Графіт проти вуглецевого волокна: Комплексне порівняння

У галузі матеріалознавства графіт і вуглецеве волокно мають чудові властивості і відіграють важливу роль у багатьох сферах - від аерокосмічної до повсякденного життя. Глибоке розуміння їхніх властивостей, застосування та динаміки ринку має велике значення для сприяння розвитку матеріалознавства.

Базовий огляд графіту та вуглецевого волокна

Графіт

Sструктура

Він має типову шарувату кристалічну структуру. Кожен шар з'єднаний ковалентними зв'язками між атомами вуглецю, утворюючи гексагональну плоску сітчасту структуру. Це робить силу зв'язку між атомами вуглецю в шарі сильною. Шари взаємодіють один з одним за допомогою слабших сил Ван-дер-Ваальса. Ця унікальна структура надає йому багато особливих властивостей, таких як хороша змащувальна здатність. Оскільки сила Ван-дер-Ваальса між шарами слабка, шари легко ковзають один відносно одного. У той же час, він також має певну електропровідність, і електрони можуть відносно вільно рухатися всередині шару.

Процес виробництва

Процес його виробництва зазвичай складніший. Як сировину зазвичай використовують нафтовий кокс та асфальтовий кокс. Спочатку потрібно попередньо обробити цю сировину, щоб видалити домішки. Потім її прожарюють при високих температурах, щоб зробити її спочатку графітованою. Потім, після подрібнення, формування та інших процесів, щоб надати потрібної форми. Нарешті, необхідно також провести високотемпературну обробку графітизацією для подальшого поліпшення чистоти і кристалічності графіту. Як правило, цей високотемпературний процес може досягати 2500 ℃ -3000 ℃, щоб отримати графітові матеріали з відмінними характеристиками.

Вуглецеве волокно

Sструктура

Це високоміцне і високомодульне волокно з вмістом вуглецю понад 90%. З точки зору мікроструктури, розташування атомів вуглецю у вуглецевому волокні має певну орієнтацію. Це показує подібну хаотичну структуру графіту, що робить його високою міцністю та модулем. Атоми вуглецю у вуглецевому волокні в основному з'єднані ковалентними зв'язками, утворюючи стабільний структурний каркас.

Процес виробництва

Зазвичай це поліакрилонітрильне (ПАН) волокно, асфальтове волокно або віскозне волокно. Беручи Вуглецеве волокно на основі ПАН Як приклад, виробничий процес починається з полімеризації та прядіння нитки-попередника. Мономер ПАН полімеризується в полімер, а волокно виготовляється в процесі прядіння. Потім проводять попередню окислювальну обробку, окислюють і зшивають ПАН-волокно на повітрі при 200 ℃ - 300 ℃. Сформувати термостійку трапецієподібну структуру для підготовки до подальшої карбонізації. Потім обробка карбонізацією під захистом інертного газу 1000 ℃ -1500 ℃ видаляє атоми вуглецю у волокні. Щоб вміст вуглецю досягав більше 90%. Нарешті, проведіть графітизацію відповідно до потреб. І надалі покращуйте кристалічність та модуль пружності вуглецевого волокна при високих температурах понад 2000 ℃, щоб покращити його характеристики.

Порівняння властивостей графіту та вуглецевого волокна

Механічні властивості

Сила

Міцність вуглецевого волокна надзвичайно висока, міцність на розрив високоефективного вуглецевого волокна перевищує 3500 МПа, а спеціального вуглецевого волокна навіть перевищує 7000 МПа. Ви можете часто використовувати його в аерокосмічній галузі та інших структурних частинах, які несуть високі сили розтягування. Через слабку силу Ван-дер-Ваальса між шарами графіт легко ковзає. А межа міцності звичайного графіту становить лише десятки МПа, що нижче, ніж у вуглецевого волокна.

Модуль

Модуль пружності вуглецевого волокна високий, як правило, в межах 230-480GPa, високий модуль пружності понад 600GPa. Силова деформація невелика, стабільність форми хороша. Модуль пружності графіту зазвичай становить від декількох ГПа до десятків ГПа, а стійкість до деформації набагато гірша, ніж у вуглецевого волокна. Його важко застосовувати в сценаріях з високими вимогами до деформації.

Фізичні властивості

Щільність

Щільність вуглецевого волокна становить 1,7-2,0 г/см³. Це легкий матеріал з очевидними перевагами в галузі аерокосмічної та автомобільної легкої промисловості. Щільність графіту становить 2,09-2,23 г/см³, що трохи вище, ніж у вуглецевого волокна. І його застосування обмежене в сценаріях зі строгими ваговими обмеженнями.

Електропровідність

Провідність графіту 10⁴ – 10⁵ S/m, широко використовується в електронній галузі як електрод для акумуляторів, щітки тощо. Вуглецеве волокно має відносно низьку електропровідність 10² -10⁴ С/м. Але ви можете покращити його за допомогою спеціальної обробки для задоволення конкретних потреб.

Теплопровідність

Графіт має хорошу теплопровідність і анізотропію, а теплопровідність паралельного шару досягає сотень Вт/(м-К). Його часто використовують в радіаторах електронного обладнання. Теплопровідність вуглецевого волокна також анізотропна. Теплопровідність вздовж осі волокна становить 100-800 Вт/(м-К), а у вертикальному напрямку - лише 5-20 Вт/(м-К).

Хімічні властивості

Стійкість до корозії

Графіт має хорошу корозійну стійкість, може протистояти більшості кислотних і лужних ерозій. І ви можете використовувати його в хімічній промисловості для виготовлення корозійностійких трубопроводів і футеровки реакторів. Вуглецеве волокно стабільне в загальному хімічному середовищі і може протистояти звичайним розчинам кислот і лугів. Але в особливих середовищах, таких як сильні окислювальні кислоти, хімічні реакції можуть спричинити погіршення експлуатаційних характеристик.

Стійкість до окислення

Графіт і вуглецеве волокно мають хорошу стійкість до окислення при кімнатній температурі. Однак при підвищенні температури графіт явно вступає в реакцію з киснем при температурі вище 400 ℃. А вуглецеве волокно має очевидне явище окислення близько 300 ℃, що обмежує його застосування у високотемпературному аеробному середовищі. Але обробку поверхневого покриття можна певною мірою покращити.

Порівняння сфер застосування: графіт проти вуглецевого волокна

Сфери застосування графіту

У металургійній промисловості, як вогнетривкий матеріал, графітовий тигель витримує високу температуру і хімічну ерозію. Графітова форма для ливарної промисловості для підвищення точності лиття і якості поверхні. У сфері електроніки його можна використовувати як електрод, а також застосовувати для виготовлення гнучких радіаторів. У ядерний В атомній промисловості графіт виконує роль сповільнювача, що забезпечує стабільність ядерних реакцій. Крім того, у металургійній промисловості електроди з графіту використовують як провідники для створення електричної дуги для виплавки сталі або металевих сплавів.

Сфера застосування вуглецевого волокнаs

Аерокосмічна галузь, з високою міцністю, низькими характеристиками щільності, ви можете використовувати його для виготовлення крил літаків та інших компонентів, поліпшення льотних характеристик. У спортивних товарах часто використовується для створення високоякісних велосипедів, ключок для гольфу тощо, для покращення якості. У автомобільна промисловістьВи можете використовувати його для виготовлення деталей кузова та валів трансмісії, щоб досягти легкої ваги та зменшити енергоспоживання і викиди в атмосферу.

Аналіз вартості та ринку: графіт проти вуглецевого волокна

Аналіз структури витрат

Собівартість графіту охоплює витрати на сировину, енергію, амортизацію обладнання тощо.

Завдяки великій кількості сировини та зрілому процесу, загальна вартість низька. Частка вартості сировинного волокна у вартості вуглецевого волокна велика, ціна на високоефективне сировинне волокно ПАН висока. А споживання енергії в процесі виробництва велике, обладнання дороге, а вартість обслуговування висока. Це призводить до високих виробничих витрат.

Стан та тенденції ринку

Ринок графіту є зрілим, широко використовуваним, а попит стабільним. З розвитком нових галузей енергетики та електроніки попит на конкретні галузі все ще зростає. Ринок вуглецевого волокна стрімко зростає в останні роки, аерокосмічна, автомобільна легка промисловість та інші високотехнологічні галузі користуються все більшим попитом. Очікується, що технологічний прогрес і розширення масштабів знизить витрати, перспективи ринку.

Посібник з купівлі

Купуючи графіт, обов'язково враховуйте його чистоту, розмір частинок і фізико-хімічні властивості. Також обирайте правильного постачальника, щоб переконатися, що графітова продукція відповідає вимогам застосування, має протоколи випробувань і повне післяпродажне обслуговування.

Шукаєте високоефективні графітові матеріали? Ознайомтеся з нашою високоякісною графітовою продукцією, розробленою для підвищення продуктивності та конкурентоспроможності вашої промислової продукції. Купити зараз.

Висновки

Графіт і вуглецеве волокно значно відрізняються за структурою, характеристиками, застосуванням і вартістю, і кожен з них відіграє ключову роль у різних галузях. У майбутньому від них очікують оптимізації продуктивності та зниження витрат. І вам потрібно розумно підбирати їх відповідно до попиту в практичному застосуванні, щоб отримати максимальну вигоду.