Koolstofmaterialen: Een uitgebreide gids

Koolstofmaterialen zijn een algemene term voor vaste materialen op basis van koolstof. Ze bestaan meestal uit grafietmicrokristallen. Er zijn veel soorten koolstofmaterialen met uitstekende prestaties en brede toepassingsmogelijkheden.

I. Eigenschappen van koolstofmaterialen

Fysische eigenschappen

Koolstofmaterialen hebben fysische eigenschappen zoals hoog licht doorlaatbaarheid, hoge elektrische geleidbaarheid, hoge thermische geleidbaarheid en hoge corrosiebestendigheid. De lichttransmissie is net zo goed als die van glas en de elektrische en thermische geleidbaarheid is net zo goed als die van koper en aluminium.

Chemische eigenschappen

Koolstofmateriaal is een corrosiebestendig materiaal met een hoge chemische stabiliteit en een goede corrosieweerstand tegen de meeste zuren, basen en zouten.

II.. Gedetailleerde uitleg van de belangrijkste typen

Grafiet

Grafiet is een gelaagde structuur van koolstofatomen, opgebouwd uit zeshoekige rastervlakken. Elk koolstofatoom heeft vier vrije elektronen. Grafiet heeft een goed elektrisch en thermisch geleidingsvermogen, geschikt voor het maken van elektrodenwarmtewisselaars en andere gebieden. Grafiet kan worden onderverdeeld in natuurlijk grafiet en kunstmatig grafiet, die beide een vergelijkbare structuur hebben, zodat hun fysische en chemische eigenschappen vergelijkbaar zijn, maar ze zijn heel verschillend in de toepassing.

Actieve kool

Actieve kool is een soort speciaal behandelde koolstof met een goed ontwikkelde poriënstructuur en een groot oppervlak. Vanwege de sterke adsorptiecapaciteit, het grote specifieke oppervlak, de ontwikkelde interne poriënstructuur, de lage bulkdichtheid en andere kenmerken, wordt het op grote schaal gebruikt in waterzuivering, ontzwaveling, denitrificatie, terugwinning van oplosmiddelen, noodadsorptie, kwikverwijdering en vele andere gebieden. Tegelijkertijd wordt actieve kool vaak gebruikt als katalysator of katalysatordrager in chemische reacties zoals gasbereiding en reforming.

Koolstofnanobuis

Koolstofnanobuisjes zijn eendimensionale nanomaterialen met uitstekende eigenschappen zoals hoge sterkte en hoge elektrische en thermische geleidbaarheid. De downstream-toepassingen ervan hebben voornamelijk betrekking op de nieuwe energievoertuigenindustrie, de digitale 3C-industrie, de halfgeleiderindustrie, energie-infrastructuur en andere gebieden. De vraag naar grootschalige commerciële toepassingen van koolstofnanobuizen komt voornamelijk uit de lithiumbatterijen en geleidende kunststoffen, waarvan meer dan 80% van de vraag afkomstig is van lithiumbatterijen.

Grafeen

Grafeen is een tweedimensionaal koolstofmateriaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon. Het is het structurele basiselement van veel andere heteromorfen van koolstof, zoals grafiet, diamant, koolstof, koolstofnanobuizen en fullerenen. Met uitstekende optische, mechanische en elektrische eigenschappen is de toepassingsvoorgrond in micronanoverwerking, materiaalkunde, energie, medicijnafgifte en biogeneeskunde meer dan essentieel en wordt het beschouwd als een veelbelovend materiaal in de komende decennia.

Koolstofvezel

Koolstofvezel is een vezelmateriaal met hoge sterkte en hoge modulus, met een koolstofgehalte van meer dan 90%. Het wordt gevormd door het kraken en carbonisatie van organische vezels zoals polyacrylonitril (of asfalt en viscose) in een omgeving met hoge temperaturen. Het heeft de eigenschappen van licht gewicht, hoge sterkte, hoge modulus, weerstand tegen hoge temperaturen en corrosiebestendigheid. Dit maakt koolstofvezel tot een strategisch nieuw materiaal in de moderne hightechsector en staat bekend als de "koning van de nieuwe materialen". Koolstofvezels kunnen op verschillende manieren worden geclassificeerd en kunnen worden onderverdeeld in koolstofvezels op basis van polyacrylonitril (PAN-CF), viscose (Rayon-CF) en asfalt (Pitch-CF) op basis van verschillende grondstoffen.

III. Toepassingsgebieden

Nieuw energieveld:

Koolstofmaterialen hebben een breed scala aan toepassingen op het gebied van nieuwe energie. Koolstofmatrixcomposieten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om zeer efficiënte batterijen en supercondensatoren te maken. Grafeen kan worden gebruikt om zonnecellen en windenergiebladen te maken. Met de voortdurende ontwikkeling van nieuwe energietechnologie zullen de toepassingsmogelijkheden van koolstofmaterialen op het gebied van nieuwe energie toenemen.

Automobiel:

Koolstofmaterialen worden in de autosector gebruikt om lichtgewicht onderdelen en motoronderdelen met een hoog rendement te maken. Koolstofvezelcomposieten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om carrosserieën en onderdelen van auto's te maken om hun lichtgewicht en hoge prestaties te verbeteren. Grafeen kan ook worden gebruikt om zeer efficiënte brandstofcellen te maken om het vermogen en de economische prestaties van voertuigen te verbeteren.

Ruimtevaart:

Koolstofmaterialen kunnen in de lucht- en ruimtevaart worden gebruikt om onder andere krachtige vliegtuigen en ruimtevaartuigen te maken. Koolstofvezelcomposieten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om lichtgewicht vleugels en rompen te maken om hun prestaties te verbeteren. Grafeen kan ook worden gebruikt om krachtige vliegtuigmotoren te maken om het vermogen en de economische prestaties van vliegtuigen te verbeteren.

Industrieën:

Koolstofmaterialen worden in de industriële sector gebruikt om hoogwaardige onderdelen en gereedschappen te maken. Koolstofvezelcomposieten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om geavanceerde mechanische onderdelen en industriële pijpen enzovoort te maken om hun prestaties en levensduur te verbeteren. Daarnaast kan grafeen ook worden gebruikt om zeer efficiënte pompen en kleppen te maken om de industriële productie efficiënter te maken.

Medisch gebied

Koolstofmaterialen zijn ideale materialen voor chirurgische implantaten. En implantaten zoals kunstmatige botten, kunstheupen, kniegewrichten en hartkleppen zijn met succes vervaardigd.

Halfgeleiders

Koolstofmaterialen kunnen worden gebruikt voor de productie van thermische veldcomponenten voor halfgeleiders, elektrodematerialen, substraten voor warmteafvoer, behuizingen voor verpakkingen, inspectiesondes en nog veel meer.

Fotovoltaïsch veld

Koolstofmaterialen zijn importvervangers van hoogzuiver isostatisch grafiet. Daarom zijn koolstofmaterialen met succes toegepast in het fotovoltaïsche thermische veldsysteem en op grote schaal gebruikt als lang kristalverbruiksgoed in het fotovoltaïsche thermische veld. Zoals smeltkroezen, omleidingscilinders, isolatiecilinders, enz.

Energie

Koolstofmaterialen hebben een breed scala aan toepassingen in de energiesector. Grafeen kan bijvoorbeeld worden gebruikt als elektrodemateriaal voor zonnecellen en lithiumbatterijen om de energiedichtheid en de oplaad- en ontlaadsnelheid van batterijen te verbeteren. Koolstofnanobuizen kunnen worden gebruikt als materialen voor waterstofopslag om de hoeveelheid en snelheid van waterstofopslag te verbeteren. Koolstofvezels kunnen worden gebruikt als katalysatordrager voor brandstofcellen om de activiteit en stabiliteit van de katalysator te verbeteren.

Milieu

Koolstofmaterialen hebben ook een breed scala aan toepassingen op milieugebied. Grafeen kan bijvoorbeeld worden gebruikt op het gebied van waterzuivering en luchtzuivering om de zuiveringsefficiëntie en het zuiveringseffect te verbeteren. Koolstofnanobuizen kunnen worden gebruikt om schadelijke stoffen in water en lucht te adsorberen en te verwijderen. Koolstofvezels kunnen worden gebruikt om milieusensoren te maken die de niveaus van chemicaliën en verontreinigende stoffen in het milieu controleren.

V. Toekomstperspectieven

De industrie voor nieuwe materialen is een belangrijke ondersteuning voor geavanceerde gebieden zoals biomedische geneeskunde, informatietechnologie en nieuwe energie, en koolstofmaterialen. En als belangrijke component hebben koolstofmaterialen een strategische positie. In de afgelopen jaren is de koolstoffamilie uitgebreid met diamant, koolstofvezel, koolstof-koolstofcomposieten, grafiet, harde koolstof, grafeen, koolstofnanobuisjes, koolstofdots, ....... De toepassingsscenario's breiden zich ook voortdurend uit, waardoor de innovatie van de ecologische industrieketen van verschillende industrieën wordt versneld. Bovendien is sinds 2024 de economie op lage hoogte snel gestegen. Als een belangrijk materiaal in de toeleveringsketen van de industriële keten zullen koolstofvezel en composietmaterialen een belangrijke bijdrage leveren aan de ontwikkeling van de laaggebergte-economie. Daarom hebben we reden om te geloven dat de vooruitzichten van de koolstofmaterialenindustrie zeer breed zijn.