Grafite versus fibra de carbono: Uma comparação abrangente

No campo da ciência dos materiais, o grafite e a fibra de carbono têm excelentes propriedades e desempenham um papel importante em muitos campos, desde o aeroespacial até a vida cotidiana. A compreensão profunda de suas propriedades, aplicações e dinâmica de mercado é de grande importância para promover o desenvolvimento da ciência dos materiais.

Visão geral básica do grafite e da fibra de carbono

Grafite

Sestrutura

Ele tem uma estrutura cristalina típica em camadas. Cada camada é conectada por ligações covalentes entre átomos de carbono, formando uma estrutura de rede planar hexagonal. Isso faz com que a força de ligação entre os átomos de carbono na camada seja forte. As camadas interagem umas com as outras por meio de forças de van der Waals mais fracas. Essa estrutura exclusiva lhe confere muitas propriedades especiais, como boa lubricidade. Como a força de van der Waals entre as camadas é fraca, é fácil deslizar as camadas umas em relação às outras. Ao mesmo tempo, ele também tem certa condutividade elétrica, e os elétrons podem se mover com relativa liberdade dentro da camada.

O processo de produção

Seu processo de produção é geralmente mais complicado. Normalmente, ele usa coque de petróleo e coque de asfalto como matérias-primas. Primeiro, é necessário fazer um pré-tratamento dessas matérias-primas para remover as impurezas. Em seguida, ele é calcinado em altas temperaturas para torná-lo inicialmente grafitizado. Em seguida, após a moagem, a moldagem e outros processos para obter a forma desejada. Por fim, também é necessário realizar um tratamento de grafitização em alta temperatura para melhorar ainda mais a pureza e a cristalinidade do grafite. Em geral, esse processo de alta temperatura pode chegar a 2500 ℃ -3000 ℃, a fim de obter materiais de grafite com excelente desempenho.

Fibra de carbono

Sestrutura

É uma fibra de alta resistência e alto módulo com teor de carbono superior a 90%. Do ponto de vista da microestrutura, a disposição dos átomos de carbono da fibra de carbono tem uma determinada orientação. Isso mostra uma estrutura de grafite caótica semelhante, o que faz com que ela tenha alta resistência e módulo. Os átomos de carbono na fibra de carbono são unidos principalmente por meio de ligações covalentes para formar uma estrutura estável.

O processo de produção

Em geral, ele é baseado em fibra de poliacrilonitrila (PAN), fibra de asfalto ou fibra de viscose. Tomada Fibra de carbono à base de PAN Como exemplo, o processo de produção começa com a polimerização e a fiação do filamento precursor. O monômero de PAN é polimerizado em um polímero, e a fibra é produzida por meio do processo de fiação. Em seguida, é realizado o tratamento de pré-oxidação, oxidação e reticulação da fibra PAN no ar a 200°C-300°C. Para formar uma estrutura trapezoidal resistente ao calor e se preparar para a carbonização subsequente. Em seguida, o tratamento de carbonização, sob a proteção de gás inerte de 1000℃ -1500℃, remove os átomos que não são de carbono da fibra. Assim, o teor de carbono atinge mais de 90%. Por fim, realize a grafitização de acordo com as necessidades. Além disso, melhore a cristalinidade e o módulo da fibra de carbono em altas temperaturas acima de 2.000 ℃ para melhorar seu desempenho.

Comparação de propriedades entre grafite e fibra de carbono

Propriedades mecânicas

Força

Resistência da fibra de carbono A resistência à tração da fibra de carbono de alto desempenho excede 3500 MPa, e a fibra de carbono especial excede até mesmo 7000 MPa. Ela pode ser usada com frequência em peças aeroespaciais e outras peças estruturais que suportam altas forças de tração. Devido à fraca força de van der Waals entre as camadas, o grafite escorrega facilmente. E a resistência à tração do grafite comum é de apenas dezenas de MPa, inferior à da fibra de carbono.

Módulo

O módulo da fibra de carbono é alto, geralmente entre 230 e 480GPa, sendo que o módulo alto é superior a 600GPa. A força de deformação é pequena e a estabilidade da forma é boa. O módulo do grafite é geralmente de vários GPa a dezenas de GPa, e a resistência à deformação é muito pior do que a da fibra de carbono. É difícil de aplicar em cenários com requisitos de alta deformação.

Propriedades físicas

Densidade

A densidade da fibra de carbono é de 1,7 a 2,0 g /cm³. É um material leve com vantagens óbvias no campo aeroespacial e automotivo. A densidade do grafite é de 2,09 a 2,23 g/cm³, um pouco maior do que a da fibra de carbono. E sua aplicação é limitada em cenários com restrições rígidas de peso.

Condutividade elétrica

Condutividade do grafite de 10⁴ – 10⁵ S/m, comumente usado no campo eletrônico como eletrodo de bateria, escova e assim por diante. A fibra de carbono tem uma condutividade elétrica relativamente baixa de 10² -10⁴ S/m. Mas é possível melhorá-lo por meio de tratamento especial para atender a necessidades específicas.

Condutividade térmica

O grafite tem boa condutividade térmica e anisotropia, e a condutividade térmica da camada paralela chega a centenas de W/(m-K). Ele pode ser usado com frequência em dissipadores de calor de equipamentos eletrônicos. A condução de calor da fibra de carbono também é anisotrópica. A condutividade térmica ao longo do eixo da fibra é de 100 a 800 W/(m-K), e a direção vertical é de apenas 5 a 20 W/(m-K).

Propriedades químicas

Resistência à corrosão

O grafite tem boa resistência à corrosão e pode resistir à maioria das erosões ácidas e alcalinas. E pode ser usado no setor químico para fabricar tubulações e revestimentos de reatores resistentes à corrosão. A fibra de carbono é estável no ambiente químico geral e pode resistir a soluções comuns de ácidos e bases. Porém, em ambientes especiais, como ácidos oxidantes fortes, as reações químicas podem causar degradação do desempenho.

Resistência à oxidação

O grafite e a fibra de carbono têm boa resistência à oxidação em temperatura ambiente. Entretanto, com o aumento da temperatura, o grafite reage obviamente com o oxigênio acima de 400°C. E a fibra de carbono apresenta um fenômeno óbvio de oxidação em torno de 300°C, o que limita sua aplicação em ambientes aeróbicos de alta temperatura. Mas o tratamento de revestimento da superfície pode ser melhorado até certo ponto.

Comparação dos campos de aplicação: grafite vs. fibra de carbono

Campos de aplicação de grafite

No setor metalúrgico, como material refratário, o cadinho de grafite pode resistir a altas temperaturas e à erosão química. O molde de grafite para a indústria de fundição melhora a precisão da fundição e a qualidade da superfície. No campo da eletrônica, pode ser usado como eletrodo e também para fabricar dissipadores de calor flexíveis. No setor de nuclear Na indústria siderúrgica, ele atua como um moderador para garantir a estabilidade das reações nucleares. Além disso, na indústria siderúrgica, os eletrodos feitos de grafite são usados como condutores para gerar arcos elétricos para fundir aço ou ligas metálicas.

Campo de aplicação da fibra de carbonos

No campo aeroespacial, com características de alta resistência e baixa densidade, pode ser usado para fabricar asas de aeronaves e outros componentes, melhorando o desempenho dos voos. Em artigos esportivos, pode ser usado com frequência para criar bicicletas de alta qualidade, tacos de golfe, etc., para melhorar a qualidade. No setor de setor automotivoSe você quiser, pode usá-lo para fabricar partes da carroceria e eixos de transmissão para obter leveza e reduzir o consumo de energia e as emissões.

Análise de custo e mercado: grafite vs. fibra de carbono

Análise da composição de custos

O custo do grafite abrange as matérias-primas, o consumo de energia e a depreciação do equipamento, etc.

Devido à abundância de matérias-primas e ao processo maduro, o custo geral é baixo. A proporção do custo da fibra bruta no custo da fibra de carbono é grande, o preço da fibra bruta PAN de alto desempenho é alto. E o consumo de energia do processo de produção é grande, o equipamento é caro e o custo de manutenção é alto. Isso resulta em altos custos de produção.

Status e tendência do mercado

O mercado de grafite é maduro, amplamente utilizado e a demanda é estável. Com o desenvolvimento de novos setores de energia e eletrônicos, a demanda por campos específicos ainda está crescendo. O mercado de fibra de carbono cresceu rapidamente nos últimos anos, e a demanda por produtos aeroespaciais, automotivos leves e de outras áreas de ponta está aumentando. Espera-se que o progresso tecnológico e a expansão em escala reduzam os custos e as perspectivas de mercado.

Guia de compra

Ao comprar grafite, não deixe de considerar sua pureza, tamanho de partícula e propriedades físicas e químicas. Escolha também o fornecedor certo para garantir que os produtos de grafite atendam aos requisitos da aplicação, sejam acompanhados de relatórios de teste e de um serviço pós-venda completo.

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Conclusões

O grafite e a fibra de carbono diferem significativamente em termos de estrutura, desempenho, aplicação e custo, e cada um desempenha um papel fundamental em diferentes campos. No futuro, espera-se que eles otimizem o desempenho e reduzam os custos. E você precisa selecioná-los razoavelmente de acordo com a demanda em aplicações práticas para maximizar os benefícios.