Włókno węglowe kontra szklane: Dlaczego istnieje tak duża różnica cen i wydajności przy tym samym typie włókna?

Włókno węglowe kontra szklane: Dlaczego istnieje tak duża różnica cen i wydajności przy tym samym typie włókna?

Czy kiedykolwiek się nad tym zastanawiałeś? Wędka z wysokiej klasy włókna węglowego może kosztować tysiące dolarów, podczas gdy zwykła wędka ze szkłoplastiku można zdobyć za kilkadziesiąt dolarów. To samo „włókno”, nazwa brzmi jakby były kuzynami, a jednak cena i wydajność tworzą przepaść między „arystokratą” a „ludem prostym”? Dziś przyjrzymy się bliżej tej parze „rodziny włókien” – włóknu węglowemu i szklanemu – i sprawdzimy, czym naprawdę różnią się od siebie wewnętrznie.

Z innego tła: „druga generacja bogactwa” i „praktycy” świata materiałów.

Aby zrozumieć różnicę, musimy zacząć od „pochodzenia”.

Szkłokompozyt

Głównym składnikiem jest krzemionka, a te surowce są dostępne w ogromnych zasobach na Ziemi przy niskim koszcie. Poprzez procesy takie jak wysokotemperaturowe topnienie i ciągnienie, powstaje włókno szklane. To jakby wspólne pochodzenie, ale bardzo twardy „wykonawca”, który dzięki opłacalności zmierzył się ze światem.

Włókno węglowe

Głównym składnikiem jest węgiel. Jego prekursory to zazwyczaj polimery organiczne, takie jak poliakrylonitryl, asfalt lub włókna wiskozowe. Te nitki muszą przejść przez karbonizację i grafityzację w temperaturach dochodzących do tysięcy stopni, pod ochroną gazu obojętnego, aby usunąć atomy niemetaliczne, i ostatecznie tworzą nadmateriał zawierający ponad 90% węgla. Ten proces jest skomplikowany, energochłonny, o wysokich barierach technologicznych, w branży materiałów nazywany jest „stalą”. Włókno węglowe jest zatem również jak starannie wyhodowany, konsumujący ogromne zasoby "bogaty drugi pokoleniowiec" lub "topowi sportowcy".
Od urodzenia jest przeznaczone do różnic cenowych. Użycie "piasku", użycie "surowców chemicznych + złożony proces", cena węgla sztucznego "szlachetnego" od samego początku była przesądzona.

Wygrana pod względem wydajności: Dlaczego włókno węglowe to "król"?

Nie wystarczy spojrzeć na kwalifikacje, trzeba spojrzeć na rzeczywistość. Oto tabela porównawcza wydajności, która pozwoli Ci się zorientować:

Skup się na "module" :Można myśleć o module jako o "sztywności" materiału.

Szkłokompozyt

Podobnie jak twardy kij, jest silny i nie pęka łatwo, ale gdy siłowo go złamiesz, znacznie się ugina i odkształca.

Włókno węglowe

Podobnie jak twardy pręt stalowy, nie tylko jest silny, ale także wysoce odporny na odkształcenia. Przy takiej samej sile rozerwania prawie się nie przemieszcza.
Ta cecha "nieugrzania" ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach wysokiej klasy. Na przykład:

(1) Samochód Formuły 1: podwozie musi być wyjątkowo sztywne, aby zapewnić precyzyjną kontrolę podczas szybkich zakrętów, ponieważ każdy niewielki deformacja może być śmiertelna.
(2) Przemysł lotniczy i kosmiczny: konstrukcje skrzydeł i kadłuba wymagają minimalnego odkształcenia przy dużych obciążeniach, aby zapewnić wydajność aerodynamiczną i bezpieczeństwo.
(3) Profesjonalna rakieta do badmintona: w momencie uderzenia piłki, im mniejsza deformacja ramy rakiety, tym bardziej bezpośredni przekaz mocy, tym wyraźniejsze odczucie, co jest doświadczeniem zapewnianym przez "węgiel wysokiego modułu".

Każdy ma swoje wady

włókna węglowe:

(1) kruche: choć twarde i wytrzymałe, ma słabe opory na uderzenia; przy silnym uderzeniu przedmiotami o ostrych krawędziach łatwo pęka, zamiast się uginać.
(2) Przewodność: jest to zarówno zaleta, jak i wada. W przypadku potrzeby izolacji (np. w sprzęcie elektrycznym) staje się ukrytym zagrożeniem.
(3) Cena: znów drogie!

Szkłokompozyt

(1) dobra odporność na pękanie: odporność na uderzenia jest większa niż u włókna węglowego, może jedynie pęknąć po uderzeniu, a nie rozpaść się natychmiast.
(2) Dobra izolacja: doskonałe materiały izolacyjne elektryczne, szerszy zakres zastosowań.
(3) Przewaga kosztów: tam, gdzie nie są wymagane skrajna sztywność i lekkość, jest niezastąpionym królem stosunku jakości do ceny.

Scenariusz zastosowania

«Podział pracy» pomiędzy dwoma typami włókien jest dobrze ugruntowany i w zasadzie stanowi równowagę między «wymaganiami wydajności» a «budżetem kosztów»:

Włókno węglowe: «król wydajności» na rynku high-end

(1) Lotnictwo i kosmonautyka: kadłuby samolotów, mocowania satelitów (30% redukcja masy znacząco obniża zużycie paliwa i koszty wyniesienia);
(2) Wytwarzanie wysokiej klasy: karoserie supercarów, części do Formuły 1, koła z włókna węglowego (uwzględniające zarówno wytrzymałość, jak i lekkość);
(3) Artykuły sportowe: wysokiej klasy rakiety do badmintona, wędki, narty (wysły moduł sprężystości, dokładniejsze odczucie);
(4) Specjalne zastosowania: sprzęt medyczny, sprzęt wojskowy (odporność na wysoką temperaturę, odporność na korozję oraz brak interferencji magnetycznej).

Szkło włókniste: «Pryszczysta gra» w warunkach życia ludności

(1) Budownictwo: płyty izolacyjne do ścian zewnętrznych, płyty ze szkłoplastiku, panele przeciwwilgociowe (odporne na warunki atmosferyczne i tanie w produkcji);
(2) Transport: kadłuby ciężarówek chłodniczych, karoserie pojazdów rekreacyjnych, ogólne kadłuby statków (odporne na korozję, łatwe w formowaniu);
(3) Elektryka i elektronika: podłoże płytki obwodu, rękaw izolacyjny (dobra izolacja, opłacalność);
(4) Artykuły codziennego użytku: meble z tworzywa szklanego wzmocnionego włóknem szklanym (FRP), ekoologiczne kosze na śmieci, rury (trwałe i kontrolowane pod względem kosztów).

Podsumowując: dlaczego różnica jest tak duża?

Wróćmy do naszego pierwotnego pytania – odpowiedź jest jasna:

Surowce i proces: Przygotowanie włókna węglowego to proces „wstania jak feniks z popiołów”, a koszt surowców i procesów jest znacznie wyższy niż w przypadku „topienia ciągnionego” włókna szklanego.

Pułap wydajności: Włókno węglowe pod względem wytrzymałości właściwej i modułu sprężystości osiąga wyniki, które całkowicie przewyższają włókno szklane, szczególnie w dziedzinach wymagających maksymalnej sztywności i redukcji masy – jest niezastąpione.

Rynek i pozycjonowanie: Włókno węglowe obsługuje nowoczesne branże przemysłowe oraz klientów z segmentu high-end, stanowi produkt „napędzany technologią”; włókno szklane jest szeroko stosowane w różnych dziedzinach przemysłu i użytku cywilnego, a jego rozwój kształtuje rynek – jest to produkt „napędzany popytem”.

Dlatego następnym razem, gdy będziesz ważył wędkarski kij lub ramę roweru z włókna węglowego, to, co odczuwasz, to nie tylko lekkość i twardość produktu, ale także cała gałąź nowoczesnej nauki materiałowej, złożonej technologii oraz dążenia do maksymalnej wydajności. Włókno szklane natomiast jest cichym, niezawodnym i przystępnym cenowo „starym przyjacielem” w naszym życiu.