Wat is koolstofcomposiet?

Omdat de eisen aan materialen op het gebied van lichtgewicht, hoge sterkte en corrosiebestendigheid steeds hoger worden, kunnen traditionele metalen materialen langzamerhand niet meer aan deze eisen voldoen. Koolstofcomposiet onderscheidt zich echter door zijn uitstekende uitgebreide prestaties en wordt de belangrijkste toepassing op het gebied van moderne materialen. Het is dus belangrijk om de definitie, samenstelling, eigenschappen en toepassingen in gerelateerde industrieën te begrijpen.

Basisdefinitie en samenstelling van koolstofcomposieten

Definitie

Koolstofcomposietmateriaal is een nieuw type composietmateriaal met specifieke functies en mechanische eigenschappen. Het is samengesteld uit koolstofvezels als het versterkende materiaal, met harsen, metalen, keramiek, enz. als de matrixmaterialen. En door middel van vormprocessen zoals compressievormen, wikkelen, warm persen, enz. worden de twee nauw met elkaar verbonden. Dit zorgt voor een doorbraak in de prestaties, die de gecombineerde prestaties van een enkel materiaal zoals staal ver overtreffen.

Belangrijkste onderdelen

Versterkende materialen

Het versterkingslichaam bepaalt rechtstreeks de mechanische eigenschappen van de kern, zoals sterkte en modulus van het materiaal. Het hoofdbestanddeel is koolstofvezel, waaronder veel organische vezels zoals polyacrylonitril, viscosevezels, enzovoort. Ze worden gemaakt door onzuiverheden te verwijderen en de atomaire structuur van koolstof te reorganiseren via processen zoals carbonisatie bij hoge temperatuur en grafitisatie. Uiteindelijk vormt het een vezelachtig materiaal met een diameter van slechts 5-10 micrometer en een koolstofgehalte van meer dan 90%. Op basis van prestatieverschillen kunnen koolstofvezels worden ingedeeld in verschillende kwaliteiten:

Universele kwaliteit (zoals T300)

De sterkte en modulus zijn matig, en het heeft lagere kosten, meestal gebruikt in sportartikelen en gewone industriële componenten.

Hoogwaardige kwaliteit (zoals T800, T1100)

De treksterkte kan 5-6 keer die van staal bereiken en de elasticiteitsmodulus is veel hoger dan die van een aluminiumlegering. Je kunt het dus gebruiken voor toepassingen met extreem hoge prestatie-eisen, zoals ruimtevaart en geavanceerde apparatuur.

Daarnaast heeft de vorm van koolstofvezels, zoals continue vezels of gehakte vezels, ook invloed op de materiaaleigenschappen.

Matrix Materialen

Het matrixmateriaal is verantwoordelijk voor het binden van de gedispergeerde koolstofvezels tot een geheel, dat externe belastingen gelijkmatig overbrengt. En het voorkomt schade aan de koolstofvezels veroorzaakt door ruwe omgevingen zoals corrosie en hoge temperaturen. Momenteel zijn de gangbare matrixmaterialen voornamelijk onderverdeeld in drie categorieën:

Matrix van hars

Epoxyhars:

Het heeft een sterke hechting, een eenvoudig vormproces en beheersbare kosten, wat de voorkeur heeft voor ruimtevaart en sportuitrusting.

Fenolhars:

Het heeft een goede hittebestendigheid en vlamvertraging, dus wordt het meestal gebruikt in vuurvaste onderdelen.

Polyimidehars:

Het kan stabiel werken bij temperaturen boven 200℃, wat geschikt is voor high-end motoronderdelen.

Metaalmatrix

Het bestaat voornamelijk uit lichte metalen zoals aluminium, magnesium en titanium en hun legeringen. Het heeft zowel een hoge sterkte als een hoog warmtegeleidingsvermogen, maar het vervormingsproces is complex en de kosten zijn relatief hoog. Daarom is het geschikt voor onderdelen voor warmteafvoer in elektronische apparaten en vliegtuigmotorbladen, waarvoor warmtegeleiding vereist is.

Keramische matrix

Het bestaat voornamelijk uit materialen zoals siliciumcarbide en aluminiumoxide, dat een uitstekende hittebestendigheid en uitstekende slijtvastheid heeft. Het is bestand tegen temperaturen boven de 1000℃, wat het belangrijkste materiaal is voor componenten in extreme omgevingen.

Belangrijkste kenmerken van koolstofcomposieten

Hoge sterkte en hoge modulus

De treksterkte is meerdere malen groter dan die van staal en de elasticiteitsmodulus is veel groter dan die van traditionele metalen. Hierdoor kunnen onderdelen van koolstofcomposietmateriaal kleiner en lichter zijn, wat zorgt voor stabiliteit. En het is beter bestand tegen vervorming, waardoor de vleugel minder vervormt en de vliegveiligheid en -prestaties worden gewaarborgd.

Lage dichtheid

Koolstofcomposiet materialen hebben een extreem lage dichtheid, namelijk slechts 1/4 - 1/5 van die van staal en ongeveer 1/2 van die van aluminium. Je kunt het dus gebruiken voor de productie van onderdelen zoals autocarrosserieën en -chassis, wat het gewicht aanzienlijk kan verlagen. En in de lucht- en ruimtevaart vermindert het het gewicht van vliegtuigen, waardoor de lanceringskosten dalen en het laadvermogen en de actieradius toenemen.

Corrosiebestendigheid en weerstand tegen vermoeiing

Door de sterke chemische stabiliteit en uitstekende corrosiebestendigheid reageert het niet met zuren, alkaliën en zouten. Het kan dus lange tijd in ruwe chemische omgevingen werken, wat de levensduur van de apparatuur verlengt en de onderhoudskosten verlaagt. Bovendien, met de tentoongestelde opmerkelijke moeheidsweerstand, verspreidt de schade zich langzaam en het moeheidsleven is lang onder afwisselende ladingen.

Ontwerpbaarheid

Koolstofcomposietmaterialen hebben een hoge ontwerpcapaciteit, de prestaties van componenten kunnen naar wens worden ontworpen. Je kunt de soorten, inhoud, legrichting en methode van koolstofvezelsOok kunt u verschillende matrixmaterialen kiezen. Door het spuitgietproces aan te passen, kunt u bovendien complex gevormde onderdelen maken zonder dat er uitgebreide snijbewerkingen nodig zijn. Dit vermindert materiaalverspilling en verbetert de efficiëntie, maakt het mogelijk om te voldoen aan speciale vereisten op verschillende gebieden en breidt het toepassingsgebied uit.

Belangrijkste toepassingsgebieden van koolstofcomposieten

Ruimtevaart

In termen van passagiersvliegtuigen

Het vermindert het gewicht en verbetert de brandstofefficiëntie, dus worden de romp, vleugels en andere kernonderdelen er op grote schaal van gemaakt. En sommige gevechtsvliegtuigen gebruiken het om huiden en deuren van bommenluiken te maken, wat de wendbaarheid verbetert en de stealthprestaties verbetert.

In ruimtevaartuigen

Je kunt het gebruiken om het gewicht te verminderen en de laadcapaciteit te verhogen voor satellietframes en zonnepaneelsteunen. En het is bestand tegen temperaturen boven 3000℃ en zorgt voor de lancering, die kan worden gebruikt voor hoge-temperatuur componenten.

Transportsector

In de automobielsector

Omdat de transmissieassen 40% lichter zijn dan metaal, is het nuttig voor het bereiken van lichtgewicht en energiebesparing. En het heeft een hogere transmissie-efficiëntie, waardoor het gewicht van de veren wordt gehalveerd, met behoud van vermoeidheidsweerstand.

In de hogesnelheidsspoorwegsector

Je kunt het gebruiken voor de carrosserieën en stoelframes van de trein, waardoor het lichaamsgewicht meer dan 10% lager wordt. En het kan het verbruik van tractie-energie verminderen met 8% tot 10%, en het heeft een goede weerstand tegen corrosie. Het kan dus het onderhoud in vochtige en kustomgevingen verminderen en de bedrijfskosten verlagen.

Sportuitrusting Veld

In baluitrusting

Het frame is 30% lichter dan metaal en heeft een goede elasticiteit, efficiënte krachtoverbrenging en vermindert armblessures. Voor golfclubs kun je de schacht aanpassen door de vezelindeling te veranderen om een stijve schacht en een hard hoofd te krijgen.

In fiets- en atletiekuitrusting

Je kunt het gebruiken voor hoogwaardige fietsframes en -wielen om een extreem lichtgewicht en sterke stijfheid te bereiken. Als je het gebruikt voor polsstokhoogspringen, is het nuttig voor de polsstok om energie op te slaan en atleten te helpen door de hoogte te breken.

Industrieel en nieuw energiegebied

In windenergie

Vergeleken met traditionele glasvezelbladen is het 30% lichter en beter bestand tegen vermoeidheid. En het kan meer dan 20 jaar stabiel werken in sterke zeewind, aangepast aan de ontwikkeling van windenergie op grote schaal en offshore.

Op het gebied van hogedrukcontainers

Dankzij het lichte gewicht en de corrosiebestendigheid kun je het gebruiken voor opslagtanks voor aardgas en waterstof. Je kunt het ook gebruiken in de waterstofopslagtanks van brandstofcelvoertuigen, wat het gewicht kan verminderen en het bereik kan vergroten.

Conclusie

Koolstofcomposiet levert uitstekende prestaties en heeft voordelen zoals hoge sterkte en lage dichtheid. En het heeft brede toepassingsmogelijkheden op gebieden als ruimtevaart, transport, sportuitrusting en industriële nieuwe energie. Daarnaast is het niet alleen een drijvende kracht achter industriële technologische innovatie, maar biedt het ook materiaaloplossingen voor lichtgewicht en energiebesparing.