Что такое углеродный композит?

В связи с постоянным повышением требований к материалам в области облегчения веса, высокой прочности и коррозионной стойкости традиционные металлические материалы постепенно перестают отвечать этим требованиям. Однако углеродный композит выделяется своими выдающимися комплексными характеристиками, становясь центром применения в области современных материалов. Поэтому важно понимать его определение, состав, характеристики и области применения в смежных отраслях.

Основные определения и состав углеродных композитов

Определение

Углеродный композитный материал - это новый тип композитного материала с особыми функциями и механическими свойствами. Он состоит из углеродных волокон в качестве армирующего материала, а также смол, металлов, керамики и т. д. в качестве матричных материалов. Благодаря процессам формования, таким как компрессионное формование, намотка, горячее прессование и т. д., они тесно соединяются. В результате достигается прорыв в эксплуатационных характеристиках, которые значительно превышают совокупные характеристики такого отдельного материала, как сталь.

Ключевые компоненты

Армирующие материалы

Арматура напрямую определяет основные механические свойства материала, такие как прочность и модуль упругости. Его основным компонентом является углеродное волокно, которое включает в себя множество органических волокон, таких как полиакрилонитрил, вискозные волокна и др. Они изготавливаются путем удаления примесей и реорганизации атомной структуры углерода с помощью таких процессов, как высокотемпературная карбонизация и графитизация. В итоге образуется волокнистый материал диаметром всего 5-10 микрометров с содержанием углерода более 90%. На основании различий в характеристиках углеродные волокна можно разделить на несколько марок:

Марка общего назначения (например, T300)

Его прочность и модуль упругости умеренные, а стоимость ниже, в основном он используется в спортивном оборудовании и обычных промышленных компонентах.

Высокопроизводительный класс (например, T800, T1100)

Прочность на разрыв может в 5-6 раз превышать прочность стали, а модуль упругости намного выше, чем у алюминиевого сплава. Поэтому вы можете использовать его в областях с чрезвычайно высокими требованиями к производительности, таких как аэрокосмическая промышленность и высокотехнологичное оборудование.

Кроме того, форма углеродных волокон, таких как непрерывные волокна, рубленые волокна, также влияет на свойства материала.

Матричные материалы

Матричный материал отвечает за сцепление дисперсных углеродных волокон в единое целое, которое равномерно передает внешние нагрузки. Кроме того, он предотвращает повреждение углеродных волокон под воздействием агрессивных сред, таких как коррозия и высокие температуры. В настоящее время основные матричные материалы в основном делятся на три категории:

Смоляная матрица

Эпоксидная смола:

Он обладает сильной адгезией, простым процессом формования и контролируемой стоимостью, что делает его предпочтительным выбором для аэрокосмической промышленности и спортивного оборудования.

Фенольная смола:

Он обладает хорошей термостойкостью и огнестойкостью, поэтому чаще всего используется в огнеупорных компонентах.

Полиимидная смола:

Он может стабильно работать при температуре выше 200℃, что подходит для высококлассных компонентов двигателя.

Металлическая матрица

Он состоит преимущественно из легких металлов, таких как алюминий, магний и титан, а также их сплавов. Он обладает высокой прочностью и теплопроводностью, но процесс формовки сложен, а стоимость относительно высока. Поэтому он подходит для компонентов теплоотвода в электронных устройствах и лопатках авиационных двигателей, где требуется теплопроводность.

Керамическая матрица

В основном он состоит из таких материалов, как карбид кремния и глинозема, который обладает превосходной термостойкостью и отличной износостойкостью. Он способен выдерживать температуру свыше 1000℃ и является основным материалом для компонентов, работающих в экстремальных условиях.

Основные характеристики углеродных композитов

Высокая прочность и высокий модуль упругости

Его прочность на разрыв в несколько раз превышает прочность стали, а модуль упругости значительно превосходит модуль упругости традиционных металлов. Благодаря этому компоненты из углеродного композитного материала имеют меньший размер и вес, что обеспечивает стабильность. Кроме того, он способен эффективно противостоять деформации, что позволяет уменьшить деформацию крыла и обеспечить безопасность и эффективность полета.

Низкая плотность

Углеродный композит Материалы имеют чрезвычайно низкую плотность, составляющую всего 1/4 - 1/5 плотности стали и около 1/2 плотности алюминия. Поэтому его можно использовать для производства таких компонентов, как кузова и шасси автомобилей, что позволяет значительно снизить вес. А в аэрокосмической отрасли он снижает вес самолетов, что уменьшает затраты на запуск и увеличивает полезную нагрузку и дальность полета.

Коррозионная стойкость и усталостная прочность

Благодаря сильной химической стабильности и отличной коррозионной стойкости он не вступает в реакцию с кислотами, щелочами и солями. Поэтому он может долгое время работать в жестких химических средах, что продлевает срок службы оборудования и снижает затраты на обслуживание. Кроме того, благодаря выдающейся усталостной прочности, повреждения распространяются медленно, а срок службы при переменных нагрузках длительный.

Проектируемость

Углеродные композитные материалы обладают высокой конструктивной способностью, характеристики компонентов могут быть спроектированы так, как это необходимо. Вы можете изменять типы, содержание, направление укладки и метод углеродные волокна, а также выбирать различные материалы матрицы. Кроме того, изменив процесс формования, можно изготавливать детали сложной формы без необходимости выполнять обширные операции резки. Это снижает отходы материалов и повышает эффективность, позволяет удовлетворить специальные требования в различных областях и расширяет сферу применения.

Основные области применения углеродных композитов

Аэрокосмическая отрасль

Что касается пассажирских самолетов

Он снижает вес и повышает топливную эффективность, поэтому из него изготавливают фюзеляж, крылья и другие основные компоненты. А некоторые истребители используют его для изготовления обшивки и дверей бомбоотсеков, что повышает маневренность и улучшает скрытность.

В космических кораблях

Вы можете использовать его для снижения веса и увеличения грузоподъемности для спутниковых рам и опор солнечных панелей. Он может выдерживать температуру выше 3000℃ и обеспечивать запуск, что может быть использовано для высокотемпературных компонентов.

Транспортная сфера

В автомобильном секторе

Поскольку валы трансмиссии 40% легче металла, это помогает добиться облегчения и экономии энергии. Кроме того, он обладает более высокой эффективностью передачи, вес пружин снижен вдвое, что сохраняет усталостную прочность.

В секторе высокоскоростных железных дорог

Его можно использовать для изготовления корпусов кузова и сидений поезда, что позволяет снизить вес кузова более чем на 10%. Он может снизить потребление тяговой энергии на 8% до 10%, а также обладает хорошей коррозионной стойкостью. Это позволяет сократить объем технического обслуживания в условиях влажной и прибрежной среды и снизить эксплуатационные расходы.

Поле для спортивного оборудования

В шаровом оборудовании

Рама из волокна 30% легче металлической, обладает хорошей эластичностью, эффективно передает усилие и снижает травмы руки. Для клюшек для гольфа можно отрегулировать вал, изменив расположение волокон, чтобы добиться жесткого вала и твердой головки.

Велосипеды и оборудование для легкой атлетики

Из него можно изготовить высококлассные велосипедные рамы и колеса, чтобы получить чрезвычайно легкий вес и высокую жесткость. При прыжках с шестом он полезен тем, что шест накапливает энергию и помогает спортсменам преодолевать высоту.

Промышленность и новая энергетика

В ветроэнергетике

По сравнению с традиционными лопастями из стекловолокна, они легче 30% и более устойчивы к усталости. Они могут стабильно работать при сильном морском ветре более 20 лет, адаптируясь к развитию крупномасштабной и оффшорной ветроэнергетики.

В области контейнеров высокого давления

Благодаря небольшому весу и устойчивости к коррозии его можно использовать для резервуаров для хранения природного газа и водорода. Его также можно использовать в резервуарах для хранения водорода в автомобилях на водородных топливных элементах, что позволяет снизить вес и увеличить дальность поездки.

Заключение

Углеродный композит обладает выдающимися эксплуатационными характеристиками, среди преимуществ которого - высокая прочность и низкая плотность. Он имеет широкие перспективы применения в таких областях, как аэрокосмическая промышленность, транспорт, спортивное оборудование и новая промышленная энергетика. Кроме того, он не только стимулирует промышленные технологические инновации, но и обеспечивает материальные решения для облегчения веса и энергосбережения.