Що таке вуглецевий композит?

Оскільки галузі постійно підвищують вимоги до матеріалів з точки зору полегшення ваги, високої міцності та корозійної стійкості, традиційні металеві матеріали поступово стають нездатними задовольнити ці вимоги. Однак вуглецеві композити виділяються своїми видатними комплексними характеристиками, стаючи основним об'єктом застосування в сучасній галузі матеріалів. Тому важливо розуміти його визначення, склад, характеристики та застосування в суміжних галузях.

Базове визначення та склад вуглецевих композитів

Визначення

Вуглецевий композитний матеріал - це новий тип композитних матеріалів зі специфічними функціями та механічними властивостями. Він складається з вуглецевих волокон як армуючого матеріалу, зі смолами, металами, керамікою тощо в якості матричних матеріалів. А завдяки процесам формування, таким як компресійне формування, намотування, гаряче пресування тощо, вони тісно пов'язані між собою. Це дозволяє досягти прориву в продуктивності, що значно перевищує комбіновану продуктивність одного матеріалу, такого як сталь.

Ключові компоненти

Армуючі матеріали

Армуючий каркас безпосередньо визначає основні механічні властивості, такі як міцність і модуль пружності матеріалу. Його основним компонентом є вуглецеве волокно, яке включає багато органічних волокон, таких як поліакрилонітрил, віскозне волокно тощо. Їх виготовляють шляхом видалення домішок і реорганізації атомної структури вуглецю за допомогою таких процесів, як високотемпературна карбонізація і графітизація. Зрештою, він утворює волокноподібний матеріал діаметром лише 5-10 мікрометрів і вмістом вуглецю понад 90%. Залежно від експлуатаційних характеристик, вуглецеві волокна можна класифікувати на кілька класів:

Марка загального призначення (наприклад, T300)

Його міцність і модуль пружності помірні, він має нижчу вартість, в основному використовується у спортивному спорядженні та звичайних промислових компонентах.

Високопродуктивний сорт (наприклад, T800, T1100)

Міцність на розрив може досягати 5-6 разів більше, ніж у сталі, а модуль пружності набагато вищий, ніж у алюмінієвого сплаву. Тому ви можете використовувати його в галузях з надзвичайно високими вимогами до продуктивності, таких як аерокосмічна промисловість та високотехнологічне обладнання.

Крім того, форма вуглецевих волокон, таких як безперервні волокна, подрібнені волокна, також впливає на властивості матеріалу.

Матричні матеріали

Матеріал матриці відповідає за зв'язування дисперсних вуглецевих волокон в єдине ціле, яке рівномірно передає зовнішні навантаження. Він також запобігає пошкодженню вуглецевих волокон, спричиненому суворими умовами навколишнього середовища, такими як корозія та високі температури. В даний час основні матричні матеріали в основному поділяються на три категорії:

Смоляна матриця

Епоксидна смола:

Він має міцну адгезію, простий процес формування та контрольовану вартість, що робить його кращим вибором для аерокосмічного та спортивного обладнання.

Фенольна смола:

Має хорошу термостійкість і вогнестійкість, тому здебільшого використовується у вогнетривких компонентах.

Поліімідна смола:

Він може стабільно працювати при температурі понад 200 ℃, що підходить для високоякісних компонентів двигуна.

Металева матриця

Переважно складається з легких металів, таких як алюміній, магній і титан, а також їхніх сплавів. Він має як високу міцність, так і високу теплопровідність, але процес формування складний, а вартість відносно висока. Тому він підходить для компонентів розсіювання тепла в електронних пристроях і лопатей авіаційних двигунів, де потрібна теплопровідність.

Керамічна матриця

В основному він складається з таких матеріалів, як карбід кремнію і глинозему, який має чудову термостійкість і надзвичайну зносостійкість. Він здатний витримувати температуру понад 1000 ℃, що є основним матеріалом для компонентів, які працюють в екстремальних умовах.

Основні характеристики вуглецевих композитів

Висока міцність і високий модуль

Його міцність на розрив у кілька разів перевищує міцність сталі, а модуль пружності значно перевищує модуль пружності традиційних металів. Це дозволяє компонентам вуглецевого композитного матеріалу бути меншими за розміром, легшими за вагою, що забезпечує стабільність. Крім того, він більш здатний ефективно протистояти деформації, що дозволяє зменшити деформацію крила, забезпечити безпеку польотів і підвищити їхню продуктивність.

Низька щільність

Вуглецевий композит матеріали мають надзвичайно низьку щільність, яка становить лише 1/4 - 1/5 щільності сталі та близько 1/2 щільності алюмінію. Тому його можна використовувати для виробництва таких компонентів, як кузови та шасі автомобілів, що дозволяє значно зменшити їхню вагу. А в аерокосмічній галузі він зменшує вагу літаків, що знижує витрати на запуск і збільшує корисне навантаження та дальність польоту.

Корозійна стійкість і опір втомі

Завдяки високій хімічній стабільності та відмінній корозійній стійкості він не вступає в реакцію з кислотами, лугами та солями. Тому він може працювати в суворих хімічних середовищах протягом тривалого часу, що подовжує термін служби обладнання та зменшує витрати на обслуговування. Крім того, завдяки видатній стійкості до втоми, пошкодження поширюються повільно, а втомний ресурс тривалий при змінних навантаженнях.

Можливість проектування

Вуглецеві композитні матеріали мають високу здатність до проектування, характеристики компонентів можуть бути спроектовані відповідно до потреб. Ви можете змінювати типи, вміст, напрямок укладання та спосіб вуглецеві волокнаа також вибирати різні матеріали матриці. Крім того, модифікуючи процес формування, ви можете виготовляти компоненти складної форми без необхідності великих операцій різання. Це зменшує відходи матеріалу і підвищує ефективність, дозволяє задовольнити особливі вимоги в різних галузях і розширює сферу застосування.

Основні сфери застосування вуглецевих композитів

Аерокосмічна галузь

З точки зору пасажирських літаків

Він зменшує вагу і покращує паливну ефективність, тому з нього широко виготовляють фюзеляж, крила та інші основні компоненти. А деякі винищувачі використовують його для виготовлення обшивки та дверей бомбових відсіків, що підвищує маневреність і покращує показники непомітності.

У космічних кораблях

Ви можете використовувати його, щоб зменшити вагу і збільшити вантажопідйомність рами супутника і опор сонячних панелей. Він може витримувати температуру понад 3000 ℃ і забезпечувати запуск, що може бути використано для високотемпературних компонентів.

Транспортна сфера

В автомобільному секторі

Оскільки вали трансмісії 40% легші за метал, це допомагає досягти полегшення ваги та енергозбереження. Крім того, він має вищу ефективність передачі, завдяки чому вага пружин зменшується вдвічі, зберігаючи стійкість до втоми.

У секторі високошвидкісної залізниці

Ви можете використовувати його для корпусів кузовів і каркасів сидінь поїзда, що зменшує вагу кузова порівняно з 10%. І це може зменшити споживання тягової енергії з 8% до 10%, і він має хорошу корозійну стійкість. Таким чином, це може зменшити технічне обслуговування у вологому та прибережному середовищі та знизити експлуатаційні витрати.

Поле для спортивного інвентарю

У кульовому обладнанні

Що стосується рами, то 30% легший за метал і має хорошу еластичність, ефективну передачу сили та зменшує травми рук. Для гольф-клубів ви можете відрегулювати вал, змінивши розташування волокон, щоб досягти жорсткого валу і твердої головки.

У велосипедному та легкоатлетичному спорядженні

Ви можете використовувати його для висококласних велосипедних рам і коліс, щоб досягти надзвичайно легкої ваги і сильної жорсткості. Якщо використовувати його для стрибків з жердиною, він корисний тим, що жердина накопичує енергію і допомагає спортсменам долати висоту.

Промисловість та нова енергетика

У вітроенергетиці

У порівнянні з традиційними лопатями зі скловолокна, 30% легша і більш стійка до втоми. І може стабільно працювати в умовах сильного морського вітру понад 20 років, адаптуючись до розвитку великої та офшорної вітроенергетики.

У сфері контейнерів високого тиску

Завдяки невеликій вазі та корозійній стійкості ви можете використовувати його для резервуарів для зберігання природного газу та водню. Ви також можете використовувати його в баках для зберігання водню автомобілів на водневих паливних елементах, що дозволяє зменшити вагу і збільшити запас ходу.

Висновок

Вуглецевий композит має видатні експлуатаційні характеристики, а також такі переваги, як висока міцність і низька щільність. Він має широкі перспективи застосування в таких галузях, як аерокосмічна промисловість, транспорт, спортивне спорядження та нові види промислової енергетики. Крім того, він не тільки стимулює промислові технологічні інновації, але й забезпечує матеріальні рішення для полегшення ваги та енергозбереження.