Углеродное волокно против стекловолокна: почему существует такая большая разница в цене и характеристиках при одинаковом типе волокна?

Углеродное волокно против стекловолокна: почему существует такая большая разница в цене и характеристиках при одинаковом типе волокна?

Задавались ли вы когда-нибудь этим вопросом? Высококачественная удочка из углеродного волокна может стоить тысячи долларов, в то время как обычная удочка из стекловолокна обойдется всего в десятки долларов. В обоих случаях речь идет о «волокне», названия звучат почти как родственные, но почему тогда цена и эксплуатационные характеристики создают пропасть между «аристократом» и «простым смертным»? Сегодня мы подробно рассмотрим пару «волоконной семьи» — углеродное волокно и стекловолокно — и выясним, в чём на самом деле заключаются их различия.

Из разных семей: «второе поколение богатства» и «трудяги» мира материалов

Чтобы понять разницу, нужно начать с их «родословной».

Стекловолокно

Основной ингредиент — кремнезем, и эти сырьевые материалы имеются в огромных запасах на Земле по низкой стоимости. С помощью процессов высокотемпературного плавления, вытягивания и других технологий из них изготавливают стекловолокно. Оно подобно существу с общим происхождением, но очень упорному «исполнителю», который благодаря своей экономичности борется за мир.

Углеродное волокно

Основной компонент — углерод. Его предшественниками обычно являются органические полимеры, такие как полиакрилонитрил, битум или вискозные волокна. Эти нити должны пройти обработку при температуре в тысячи градусов — карбонизацию и графитизацию — в условиях защиты инертным газом, чтобы удалить некарбидные атомы, и в конечном итоге образовать сверхматериал, содержащий более 90 % углерода. Этот процесс сложный, энергоёмкий, с высокими техническими барьерами, в материаловедении его называют «сталью». Углеродное волокно, таким образом, подобно тщательно выращенному, потребляющему огромные рЕСУРСЫ «богатому второму поколению» или «выдающимся спортсменам».
С самого начала предопределены различия в стоимости. Использование «песка», использование «химического сырья + сложный процесс» — цена углеродного волокна с самого начала была обусловлена его благородством.

Сравнение по характеристикам: почему углеродное волокно — «король»?

Недостаточно смотреть на технические характеристики, нужно смотреть на реальные показатели. Ниже приведена таблица сравнения производительности для понимания:

Сосредоточьтесь на «модуле» :Вы можете рассматривать модуль как «жесткость» материала.

Стекловолокно

Как крепкая трость, он прочный и не рвется легко, но при сильном воздействии изгибается и значительно деформируется.

Углеродное волокно

Как твердый стальной стержень, он не только прочный, но и чрезвычайно устойчивый к деформации. При одинаковом усилии для разрушения почти не двигается.
Эта характеристика «неспособности гнуться» крайне важна в высокотехнологичных областях. Например:

(1) Формула-1: шасси должно быть чрезвычайно жестким, чтобы обеспечивать точное управление при прохождении поворотов на высокой скорости; любая малейшая деформация может оказаться фатальной.
(2) Авиакосмическая промышленность: конструкции крыла и фюзеляжа должны минимально деформироваться под высокими нагрузками для обеспечения аэродинамических характеристик и безопасности.
(3) Топовые бадминтонные ракетки: в момент удара по мячу, чем меньше деформация рамки ракетки, тем более прямая передача силы, тем четче ощущения, что обеспечивается использованием «углепластика высокого модуля».

У каждого есть свои недостатки

углеродные волокна:

(1) хрупкость: хотя материал твердый и прочный, у него плохая ударная стойкость, при сильном воздействии острых предметов он легко ломается, а не гнется.
(2) проводимость: это одновременно и преимущество, и недостаток. В случаях, когда требуется изоляция (например, в электрическом оборудовании), это становится скрытой опасностью.
(3) цена: опять же, дорого!

Стекловолокно

(1) хорошая ударная вязкость: ударная стойкость выше, чем у углепластика, после удара может лишь потрескаться, но не разрушиться мгновенно.
(2) Хорошая изоляция: отличные электроизоляционные материалы, более широкий спектр применения.
(3) Преимущество по стоимости: там, где не требуются экстремальная жесткость и легкий вес, это незаменимый лидер по соотношению цены и качества.

Сценарий применения

«Разделение труда» между двумя типами волокон хорошо установлено и по сути представляет собой баланс между «требованиями к производительности» и «бюджетом затрат»:

Углеродное волокно: «король производительности» в высокотехнологичной области

(1) Аэрокосмическая промышленность: фюзеляж самолета, крепления спутников (снижение веса на 30% может значительно уменьшить расход топлива и стоимость запуска);
(2) Высокотехнологичное производство: кузов суперкара, детали для гонок Формулы-1, колеса из углеродного волокна (учитываются как прочность, так и легкий вес);
(3) Спортивные товары: высококачественные бадминтонные ракетки, удочки, лыжи (высокий модуль упругости, более точная тактильная чувствительность);
(4) Специальные сценарии: медицинское оборудование, военное снаряжение (устойчивость к высоким температурам, коррозионная стойкость и отсутствие магнитных помех).

Стекловолокно: «Практическое применение» в повседневной жизни

(1) Строительная промышленность: панели наружного утепления стен, черепица из стеклопластика, антикоррозионные стеновые панели (устойчивые к атмосферным воздействиям и недорогие);
(2) Транспорт: отсеки рефрижераторов, корпуса жилых прицепов, корпуса обычных судов (стойкие к коррозии, легко формуются);
(3) Электротехника и электроника: подложка печатной платы, изоляционная втулка (хорошая изоляция, экономически выгодно);
(4) Предметы повседневного обихода: стеклопластиковая (FRP) мебель, экологичные мусорные баки, трубы (прочные и контролируемая стоимость);

Подводя итог: почему разница настолько велика?

Возвращаясь к нашему первоначальному вопросу, ответ очевиден:

Сырьё и технология: Производство углеродного волокна — это «возрождение из пепла», и стоимость сырья и технологических процессов намного выше, чем у «расплавленного вытягивания» стекловолокна.

Потолок производительности: Углеродное волокно по удельной прочности и удельному модулю — двум ключевым показателям — значительно превосходит стекловолокно, особенно в областях, где предъявляются высочайшие требования к жесткости и снижению веса, оно незаменимо.

Рынок и позиционирование: Углеродное волокно используется в передовых отраслях промышленности и ориентировано на высококлассных потребителей, являясь продуктом, «обусловленным технологиями»; стекловолокно широко применяется в различных отраслях промышленного и гражданского назначения и представляет собой «рынком обусловленный» продукт.

Так что в следующий раз, когда вы будете взвешивать удочку или раму велосипеда из углеродного волокна, то почувствуете не только легкость и твердость изделия, но и целый комплекс передовых материаловедческих знаний, сложных технологий и стремления к предельной производительности. Стекловолокно же, напротив, является тихим, надежным и доступным «старым другом» в нашей жизни.