Вуглецеві матеріали: Вичерпний посібник

Вуглецеві матеріали - це загальний термін для позначення твердих матеріалів на основі вуглецю. Зазвичай вони складаються з мікрокристалів графіту. Існує багато типів вуглецевих матеріалів з відмінними експлуатаційними характеристиками і широкими перспективами застосування.

I. Властивості вуглецевих матеріалів

Фізичні властивості

Вуглецеві матеріали мають такі фізичні властивості, як яскраве світло Він має високий коефіцієнт пропускання світла, високу електропровідність, високу теплопровідність і високу корозійну стійкість. Його світлопроникність може бути такою ж, як у скла, а електро- і теплопровідність - як у міді та алюмінію.

Хімічні властивості

Вуглецевий матеріал - це корозійностійкий матеріал з високою хімічною стабільністю і хорошою корозійною стійкістю до більшості кислот, лугів і солей.

II.. Детальне пояснення основних типів

Графіт

Графіт - це шарувата структура атомів вуглецю, що складається з площин гексагональної решітки. Кожен атом вуглецю має чотири вільних електрони. Графіт має хорошу електро- і теплопровідність, підходить для виготовлення електродиу виробництві металоконструкцій, теплообмінників та інших галузях. Графіт можна розділити на природний графіт і штучний графіт, обидва вони мають схожу структуру, тому їх фізичні та хімічні властивості схожі, але вони досить сильно відрізняються в застосуванні.

Активоване вугілля

Активоване вугілля - це різновид спеціально обробленого вугілля, з добре розвиненою структурою пор і великою площею поверхні. Завдяки сильній адсорбційній здатності, великій питомій поверхні, розвиненій внутрішній структурі пор, низькій насипній щільності та іншим характеристикам, воно широко використовується для очищення води, десульфурації, денітрифікації, регенерації розчинників, аварійної адсорбції, видалення ртуті та в багатьох інших сферах. Водночас активоване вугілля часто використовується як каталізатор або носій каталізатора в хімічних реакціях, таких як підготовка газу та риформінг.

Вуглецеві нанотрубки

Вуглецеві нанотрубки - це одновимірні наноматеріали з чудовими властивостями високої міцності та високої електро- і теплопровідності. А подальше застосування в основному охоплює індустрію нових енергетичних транспортних засобів, цифрову індустрію 3C, напівпровідникову промисловість, енергетичну інфраструктуру та інші галузі. Попит на широкомасштабне комерційне застосування вуглецевих нанотрубок в основному походить з області літієвих батарей і струмопровідних пластмас, з яких понад 80% попиту припадає на літієві батареї.

Графен

Графен це двовимірний вуглецевий матеріал, що складається з одного шару атомів вуглецю, розташованих у вигляді сот. Це основний структурний елемент багатьох інших гетероморфів вуглецю, таких як графіт, алмаз, вуглець, вуглецеві нанотрубки та фулерени. Завдяки чудовим оптичним, механічним та електричним характеристикам, його застосування в мікро- та нанообробці, матеріалознавстві, енергетиці, доставці ліків та біомедицині є більш ніж життєво важливим, і він розглядається як перспективний матеріал у найближчі десятиліття.

Вуглецеве волокно

Вуглецеве волокно - це високоміцний, високомодульний волокнистий матеріал з вмістом вуглецю понад 90%. Утворюється шляхом розтріскування і карбонізація з органічних волокон, таких як поліакрилонітрил (або асфальт і віскоза) у високотемпературному середовищі. Воно має характеристики легкої ваги, високої міцності, високого модуля, стійкості до високих температур і корозійної стійкості. Це робить вуглецеве волокно стратегічним новим матеріалом у сучасній сфері високих технологій і відомим як "король нових матеріалів". Вуглецеві волокна можна класифікувати різними способами, і їх можна розділити на волокна на основі поліакрилонітрилу (PAN-CF), на основі віскози (Rayon-CF) і на основі асфальту (Pitch-CF) відповідно до різної сировини.

III. Сфери застосування

Нове енергетичне поле:

Вуглецеві матеріали мають широкий спектр застосування у сфері нової енергетики. Наприклад, композити з вуглецевою матрицею можна використовувати для виготовлення високоефективних батарей і суперконденсаторів. З графену виготовляють сонячні батареї та лопаті для вітрогенераторів. З постійним розвитком нових енергетичних технологій перспектива застосування вуглецевих матеріалів у новій енергетиці буде ширшою.

Автомобільна:

Вуглецеві матеріали використовуються в автомобілебудуванні для виготовлення легких компонентів і високоефективних компонентів двигунів. Наприклад, композити з вуглецевого волокна можна використовувати для виготовлення кузовів і деталей автомобілів, щоб підвищити їхню легкість і продуктивність. Графен також може бути використаний для виготовлення високоефективних паливних елементів для підвищення потужності та економічних показників транспортних засобів.

Аерокосмічна галузь:

Вуглецеві матеріали можуть використовуватися в аерокосмічній галузі, зокрема, для створення високоефективних літаків і космічних апаратів. Наприклад, композити з вуглецевого волокна можна використовувати для виготовлення легких крил і фюзеляжів, щоб поліпшити їхні характеристики. Графен також може бути використаний для створення високопродуктивних авіадвигунів для підвищення потужності та економічних показників літаків.

Індустрії:

Вуглецеві матеріали використовуються в промисловому секторі для виготовлення високоефективних компонентів та інструментів. Наприклад, композити з вуглецевого волокна можна використовувати для виготовлення сучасних механічних деталей, промислових труб тощо, щоб підвищити їхню продуктивність і термін служби. Крім того, графен можна використовувати для виготовлення високоефективних насосів і клапанів для підвищення ефективності промислового виробництва.

Медична сфера

Вуглецеві матеріали є ідеальними матеріалами для хірургічних імплантатів. І такі імплантати, як штучні кістки, штучні стегна, колінні суглоби та серцеві клапани вже успішно виготовляються.

Напівпровідники

Вуглецеві матеріали можуть бути використані для виготовлення напівпровідникових компонентів теплового поля, електродних матеріалів, підкладок для розсіювання тепла, корпусів упаковок, контрольних зондів тощо.

Фотоелектричне поле

Вуглецеві матеріали є імпортозамінником високочистих ізостатичних графітових виробів. Тому вуглецеві матеріали були успішно реалізовані в системі фотоелектричного теплового поля і широко використовуються як довгі кристалічні витратні матеріали в фотоелектричному тепловому полі. Такі як тиглі, відвідні циліндри, ізоляційні циліндри тощо.

Енергетичний сектор

Вуглецеві матеріали мають широкий спектр застосування в енергетиці. Наприклад, графен можна використовувати як матеріал для електродів сонячних елементів і літієвих батарей, щоб підвищити щільність енергії та швидкість заряджання і розряджання акумуляторів. Вуглецеві нанотрубки можна використовувати як матеріали для зберігання водню, щоб збільшити кількість і швидкість зберігання водню. Вуглецеве волокно можна використовувати як носій каталізатора для паливних елементів для підвищення активності та стабільності каталізатора.

Екологічна сфера

Вуглецеві матеріали також мають широкий спектр застосування в екологічній сфері. Наприклад, графен можна використовувати у сфері водопідготовки та очищення повітря, щоб підвищити ефективність очищення та покращити ефект очищення. Вуглецеві нанотрубки можна використовувати для адсорбції та видалення шкідливих речовин у воді та повітрі. З вуглецевого волокна можна виготовляти екологічні сенсори, які контролюють рівень хімічних речовин і забруднювачів у навколишньому середовищі.

V. Перспективи на майбутнє

Індустрія нових матеріалів є важливою підтримкою для таких високотехнологічних галузей, як біомедицина, інформаційні технології, нова енергетика та вуглецеві матеріали. І як важливий компонент, вуглецеві матеріали займають стратегічну позицію. В останні роки сімейство вуглецевих матеріалів розширилося, включивши алмаз, вуглецеве волокно, вуглець/вуглецеві композити, графіт, твердий вуглець, графен, вуглецеві нанотрубки, вуглецеві точки. ...... Сценарії його застосування також постійно розширюються, прискорюючи інновації в екологічному промисловому ланцюжку різних галузей. Крім того, з 2024 року економіка малих висот стрімко зростає. Як ключовий матеріал у висхідній частині промислового ланцюга, вуглецеве волокно та його композитні матеріали стануть важливою силою для сприяння розвитку низькогірної економіки. Тому ми маємо підстави вважати, що перспективи промисловості вуглецевих матеріалів дуже широкі.