Көміртегі талшықтар туралы 4 жалпы түсінбеушілікті жою! Ток өткізгіш, Экранның оқшаулануы, Суға төзімді, Коррозияға төзімді

Көміртегі талшық туралы 4 тараған дұрыс емес пікірді жою! Ток өткізгіш пе? Экрандау пе? Суға төзімді ме? Коррозияға төзімді ме?

Автокөліктің жеңіл бөлшектерінен бастап жоғарғы санаттағы спорт құрал-жабдықтары мен әуежаңғақтағы маңызды конструкциялық бөлшектерге дейін, көміртегі талшық «қауырсын секілді жеңіл, болаттай берік» қасиеті арқасында ежелден көпшіліктің назарын аударып келеді. Алайда оның танымалдылығы арта түскен сайын оның қасиеттеріне қатысты сұрақтар да көбейіп келеді: Кейбіреулер «көміртегі талшық ток өткізеді, сондықтан одан жасалған телефон қапшықтары сигналды блоктайды» деп айтса, басқалары «көміртегі талшық судан қорқады және жаңбырда сынады» деп қобалжуы мүмкін, ал кейбіреулер «ол металдан гөрі коррозияға төзімді ме?» деп ойлануы мүмкін.

Бұл қарапайым сұрақтар көміртегі талшықтың материалдық қасиеттерінің негізгі логикасын ашады — ол не «универсалды материал», не де бар болғаны «табуға» ие. Бүгін біз көміртегі талшықты шынымен түсінуіңіз үшін нақты қолданылуға негізделген, принциптерді түсіндіріп, төрт ең маңызды сұраққа жай тілде жауап береміз!

С1: Сіз көміртегі талшық электр тогын өткізеді дегенді естідіңіз бе?

Ж1: Иә, ол талшық осі бойынша электр тогын өткізеді, бірақ металл секілді емес!

Көптеген адамдар көміртегі талшық — «диэлектрик материал» деп қате түсінеді, бірақ таза көміртегі талшықтың өзі жақсы электр өткізгіштікке ие — бұл оның молекулалық құрылымынан туындайды: көміртегі талшық графитке ұқсас құрылымға ие, онда көміртегі атомдары алтыбұрышты торлы желіде орналасады. Түйістік π-байланыстарында электрондар еркін қозғала алады, буда электрондар үшін «автожол» бар болғандай, сондықтан электр өткізгіштік пайда болады.

Дегенмен, оның өткізгіштігі мыс немесе алюминий сияқты металдардан әлдеқайда ерекшеленеді:

(1) Бағытталған өткізгіштік: Көміртек талшығы өз осі бойынша (ұзына бойы) күштірек өткізгіштік көрсетеді және көлденең бағытта (диаметр бойынша) әлсіз өткізеді, ал металдар токты изотропиялық өткізеді;
(2) Біраз төмен өткізгіштік тиімділігі: Көміртек талшығының меншікті кедергісі 10⁻³-тен 10⁻⁴ Ом·м дейінгі аралықта болады (спецификацияға қарай өзгереді), бұл мыстың көрсеткішінен (1,72×10⁻⁸ Ом·м) анағұрлым жоғары, сондықтан оны тікелей металл сымдарының орнына қолдануға болмайды;
(3) Композит материалдар диэлектрик болуы мүмкін: Күнделікті өмірде кездестіретін "көміртек талшығы өнімдер " деп аталатын көбінесе "көміртек талшығымен арматураланған композиттер" (CFRP) болып табылады. Егер матрица эпоксидті шайыр сияқты диэлектрик материал болса және көміртек талшықтары үздіксіз өткізгіш желісін құрмаса, композит жалпы алғанда диэлектрик немесе жартылай өткізгіш қасиеттерін көрсетуі мүмкін.
Практикалық қолданыстар: өзінің өткізгіштігін пайдалана отырып, көміртегі талшығын антистатикалық еден және электромагниттік экранның материалдарын жасау үшін қолдануға болады. Талшықтың мөлшерін бақылау арқылы диэлектрик көміртегі талшық композиттерін де жасауға болады, ол әртүрлі қолдану талаптар.

С2: Ол металдай сигналдарды экранирование жасай алады ма?

Ж2: Иә, бірақ үздіксіз өткізгіштік желісінің пайда болуы қажет.

Электромагниттік экранның негізгі принципі — «электромагниттік толқындарды шағылдыру, жұту немесе жерге бағыттау үшін өткізгіш материалдардан тұратын тұйық қуысты құру». Металл — электромагниттік толқындарды толықтай блоктау қабілеті бар үздіксіз өткізгіш болғандықтан, тамаша экранның материалы болып табылады.

Көміртегі талшығының сигналдарды экранирование жасай алуы оның үздіксіз өткізгіштік жолын құруына байланысты:
(1) Таза көміртегі талшығы / жоғары мөлшердегі үздіксіз көміртегі талшықты өнімдер :Белгілі бір экранилеу тиімділігіне жету! Мысалы, таза көміртегі талшықтардан немесе көміртегі талшықты прег-препараттардан жасалған бөлшектер талшықтардың тоқылуы арқылы үздіксіз өткізгіш желісін құрайды да, электромагниттік толқындардың біразын шағылдырады. Экранилеу тиімділігі (SE) әдетте 30-60 дБ аралығында болады (жалпы өнеркәсіптік және азаматтық қолданбалар үшін жеткілікті), алайда металдардан (60-100 дБ+) сәл төмен.
(2) Төменгі мөлшердегі / Дискретті көміртегі талшықты композиттер: Егер көміртегі талшықтар изоляциялық матрица ішінде үздіксіз желі құрмай, тек «шашырап» жатса, олар «үзілген сымдар» сияқты жұмыс істейді де, жартылай экранилеу қабілетін ғана қамтамасыз етеді;
(3) Жақсарту шешімдері: Композит бетіне металдық қаптама жағу немесе өткізгіш толтырғыштарды (мысалы, көміртегі нанотүтікшелер) қосу көміртегі талшықты өнімдердің экранилеу сипаттамаларын едәуір арттырады, тіпті металдар деңгейіне жақындай алады.
Мысалы: Үздіксіз көміртегі талшықты мата қолданылатын көміртегі талшықты телефон қапшығы сигналды біраз әлсірете алады (қалыпты пайдалануды әлі де әсер етпейді); ал шашыранды талшықтарға байланысты қалыпты көміртегі талшықпен күшейтілген пластик (CFRP) қапшық сигнал қабылдауға тигізетін әсері жоқ деп айтуға болады.

С3: Көміртегі талшық материалдары "суға қорқа ма"?

Ж3: Таза көміртегі талшық — мұның үшін қатер жоқ; құрамдас материалдар матрица мен қорғанысқа байланысты.

Алдымен түсіндірейік: Өзі таза көміртегі талшық суға қорқпайды! Көміртегі талшықтың химиялық құрылымы тұрақты, суда ерімейді. Ол суға батырылған кезде де коррозияға ұшырамайды немесе бұзылмайды және тіпті су астындағы орталарда (мысалы, теңіз машиналары немесе су асты роботтары) таза көміртегі талшық өте жақсы құрылымдық материал болып табылады.

Бірақ біз жиі кездестіретін "көміртегі талшық өнімдері" (құрамдас материалдар) суға "қорқуы мүмкін".

Негізгі мәселе матрицалық материал мен шекаралық байланыста жатыр:
(1) Композитті матрица эпоксидті шайыр немесе полиэфирлі шайыр болса, ұзақ уақыт бойы суға малынған кезде су баяуырақ матрицаның ішкі жағына немесе талшық-шайыр шекарасына өтеді, оның салдарынан:
1) Шайырдың ісінуі мен ескіруі материал беріктігін төмендетеді;
2) Талшық пен шайырдың бетінің ажырауы (интерфейстің бұзылуы), "қабаттарға ажырау" пайда болады;
(2) Арнайы өңделген композиттер «суға төзімді» болып келеді: Шайырды су өткізбейтіндей етіп жасау, бұйымның бетіне су ылғалын басып шығаратын қаптамалар (мысалы, полиуретан немесе фторкөміртегі қаптамалар) жағу немесе суға төзімділігі жоғары матрицаларды (мысалы, полиэфирэфиркетон PEEK) қолдану арқылы көміртегі талшықты композиттер ылғалды ортада немесе тіпті ұзақ уақыт суға малынып тұрған кезде тұрақтылығын сақтай алады.

Қолдану бойынша ұсыныстар: - Жалпы көміртегі талшықты өнімдерді (мысалы, қалта, спорт қоңыраулары) ұзақ уақыт жаңбырға немесе суға малынудан сақтаңыз. - Ашық аспан немесе су асты үшін (мысалы, қоқылар, сүңгу жабдықтары) арнайы суға төзімді өнімдерді таңдаңыз.

С4: Ол қаншалықты коррозияға төзімді?

A4: «Химиялық коррозияға төзімді», бірақ «жоғары температурада тоттануға бейім»!

Көміртегі талшықтар жалпы коррозияға төзімділігінің ерекше көрсеткіштерін көрсетеді, оның негізгі артықшылығы көміртегі атомдарының тұрақты құрылымынан туындайды:
(1) Қышқыл мен сілтіге төзімділік: Қалыпты температурада көміртегі талшық тұз қышқылы, күкірт қышқылы, натрий сілтісі сияқты жиі кездесетін қышқылдық және сілтілік ерітінділердің әсеріне төзеді. Металдардан айырмашылығы, электролиттік коррозияға ұшырамайды, сондықтан химиялық жабдықтарда (мысалы, коррозиялық орталарды тасымалдау үшін құбырлар, реактор ыдыстарының ішкі қабаттары) кеңінен қолданылады.
(2) Органикалық еріткіштерге төзімділік: Көміртегі талшық спирт, ацетон, бензин сияқты көптеген органикалық еріткіштерде ерімейді және ұзақ уақыт әсер еткенімен ыдырамайды;
(3) Кемшілігі: Жоғары температурада тоттануға бейімділік: Бұл көміртегі талшықтың жалғыз "коррозияға бейімділігі" — ауада 400°C-тан жоғары температура көміртегі талшықты оттегімен (C + O₂ = CO₂) әрекеттестіріп, біртіндеп тотығуға, салмақтың азаюына және беріктіктің төмендеуіне әкеледі. Дегенмен, инертті газ ортасында (мысалы, азотта) немесе вакуумда ол 1000°C-тан жоғары температурада да тұрақты болып қалады.

Қосымша ескерту: Көміртегі талшық өзі тотығуға бейім емес, себебі негізгі компоненті көміртегі болып табылады және ол оттегісіз ортада 1800°C-тан жоғары температураны шыдай алады. Дегенмен, көміртегі талшықты композиттер оттегісі бар ортада 400°C-тан жоғары температурада тотығып және бұзылатын смола матрицасын қолдануы себепті жоғары температурада тотығуға бейім, сондықтан материалдың жалпы өнімділігі төмендейді. Оттегісі бар ортада көміртегі талшық өзі 300°C-400°C температураны шыдайды.

Көміртегі талшықты қоспалардың коррозияға төзімділігі матрицаға байланысты. Егер матрицалық шайыр коррозияға төзімді болмаса (мысалы, стандартты полиэфирлі шайыр), коррозиялық ортада ұзақ уақыт болу шайырдың бұзылуына әкеліп соғады және нәтижесінде жалпы өнімділікке зиян тигізеді. Сондықтан химиялық өңдеуде қолданылатын көміртегі талшықты қоспалар коррозияға төзімді шайырлы матрицаларды (мысалы, винил эфирлі шайырлар, модификацияланған эпоксидті шайырлар) қамтуы керек.

Көміртегі талшық материалдарының қасиеттерінің мәні "құрылым сапаны анықтайды" деген принципте жатыр. Бұл сипаттарды түсіну оның артықшылықтарын тиімді пайдаланудың кілті болып табылады — оның «жалпы қолданылуын» асыра бағалау немесе оның «шектеулерін» дұрыс түсінбеу. Егер электроника немесе ашық аспан заттарындағы көміртегі талшық сияқты нақты қолданыстарды зерттеу қызықтырса, төменге пікір қалдыруыңызға болады!