장의 급속한 성장, 항공 우주, 자동차 경량화 및 기타 수요가 증가하는 고급 분야. 기술 발전과 규모 확장은 비용, 시장 전망을 줄일 것으로 예상됩니다.

구매 가이드

흑연을 구매할 때는 순도, 입자 크기, 물리적 및 화학적 특성을 고려해야 합니다. 또한 흑연 제품이 애플리케이션 요구 사항을 충족하고, 테스트 보고서와 함께 제공되며, 완벽한 애프터 서비스를 제공하는지 확인하기 위해 올바른 공급업체를 선택하세요.

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결론

흑연과 탄소 섬유는 구조, 성능, 용도, 비용 면에서 크게 다르며 각각 다른 분야에서 핵심적인 역할을 합니다. 앞으로는 성능을 최적화하고 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대됩니다. 그리고 실제 응용 분야의 수요에 따라 합리적으로 선택해야 이점을 극대화할 수 있습니다.