Kohlefasereigenschaften
Mechanische Eigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften von Kohlefasern sind eines der überzeugendsten Attribute. Sein leichtes Gewicht, hohe Festigkeit und hoher Modul machen es in vielen Bereichen weit verbreitet.
Spezifische Stärke und spezifischer Modul: Die Dichte von Kohlefaser beträgt nur 1,5 bis 2,0 Gramm pro Kubikzentimeter GPA, das mehr als 7 -mal höher ist als die spezifische Stärke der meisten Metalle, und der spezifische Modul ist mehr als das Fünffache der Metalle. Diese hervorragende spezifische Stärke und ein spezifischer Modul verschafft Kohlefaser einen erheblichen Vorteil in der Luft- und Raumfahrt, in der Automobilindustrie, in den Sportgeräten und in anderen Bereichen.
Anisotropie: Die mechanischen Eigenschaften von Kohlefaser haben eine signifikante Anisotropie, dh die Stärke und der Modul entlang der Richtung der Faserachse sind viel höher als die senkrechten zur Faserachse. Mit dieser Eigenschaft können Kohlefaser -Verbundwerkstoffe ihre Leistungsvorteile durch rationales Layup -Design maximieren.
Ermüdungsbeständigkeit: -Carbonfaser -Verbundwerkstoffe haben eine hervorragende Müdigkeitsbeständigkeit, wobei eine Festigkeitsrate von 60% nach Millionen von Zyklen von Stressermüdung, viel höher als die von Stahl und Aluminium.
Wärmeeigenschaften
Die thermischen Eigenschaften von Kohlefasern sind ebenfalls ausgezeichnet, was es ermöglicht, sie in Hochtemperaturumgebungen zu verwenden.
Wärmeleitfähigkeit: Kohlenstofffaser hat im Allgemeinen eine thermische Leitfähigkeit von 0,025-0,09 Kalorien/cm-Sekunden und einen Widerstand von 0,8-1,6 × 10^-3 Ω-CM, der eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit zeigt. Diese Leistung lässt Kohlefaser eine breite Palette von Anwendungen in Solarsammlern, thermisch leitfähigen Schalenmaterialien usw. aufweisen.
Thermischer Expansionskoeffizient: Kohlefaser hat einen geringen Wärmeleitungskoeffizienten, negativ (-0,5 bis -1,6) × 10^-6/k in Innenräumen, Null bei 200 bis 400 ℃ und 1,5 × 10^-6/k bei weniger als 1.000 ° C, wodurch Kohlefaserverbundwerkstoffe unter der Temperaturänderung eine bessere dimensionale Stabilität aufweisen.
Hochtemperaturwiderstand: Kohlefaser ist sehr stabil unter 400 ° C, und selbst bei 1000 ° C ändert sich immer noch nicht viel. Diese Hochtemperaturwiderstand macht Kohlefaserverbundwerkstoffe in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet.
Grundlegende chemische Stabilität
Die chemische Stabilität von Kohlefasern ist eine weitere wichtige Eigenschaft, die es ihm ermöglicht, ihre Leistung in harten chemischen Umgebungen aufrechtzuerhalten.
Korrosionsresistenz: Kohlefaser ist neben starken Oxidationssäuren stabil zu Säuren, Alkalien und organischen Chemikalien und kann zu einer Vielzahl von chemisch -korrosionsbeständigen Produkten verarbeitet werden. Diese Art von Korrosionsresistenz lässt Kohlefaser in den Bereichen Chemieindustrie und Ozeantechnik eine breite Palette von Anwendungsaussichten aufweisen.
Oxidationsresistenz: In einer nicht oxidierenden Umgebung kann Kohlefaser ultrahoch-hohe Temperaturen standhalten, ein Merkmal, das es in Anwendungen wie Hochtemperaturofen und Wärmeschutzsystemen für Raketen und Flugzeuge einen Vorteil bietet.
Umweltstabilität: Kohlenstofffasern werden in normalen Betriebstemperaturen ≤250 ° C verwendet, und es ist schwierig, chemische Veränderungen der Kohlenstofffasern zu beobachten, was eine hervorragende Umweltstabilität aufweist.
Kohlefaseranwendungen
Luft- und Raumfahrt
Die Anwendung von Kohlefasern in der Luft- und Raumfahrt ist eine der bemerkenswertesten Verwendungszwecke. Aufgrund seiner leichten und hochfesten Eigenschaften wird Kohlefaser häufig als strukturelles Material in Flugzeugen und Raumfahrzeugen verwendet, um das Gewicht zu verringern und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern.
Flugzeugstrukturen: Die Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen (CFRP) in Flugzeugstrukturen kann das Gewicht des Flugzeugs erheblich verringern und die Passagierkapazität und -stufe erhöhen. Beispielsweise nutzen die Haupt- und Flügelhauptlagerstrukturen des Boeing 787 Dreamliner und Airbus A350XWB eine umfassende Verwendung von CFRP und entsprechen 50% bzw. 53% des Gewichts. Diese Anwendung reduziert nicht nur das Gewicht des Flugzeugs, sondern verbessert auch die Flugwirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit.
Raumfahrzeug: Im Bereich des Raumfahrzeugs wird Kohlefaser verwendet, um Strukturkomponenten für Raketen und Satelliten aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Wärmefestigkeit herzustellen. Es wurde berichtet, dass die Verwendung von Kohlefaserverstärkungsstoff (CFRP) in Raketen- und Satellitenstrukturen die Startkosten senkt und die Nutzlasten erhöht.
Sport- und Freizeitgüter
Kohlefaser werden auch in Sport- und Freizeitgütern häufig eingesetzt, insbesondere in Golfclubs, Fahrrädern, Tennisschlägern und Angelruten, aufgrund seiner hohen Festigkeit und leichten Eigenschaften.
Golfschläger: Carbonfaser -Golfclubs sind aufgrund ihres leichten Gewichts und ihrer hohen Elastizität weit verbreitet. Laut Statistiken können Sie einen Golfball 30 Meter mehr erreichen als einen Iron Club mit Carbon -Faserclubs.
Fahrrad: Kohlefaserfahrräder werden von professionellen Fahrern wegen ihres leichten Gewichts und ihrer hohen Festigkeit bevorzugt. Kohlefaserradrahmen sind ein Viertel leichter als Aluminiumlegierungsrahmen und bieten eine bessere Starrheit und Stoßdämpfung.
Industrie- und Zivilbau
Die Anwendung von Kohlenstofffasern im Bereich der Industrie- und Zivilbau konzentriert sich hauptsächlich auf die strukturelle Verstärkung und Stärkung, insbesondere auf die Verstärkung von Brücken, Gebäuden und Infrastrukturen.
Strukturverstärkung: Kohlefasergewebe oder Paneele werden verwendet, um Betonstrukturen zu verstärken, um ihre seismische Leistung und Tragfähigkeit zu verbessern. Es wurde berichtet, dass Kohlefaserverstärkungstechniken die seismische Leistung von Strukturen um mehr als 40%verbessern.
Neubau: Kohlefaser wird auch für den Neubau verwendet, wie z.
Automobilindustrie
Die Anwendung von Kohlefasern in der Automobilindustrie konzentriert sich hauptsächlich auf die leichte leichte Hochleistungsfahrzeuge und neue Energiefahrzeuge.
Hochleistungsfahrzeuge: Kohlefaser wird zur Herstellung von Körper, Chassis und anderen Teilen von Sportwagen und Rennwagen für seine leichten und hochfesten Eigenschaften verwendet, um die Fahrzeugleistung und -bearbeitung zu verbessern. Beispielsweise nutzen BMW I3- und I8 -Modelle von Kohlefaserverbundwerkstoffen ausführlich, was zu einer signifikanten Verringerung des Fahrzeuggewichts führt.
Neue Energiefahrzeuge: Im Bereich neuer Energiefahrzeuge wird Kohlefaser in Batteriekästen, Körperstrukturen usw. verwendet, um das Gewicht von Fahrzeugen zu verringern und die Reichweite zu verbessern. Es wurde berichtet, dass die Verwendung von Kohlefaserverbundwerkstoffen das Fahrzeuggewicht um 30% bis 60% verringern und die Energieeffizienz signifikant verbessern kann.
Herausforderungen und Einschränkungen von Kohlenstofffasern Die Produktionsbarrieren und technischen Schwierigkeiten von Kohlenstofffasern sind einer der Hauptfaktoren, die ihre breite Anwendung einschränken.
Im Folgenden sind die größten Herausforderungen, denen sich Kohlefaser im Produktionsprozess gegenübersehen:
Hohe technische Barrieren: Die Produktion von Kohlenstofffasern hat hohe technische Barrieren und beinhaltet komplexe chemische und physikalische Prozesse, einschließlich mehrerer Schritte wie Polymerisation, Spinning, Voroxidation, Karbonisierung und Graphitisierung. Diese Schritte erfordern eine präzise Kontrolle der Temperatur-, Druck- und Umgebungsbedingungen, um die Leistung des Endprodukts sicherzustellen.
Große Investitionen in Geräte: Die hohen Investitionskosten für Carbon-Faserproduktionsgeräte, insbesondere hochwertige Karbonisierungs- und Graphitisierungsöfen, die technisch anspruchsvoll und relativ teuer sind, schränkt die Fähigkeit kleiner Unternehmen ein, in die Branche einzutreten.
Rohstoffkosten: Der Preis für Acrylonitrilmonomer, der Hauptrohmaterial für Kohlefaser auf Pan-Basis, schwankt stark und beeinflusst die Produktionskosten von Kohlefasern. Darüber hinaus ist die Produktion hochwertiger Rohfilamente in Pan-Rohfehlern eine der technischen Schwierigkeiten, die präzise Polymerisation und Spinntechnologien erfordert.
Energieverbrauch: Der Produktionsprozess von Kohlefasern verbraucht viel Energie, insbesondere in den Karbonisierungs- und Graphitisierungsstadien, die lange Zeit bei hohen Temperaturen verarbeitet werden müssen. Dies erhöht nicht nur die Produktionskosten, sondern belastet auch die Umwelt.
Technologisches Monopol: Der globale Kohlefasermarkt wurde seit langem von einigen wenigen Unternehmen monopolisiert, die eine große Anzahl von technischen Patenten und ausgereiften Produktionsprozessen besitzen, was es den Neueinsteidern erschwert, die technologischen Barrieren in kurzer Zeit zu durchbrechen.
Produktqualitätskontrolle: Die Leistung von Kohlefaserprodukten reagiert sehr empfindlich für jeden Schritt im Produktionsprozess, und alle kleinen Änderungen können die Leistung des Endprodukts beeinflussen, sodass die Kontrolle der Produktqualität extrem hohe Anforderungen erfüllt.
Zusammenfassend müssen die Umwelt- und Gesundheitsherausforderungen bei der Produktion und Verwendung von Kohlefasern durch technologische Innovationen, strenge Umweltschutzmaßnahmen und effektive Strategien zur Abfallbewirtschaftung angegangen werden. Mit dem technologischen Fortschritt und dem verstärkten Umweltbewusstsein unternimmt die Kohlefaserindustrie allmählich Maßnahmen, um ihre Umwelt- und Gesundheitsauswirkungen zu verringern.
