Wat is koolstofvesel? Wat maak hierdie "materiaalster" so goed?

Wanneer dit by koolstofvesel kom, het u dit dalk in die nuus - rakpijle, hoë-snelheidspoortreinliggame, drones, renmotorskagte en selfs hoëprestasie badmintonrakette het sy figuur. Hierdie klink soos "swart tegnologie" vol materiale, maar wat is dit eintlik? Vandag, met die mees algemene woorde, neem ons jou om die "ster van die materiële wêreld" te leer ken.

Koolstofvesel, in wese 'super koolstofdrade'

Eenvoudig gestel, is koolstofvesel 'n anorganiese polimeervesel wat tot 90% of meer koolstof bevat. Dit is nie 'n metaal of plastiek nie, maar eerder 'n "kristal van koolstof" — 'n swart draad gevorm deur 'n spesiale proses waarby organiese vesels (soos poliakrilonitriel en asfalt) by hoë temperature gekarboniseer word om onsuiverhede te verwyder.

Uiterlynkunde: slegs 5-10 mikron in deursnee (ongeveer 1/10 van 'n hare), lyk soos swart gare of wol met die blote oog, maar voel meer "styf" aan as yzerdraad.

Kenmerke: "Liggewig, sterk, weerstandig, stabiel".

(1) Sterkte is 7-9 keer dié van staal, taaiheid is verreweg meer as glasvesel;
(2) Digtheid van slegs 1,7 g/cm³, ligter as aluminium (digtheid van aluminium 2,7 g/cm³)
(3) Hoë temperatuurbestendigheid (kan nie bo 2000 ℃ smelt nie), korrosiebestendigheid (nie bang vir sure en alkalië nie), nie-geleidend (deur spesiale behandeling kan dit geleidend gemaak word).

Prestasie "aan en af": belaglik lig en verrassend hard

Die grootse van koolstofvesel word volledig deur drie kernvoordele "ondersteun":

（1）Liggies soos 'n veer, maar sterker as staal：

Digtheid is slegs 1,7-2,0 g/cm³ (1/4 van staal, 2/3 van aluminiumlegering), maar die treksterkte kan 3000-7000 MPa bereik (meer as 10 keer dié van staal), en 'n koolstofveselsnoer dik soos 'n vinger kan verskeie ton motors optel.

（2）Styfheidsoopbraak, stabiel soos 'n rots:

Elastisiteitsmodulus (’n maatstaf van styfheid) bereik 200-600 GPa, byna geen vervorming onder kragtoepassing nie; wanneer dit as satellietsteun gebruik word, kan dit ’n presiese houding in die ruimte handhaaf.

（3）"Anti-bou" eienskappe voluit benut:

Hoë temperatuurbestandigheid (inert omgewing tot 2000 ℃ te dra), suur- en alkali-bestaande (die oseaan met dekades sonder korrosie), anti-vermoeidheid (herhaalde krag breek dit nie maklik nie), die metaal voor dit moet "neerlê".

Waarom is koolstofvesel 'n "nasionale strategiese materiaal"?

Koolstofvesel is uiters moeilik om te vervaardig, en daar is slegs 'n paar lande in die wêreld wat hoë-end koolstofvesel in groot hoeveelhede kan vervaardig (hoofsaaklik China, Japan en die Verenigde State). Dit is nie net die "grondslag" van hoë-end vervaardiging nie, maar het ook betrekking op kernvelde soos lugruimvaart en verdedigingssekuriteit.

Byvoorbeeld, in die militêre arena kan koolstofvesel gebruik word om die romp van stealth-vegmasjiene (golfabsorberend) en missielrompe (liggewig om afstand te verbeter) te vervaardig; in die nuwe-energieveld, hoe langer die windturbineblade, hoe hoër is die doeltreffendheid van kragopwekking, en slegs koolstofvesel kan die 100-meter vlak van die reuse-blade ondersteun.
In die afgelope jare het China se koolstofveselbedryf vinnige deurbreekposisies behaal, van afhanklikheid van invoere tot onafhanklike massaproduksie, en selfs in sommige areas (soos windkrag, sporttoerusting) 'n dominante posisie in die wêreldmark inneem.

Hoe word koolstofvesel "gemaak"?

Die grootse van koolstofvesel word volledig deur drie kernvoordele "ondersteun":

（1）Primêre filamentvoorbereiding

Polisiersienitriel (PAN), teer en ander grondstowwe, wat deur die spinproses 'ruwe siede' (soortgelyk aan chemiese veselvezels) vorm. Hierdie stap is die fondament, en die gehalte van die ruwe siede bepaal direk die prestasie van koolstofvesel (China was lank hierdie stap 'gevang' in).

（2）Karbonisering

Die ruwe siede word geleidelik verhit tot 1 000-3 000 grade Celsius in 'n inerte gas (om brand te voorkom), wat elemente soos waterstof en suurstof verwyder, en slegs koolstofmolekules agterlaat. Na hierdie stap word die koolstofinhoud van die vesel van 50% na meer as 90% verhoog, wat sy sterkte en hardheid drasties verhoog.

（3）Verdere verwerking

Afhanklik van die toepassing , word koolstofvesels geweef in klere, in buise opgerol of gekombineer met hars, metale, ens. om "koolstofveselkomposiete" te vorm (soos wat ons dikwels noem "koolstofveselborde" en "koolstofveselbuise").

【Koolstofvesel Koue Kennis】

V: Hoekom is dit swart?
A: Grafietstrukture absorbeer byna al sigbare lig.

V: Bang vir vuur?
A: Oksidasie begin by 400°C in lug, maar die kapsule gebruik dit as hittebeskerming.

V: Kan dit hergebruik word?
A: BMW het dit moontlik gemaak om motoronderdele uit afvalkoolstofvesel te herwin.