Графит VS углеродное волокно: Всестороннее сравнение

В области материаловедения графит и углеродное волокно обладают превосходными свойствами и играют важную роль во многих областях - от аэрокосмической до повседневной жизни. Глубокое понимание их свойств, областей применения и динамики рынка имеет большое значение для развития материаловедения.

Основной обзор графита и углеродного волокна

Графит

Sструктура

Он имеет типичную слоистую кристаллическую структуру. Каждый его слой соединен ковалентными связями между атомами углерода, образуя гексагональную планарную сетевую структуру. Это делает силу связи между атомами углерода в слое сильной. Слои взаимодействуют друг с другом за счет более слабых ван-дер-ваальсовых сил. Такая уникальная структура придает ему множество особых свойств, например, хорошую смазывающую способность. Поскольку силы Ван-дер-Ваальса между слоями слабые, слои легко скользят друг относительно друга. В то же время он обладает определенной электропроводностью, и электроны могут относительно свободно перемещаться внутри слоя.

Производственный процесс

Процесс его производства обычно более сложен. В качестве сырья для него обычно используют нефтяной и асфальтовый кокс. Сначала необходимо предварительно обработать это сырье для удаления примесей. Затем его прокаливают при высоких температурах, чтобы придать ему первоначальную графитизацию. Затем, после шлифовки, формовки и других процессов, чтобы придать нужную форму. Наконец, необходимо провести высокотемпературную обработку графита, чтобы еще больше повысить его чистоту и кристалличность. Как правило, этот высокотемпературный процесс может достигать 2500 ℃ -3000 ℃, для того, чтобы получить графитовые материалы с отличными характеристиками.

Углеродное волокно

Sструктура

Это высокопрочное и высокомодульное волокно с содержанием углерода более 90%. С точки зрения микроструктуры, расположение атомов углерода в углеродном волокне имеет определенную ориентацию. Это напоминает хаотичную структуру графита, благодаря чему оно обладает высокой прочностью и модулем упругости. Атомы углерода в углеродном волокне в основном связаны ковалентными связями, образуя стабильный структурный каркас.

Производственный процесс

В качестве основы обычно используется полиакрилонитрильное (ПАН) волокно, асфальтовое или вискозное волокно. Взяв Углеродное волокно на основе ПАН Например, производственный процесс начинается с полимеризации и прядения нити-предшественника. Мономер ПАН полимеризуется в полимер, а волокно изготавливается в процессе прядения. Затем проводится предварительная окислительная обработка, окисление и сшивание ПАН-волокна на воздухе при температуре 200℃-300℃. Чтобы сформировать термостойкую трапециевидную структуру для подготовки к последующей карбонизации. Затем карбонизации лечения, под защитой 1000 ℃ -1500 ℃ инертного газа, удалить неуглеродные атомы в волокне. Таким образом, содержание углерода достигает более 90%. Наконец, проведите графитизацию в соответствии с потребностями. И далее улучшите кристалличность и модуль упругости углеродного волокна при высоких температурах выше 2000 ℃, чтобы улучшить его производительность.

Сравнение свойств графита и углеродного волокна

Механические свойства

Прочность

Прочность углеродного волокна чрезвычайно высок, прочность на разрыв высокоэффективного углеродного волокна превышает 3500 МПа, а специального углеродного волокна даже превышает 7000 МПа. Его часто используют в аэрокосмической промышленности и других конструкциях, испытывающих большие растягивающие усилия. Из-за слабых ван-дер-ваальсовых сил между слоями графит легко скользит. А прочность на разрыв обычного графита составляет лишь десятки МПа, что ниже, чем у углеродного волокна.

Модуль

Модуль упругости углеродного волокна высок, как правило, в пределах 230-480GPa, высокий модуль упругости превышает 600GPa. Силовая деформация невелика, стабильность формы хорошая. Модуль упругости графита обычно составляет от нескольких ГПа до десятков ГПа, а устойчивость к деформации гораздо хуже, чем у углеродного волокна. Его трудно применять в сценариях с высокими требованиями к деформации.

Физические свойства

Плотность

Плотность углеродного волокна составляет 1,7-2,0 г/см³. Это легкий материал, имеющий очевидные преимущества в области аэрокосмической и автомобильной легкой промышленности. Плотность графита составляет 2,09-2,23 г/см³, что несколько выше, чем у углеродного волокна. И его применение ограничено сценариями с жесткими ограничениями по весу.

Электропроводность

Проводимость графита 10⁴ – 10⁵ С/м, широко используется в электронной промышленности в качестве электродов для аккумуляторов, щеток и т.д. Углеродное волокно имеет относительно низкую электропроводность - 10² -10⁴ С/м. Но вы можете улучшить его с помощью специальной обработки для удовлетворения конкретных потребностей.

Теплопроводность

Графит обладает хорошей теплопроводностью и анизотропией, а теплопроводность параллельного слоя достигает сотен Вт/(м-К). Его часто используют в теплоотводах для электронного оборудования. Теплопроводность углеродного волокна также анизотропна. Теплопроводность вдоль оси волокна составляет 100-800 Вт/(м-К), а в вертикальном направлении - всего 5-20 Вт/(м-К).

Химические свойства

Устойчивость к коррозии

Графит обладает хорошей коррозионной стойкостью, может противостоять эрозии большинства кислот и щелочей. Его можно использовать в химической промышленности для изготовления коррозионностойких трубопроводов и футеровки реакторов. Углеродное волокно стабильно в общей химической среде и может выдерживать обычные растворы кислот и щелочей. Но в специальных средах, таких как сильные окислительные кислоты, химические реакции могут привести к ухудшению характеристик.

Устойчивость к окислению

Графит и углеродное волокно обладают хорошей устойчивостью к окислению при комнатной температуре. Однако при повышении температуры графит вступает в явную реакцию с кислородом при температуре выше 400℃. А углеродное волокно имеет явное явление окисления около 300℃, что ограничивает их применение в высокотемпературной аэробной среде. Но обработка поверхностного покрытия может быть улучшена до определенной степени.

Сравнение областей применения: графит и углеродное волокно

Области применения графита

В металлургической промышленности, в качестве огнеупорного материала, как графитовый тигель может выдерживать высокую температуру и химическую эрозию. Графитовая форма для литейной промышленности позволяет повысить точность литья и качество поверхности. В области электроники его можно использовать в качестве электрода, а также он применяется для изготовления гибких теплоотводов. В ядерный В промышленности он выступает в качестве замедлителя, обеспечивающего стабильность ядерных реакций. Кроме того, в сталелитейной промышленности электроды из графита используются в качестве проводников для создания электрической дуги при выплавке стали или металлических сплавов.

Область применения углеродного волокнаs

Аэрокосмическая область, с высокой прочностью, низкой плотностью характеристик, вы можете использовать его для производства крыльев самолета и других компонентов, улучшить летные характеристики. В производстве спортивных товаров его часто используют для создания высококлассных велосипедов, клюшек для гольфа и т. д., чтобы повысить качество. В автомобильная промышленностьВы можете использовать его для производства деталей кузова и трансмиссионных валов, чтобы добиться легкого веса и снизить энергопотребление и выбросы.

Анализ затрат и рынка: графит против углеродного волокна

Анализ состава затрат

Стоимость графита включает сырье, энергопотребление, амортизацию оборудования и т. д.

Благодаря большому количеству сырья и отработанному процессу, общая стоимость низкая. Доля стоимости сырого волокна в стоимости углеродного волокна велика, цена высокопроизводительного сырого волокна PAN высока. Энергопотребление в процессе производства велико, оборудование дорого, а стоимость обслуживания высока. Все это приводит к высоким производственным затратам.

Состояние и тенденции рынка

Рынок графита является зрелым, широко используется, а спрос на него стабилен. С развитием новой энергетики и электронной промышленности спрос в конкретных областях продолжает расти. Рынок углеродного волокна стремительно растет в последние годы, аэрокосмическая, автомобильная легкая и другие высокотехнологичные области пользуются все большим спросом. Технологический прогресс и расширение масштабов производства, как ожидается, приведут к снижению затрат, перспективам рынка.

Руководство по покупке

При покупке графита обязательно учитывайте его чистоту, размер частиц, физические и химические свойства. Также выбирайте правильного поставщика, чтобы убедиться, что графитовая продукция соответствует требованиям применения, поставляется с протоколами испытаний и полным послепродажным обслуживанием.

Ищете высокоэффективные графитовые материалы? Ознакомьтесь с нашей высококачественной графитовой продукцией, разработанной для более эффективного повышения производительности и конкурентоспособности вашей промышленной продукции. Купить сейчас.

Выводы

Графит и углеродное волокно значительно отличаются по структуре, характеристикам, применению и стоимости, и каждый из них играет ключевую роль в различных областях. В будущем ожидается, что они будут оптимизировать производительность и снижать стоимость. И вам необходимо разумно выбирать их в соответствии с потребностями практического применения, чтобы получить максимальную выгоду.