Tính chất sợi carbon
Tính chất cơ học
Các tính chất cơ học của sợi carbon là một trong những thuộc tính hấp dẫn nhất của nó. Trọng lượng nhẹ, cường độ cao và mô đun cao làm cho nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Sức mạnh cụ thể và mô đun cụ thể: Mật độ của sợi carbon chỉ là 1,5 đến 2,0 gram mỗi cm khối, nhưng độ bền kéo của nó có thể đạt hơn 3.500 MPa, gấp nhiều lần so với thép và mô đun kéo của nó có thể đạt hơn 230 GPA, cao hơn 7 lần so với cường độ cụ thể của hầu hết các kim loại và mô đun cụ thể hơn 5 lần so với kim loại. Sức mạnh cụ thể tuyệt vời và mô đun cụ thể này mang lại cho sợi carbon một lợi thế đáng kể trong hàng không vũ trụ, ngành công nghiệp ô tô, thiết bị thể thao và các lĩnh vực khác.
Anisotropy: Tính chất cơ học của sợi carbon có tính dị hướng đáng kể, IE, cường độ và mô đun dọc theo hướng của trục sợi cao hơn nhiều so với các trục vuông góc với trục sợi. Khách sạn này cho phép các vật liệu tổng hợp sợi carbon tối đa hóa lợi thế hiệu suất của chúng thông qua thiết kế layup hợp lý.
Khả năng kháng mỏi: Các vật liệu tổng hợp sợi carbon có khả năng chống mỏi tuyệt vời, với tỷ lệ giữ sức mạnh là 60% sau hàng triệu chu kỳ mệt mỏi căng thẳng, cao hơn nhiều so với thép và nhôm.
Tính chất nhiệt
Các tính chất nhiệt của sợi carbon cũng rất tuyệt vời, điều này có thể sử dụng nó trong môi trường nhiệt độ cao.
Độ dẫn nhiệt: Sợi carbon thường có độ dẫn nhiệt 0,025-0,09 calo/cm-sec- ° C và điện trở suất 0,8-1,6 × 10^-3Ω-cm, cho thấy độ dẫn điện và nhiệt tốt. Hiệu suất này làm cho sợi carbon có một loạt các ứng dụng trong các bộ thu năng lượng mặt trời, vật liệu vỏ dẫn điện nhiệt, v.v.
Hệ số giãn nở nhiệt: Sợi carbon có hệ số giãn nở nhiệt nhỏ, âm (-0,5 đến -1,6) × 10^-6/k trong nhà, 0 đến 200 đến 400 và 1,5 × 10^-6/k ở mức thấp hơn Hơn 1.000, làm cho vật liệu tổng hợp sợi carbon có độ ổn định kích thước tốt hơn dưới sự thay đổi nhiệt độ.
Điện trở nhiệt độ cao: Sợi carbon rất ổn định dưới 400 ° C và thậm chí ở 1000 ° C vẫn chưa có nhiều thay đổi. Điện trở nhiệt độ cao này làm cho vật liệu tổng hợp sợi carbon được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không vũ trụ.
Độ ổn định hóa học cơ bản
Độ ổn định hóa học của sợi carbon là một đặc tính quan trọng khác cho phép nó duy trì hiệu suất của nó trong môi trường hóa học khắc nghiệt.
Khả năng chống ăn mòn: Sợi carbon ổn định với axit, kiềm và hóa chất hữu cơ, ngoài ra còn có các axit oxy hóa mạnh, và có thể được tạo thành nhiều sản phẩm chống ăn mòn hóa học. Loại kháng ăn mòn này làm cho sợi carbon có một loạt các triển vọng ứng dụng trong các lĩnh vực của ngành công nghiệp hóa học và kỹ thuật đại dương.
Kháng oxy hóa: Trong môi trường không oxy hóa, sợi carbon có thể chịu được nhiệt độ cực cao, một đặc điểm mang lại lợi thế cho các ứng dụng như lớp lót lò nhiệt độ cao và hệ thống bảo vệ nhiệt cho tên lửa và máy bay.
Tính ổn định môi trường: Sợi carbon được sử dụng trong nhiệt độ hoạt động bình thường ≤250 ° C.
Ứng dụng sợi carbon
Không gian vũ trụ
Việc áp dụng sợi carbon trong hàng không vũ trụ là một trong những ứng dụng đáng chú ý nhất của nó. Do tính chất nhẹ và cường độ cao, sợi carbon được sử dụng rộng rãi như một vật liệu cấu trúc trong máy bay và tàu vũ trụ để giảm trọng lượng và cải thiện hiệu quả nhiên liệu.
Cấu trúc máy bay: Việc sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon (CFRP) trong cấu trúc máy bay có thể làm giảm đáng kể trọng lượng máy bay và tăng công suất và phạm vi của hành khách. Ví dụ, cấu trúc ổ trục chính và cánh của cánh của Boeing 787 Dreamliner và Airbus A350XWB sử dụng CFRP rộng rãi, lần lượt chiếm 50% và 53% trọng lượng. Ứng dụng này không chỉ làm giảm trọng lượng của máy bay, mà còn cải thiện hiệu quả và kinh tế bay.
Tàu vũ trụ: Trong lĩnh vực tàu vũ trụ, sợi carbon được sử dụng để sản xuất các thành phần cấu trúc cho tên lửa và vệ tinh do cường độ cao và khả năng chống nhiệt. Việc sử dụng nhựa gia cố bằng sợi carbon (CFRP) trong các cấu trúc tên lửa và vệ tinh đã được báo cáo để giảm chi phí phóng và tăng tải trọng.
Hàng hóa thể thao và giải trí
Sợi carbon cũng được sử dụng rộng rãi trong hàng hóa thể thao và giải trí, đặc biệt là trong các câu lạc bộ golf, xe đạp, vợt tennis và que câu cá, do sức mạnh cao và tính chất nhẹ.
Câu lạc bộ golf: Các câu lạc bộ golf bằng sợi carbon được sử dụng rộng rãi vì trọng lượng nhẹ và độ đàn hồi cao. Theo thống kê, bạn có thể đánh một quả bóng golf hơn 30 yard so với một câu lạc bộ sắt với các câu lạc bộ bằng sợi carbon.
Xe đạp: Xe đạp bằng sợi carbon được các tay đua chuyên nghiệp ưa chuộng vì trọng lượng nhẹ và cường độ cao. Khung xe đạp bằng sợi carbon nhẹ hơn một phần tư so với khung hợp kim nhôm và cung cấp độ cứng và hấp thụ sốc tốt hơn.
Xây dựng công nghiệp và dân dụng
Việc áp dụng sợi carbon trong lĩnh vực xây dựng công nghiệp và dân dụng chủ yếu tập trung vào việc tăng cường cấu trúc và tăng cường, đặc biệt là trong việc gia cố các cây cầu, tòa nhà và cơ sở hạ tầng.
Củng cố cấu trúc: Các loại vải hoặc tấm bằng sợi carbon được sử dụng để củng cố các cấu trúc bê tông để cải thiện hiệu suất địa chấn và khả năng mang tải. Các kỹ thuật gia cố bằng sợi carbon đã được báo cáo để cải thiện hiệu suất địa chấn của các cấu trúc hơn 40%.
Xây dựng mới: Sợi carbon cũng được sử dụng trong xây dựng mới, chẳng hạn như mái nhà có khung làm bằng ống sợi carbon, nhẹ hơn khoảng 50% so với thép, và hiệu quả xây dựng và hiệu suất địa chấn đã được cải thiện đáng kể.
Ngành công nghiệp ô tô
Việc áp dụng sợi carbon trong ngành công nghiệp ô tô chủ yếu tập trung vào các phương tiện hiệu suất cao và phương tiện năng lượng mới.
Phương tiện hiệu suất cao: Sợi carbon được sử dụng để sản xuất thân xe, khung gầm và các bộ phận khác của xe thể thao và xe đua vì các đặc tính nhẹ và có độ bền cao, để cải thiện hiệu suất và xử lý của xe. Ví dụ, các mô hình BMW i3 và i8 sử dụng rộng rãi các vật liệu tổng hợp sợi carbon, dẫn đến giảm đáng kể trọng lượng xe.
Phương tiện năng lượng mới: Trong lĩnh vực xe năng lượng mới, sợi carbon được sử dụng trong hộp pin, cấu trúc cơ thể, v.v. để giảm trọng lượng của xe và cải thiện phạm vi. Nó đã được báo cáo rằng việc sử dụng vật liệu tổng hợp sợi carbon có thể làm giảm trọng lượng xe từ 30% đến 60% và cải thiện đáng kể hiệu quả năng lượng.
Những thách thức và hạn chế của sợi carbon Các rào cản sản xuất và khó khăn kỹ thuật của sợi carbon là một trong những yếu tố chính hạn chế ứng dụng rộng rãi của chúng.
Sau đây là những thách thức lớn mà sợi carbon phải đối mặt trong quá trình sản xuất:
Rào cản kỹ thuật cao: Việc sản xuất sợi carbon có các rào cản kỹ thuật cao và liên quan đến các quá trình hóa học và vật lý phức tạp, bao gồm nhiều bước như trùng hợp, quay, oxy hóa trước, cacbon hóa và graphitization. Các bước này yêu cầu kiểm soát chính xác các điều kiện nhiệt độ, áp suất và môi trường để đảm bảo hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.
Đầu tư lớn vào thiết bị: Chi phí đầu tư cao của thiết bị sản xuất sợi carbon, đặc biệt là các lò graphit hóa chất lượng cao, đòi hỏi kỹ thuật và tương đối tốn kém để duy trì, hạn chế khả năng của các doanh nghiệp nhỏ vào ngành.
Chi phí nguyên liệu: Giá của monome acrylonitril, nguyên liệu thô chính cho sợi carbon dựa trên PAN, dao động rất nhiều, ảnh hưởng đến chi phí sản xuất của sợi carbon. Ngoài ra, việc sản xuất các sợi PAN RAW chất lượng cao là một trong những khó khăn kỹ thuật, đòi hỏi các công nghệ trùng hợp và quay chính xác.
Tiêu thụ năng lượng: Quá trình sản xuất sợi carbon tiêu thụ rất nhiều năng lượng, đặc biệt là trong các giai đoạn cacbon hóa và đồ họa, cần được xử lý ở nhiệt độ cao trong một thời gian dài. Điều này không chỉ làm tăng chi phí sản xuất, mà còn đặt một gánh nặng cho môi trường.
Độc quyền công nghệ: Thị trường sợi carbon toàn cầu từ lâu đã được độc quyền bởi một số công ty, nơi sở hữu một số lượng lớn các bằng sáng chế kỹ thuật và quy trình sản xuất trưởng thành, gây khó khăn cho những người mới tham gia vượt qua các rào cản công nghệ trong một khoảng thời gian ngắn.
Kiểm soát chất lượng sản phẩm: Hiệu suất của các sản phẩm sợi carbon rất nhạy cảm với từng bước trong quy trình sản xuất và bất kỳ thay đổi nhỏ nào cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của sản phẩm cuối cùng, do đó, việc kiểm soát chất lượng sản phẩm đưa ra các yêu cầu cực kỳ cao.
Tóm lại, các thách thức về môi trường và sức khỏe trong sản xuất và sử dụng sợi carbon cần được giải quyết thông qua đổi mới công nghệ, các biện pháp bảo vệ môi trường nghiêm ngặt và các chiến lược quản lý chất thải hiệu quả. Với những tiến bộ công nghệ và tăng cường nhận thức về môi trường, ngành công nghiệp sợi carbon đang dần thực hiện các bước để giảm tác động môi trường và sức khỏe của mình.
