Разоблачение 4 распространенных заблуждений о углеволокне! Проводящий, экранирующий, водостойкий, устойчивый к коррозии

Разоблачение 4 распространённых мифов о углеродном волокне! Проводит ли ток? Экранирует? Водостойкий? Устойчивый к коррозии?

От лёгких автомобильных компонентов и высокотехнологичного спортивного снаряжения до ключевых конструкционных элементов в аэрокосмической отрасли — углеродное волокно уже давно привлекает внимание своей характеристикой «лёгкое как пёрышко, прочное как сталь». Однако по мере роста популярности материала растёт и число вопросов о его свойствах: одни утверждают, что «углеродное волокно проводит электричество, поэтому чехлы для телефонов из него блокируют сигнал», другие опасаются, что «оно боится воды и сломается под дождём», третьи задаются вопросом: «Обладает ли оно большей коррозионной стойкостью по сравнению с металлом?»

Эти, казалось бы, простые вопросы раскрывают основную логику свойств материала углеродного волокна — оно ни «универсальный материал», ни не испытывает многочисленных «табу», о которых ходят слухи. Сегодня мы рассмотрим четыре самых насущных вопроса простым языком, разберем принципы и дадим ответы, основанные на реальных применениях, чтобы помочь вам по-настоящему понять углеродное волокно!

В1: Слышали ли вы, что углеродное волокно проводит электричество?

О1: Да, оно проводит электричество вдоль оси волокна, но это не так, как у металла!

Многие ошибочно полагают, что углеродное волокно является «изоляционным материалом», однако само по себе чистое углеродное волокно обладает отличной электропроводностью — это объясняется его молекулярной структурой: углеродное волокно образует структуру, подобную графиту, в которой атомы углерода расположены в виде шестиугольной сетки. Свободные электроны могут свободно перемещаться внутри сопряжённых π-связей, словно имея «автостраду» для электронов, что и обеспечивает проводимость.

Однако его проводимость значительно отличается от проводимости металлов, таких как медь или алюминий:

(1) Направленная проводимость: Углеродное волокно обладает более высокой проводимостью вдоль своей оси (в продольном направлении) и слабой проводимостью поперечно (по диаметру), тогда как металлы проводят электричество изотропно;
(2) Немного более низкая эффективность проводимости: Удельное сопротивление углеродного волокна находится в диапазоне от 10⁻³ до 10⁻⁴ Ом·м (варьируется в зависимости от спецификации), что намного выше, чем у меди (1,72×10⁻⁸ Ом·м), поэтому оно не подходит в качестве прямой замены металлическим проводам;
(3) Композитные материалы могут быть диэлектриками: Большинство «углеродных волокон продукты », с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни (например, ракетки из углеродного волокна, автомобильные детали), на самом деле представляют собой «композиты, армированные углеродным волокном» (CFRP). Если матрица выполнена из изоляционного материала, например эпоксидной смолы, и углеродные волокна не образуют непрерывную проводящую сеть, такой композит в целом может проявлять изолирующие или полупроводниковые свойства.
Практическое применение: благодаря своей проводимости углеродное волокно можно использовать для производства антистатических полов и материалов для экранирования электромагнитных полей. Контролируя содержание волокна, также можно производить изоляционные композиты на основе углеродного волокна для удовлетворения различных применение требования.

В2: Может ли оно экранировать сигналы, как металл?

О2: Да, но требуется формирование непрерывной проводящей сети.

Основной принцип электромагнитного экранирования заключается в «создании замкнутой полости с использованием проводящих материалов для отражения, поглощения или отвода электромагнитных волн на землю». Металл служит отличным экранирующим материалом, поскольку представляет собой непрерывный проводник, способный полностью блокировать электромагнитные волны.

То, может ли углеродное волокно экранировать сигналы, зависит от того, образует ли оно непрерывный проводящий путь:
(1) Чистое углеродное волокно / непрерывное с высоким содержанием продукция из карбонового волокна :Достигается определенная эффективность экранирования! Например, компоненты из чистых тканей из углеродного волокна или препрегов из углеродного волокна образуют непрерывную проводящую сеть за счет переплетения волокон, отражая часть электромагнитных волн. Эффективность экранирования (SE) обычно составляет от 30 до 60 дБ (достаточно для общепромышленного и гражданского применения), хотя и несколько ниже, чем у металлов (60–100 дБ и выше).
(2) Композиты с низким содержанием / дискретные композиты из углеродного волокна: Если углеродные волокна просто «распределены» внутри изолирующей матрицы без образования непрерывной сети, они работают как «оборванные провода» и практически не обеспечивают экранирование;
(3) Решения для улучшения: Нанесение металлического покрытия на поверхность композита или добавление проводящих наполнителей (например, углеродных нанотрубок) может значительно повысить эффективность экранирования изделий из углеродного волокна, приближаясь даже к уровню металлов.
Например: чехол для телефона из углеродного волокна с высоким содержанием непрерывной ткани из углеродного волокна может немного ослаблять сигналы (хотя это не влияет на нормальное использование); в то время как стандартный чехол из углепластика (CFRP) из-за рассеянных волокон практически не влияет на приём сигнала.

В3: Боятся ли изделия из углеродного волокна воды?

О3: Чистое углеродное волокно не представляет опасности; композитные материалы зависят от матрицы и защиты.

Прежде всего, уточним: само по себе чистое углеродное волокно не боится воды! Углеродное волокно имеет стабильную химическую структуру, которая не реагирует с водой. Оно не будет ржаветь или разрушаться при погружении, и даже в подводных условиях (например, в глубоководном оборудовании или подводных роботах) чистое углеродное волокно служит отличным конструкционным материалом.

Однако «изделия из углеродного волокна» (композитные материалы), с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, могут бояться воды.

Суть проблемы заключается в материале матрицы и адгезии на границе раздела:
(1) Если композитная матрица представляет собой эпоксидную смолу, полиэфирную смолу и т.д., длительное пребывание в воде позволяет воде постепенно проникать внутрь смолы или на границу раздела волокно-смола, что приводит к:
1) набуханию и старению смолы, снижению прочности материала;
2) расслоению волокна и смолы (разрушение интерфейса), вызывающему "расслоение";
(2) Специально обработанные композиты являются "влагостойкими": за счёт гидроизоляции смолы, нанесения водоотталкивающих покрытий (например, полиуретановых, фторуглеродных) на поверхность изделия или использования матриц с повышенной стойкостью к воде (например, полиефирэфиркетона PEEK), углепластик может сохранять стабильность во влажной среде и даже при длительном погружении.

Рекомендации по использованию: - Избегайте длительного воздействия дождя или погружения для обычных изделий из углеволокна (например, рюкзаков, спортивных ракеток). - Для применения на открытом воздухе или под водой (например, весла, дайвинговое оборудование) выбирайте специализированные изделия водонепроницаемого класса.

В4: Насколько он устойчив к коррозии?

A4: «Устойчиво к химической коррозии», но «подвержено окислению при высоких температурах»!

Углеродное волокно обладает выдающейся общей устойчивостью к коррозии, и его главное преимущество заключается в стабильной структуре атомов углерода:
(1) Устойчивость к коррозии под действием кислот и щелочей: При комнатной температуре углеродное волокно выдерживает воздействие распространённых кислотных и щелочных растворов, таких как соляная кислота, серная кислота и гидроксид натрия. В отличие от металлов, оно не подвергается электрохимической коррозии, благодаря чему широко используется в химическом оборудовании (например, трубопроводах для транспортировки агрессивных сред, облицовке реакторных сосудов).
(2) Устойчивость к коррозии под действием органических растворителей: Углеродное волокно нерастворимо в большинстве органических растворителей, таких как спирт, ацетон и бензин, и не деградирует даже при длительном воздействии;
(3) Недостаток: склонность к окислению при высоких температурах: Это единственная "уязвимость к коррозии" углеродного волокна — при температурах выше 400 °C на воздухе углеродное волокно вступает в реакцию с кислородом (C + O₂ = CO₂), что приводит к постепенному окислению, потере массы и снижению прочности. Однако в инертных газах (например, азоте) или в вакууме оно остаётся стабильным даже при крайне высоких температурах (свыше 1000 °C).

Дополнительное примечание: Само по себе углеродное волокно не подвержено окислению при высоких температурах, поскольку его основным компонентом является углерод, что позволяет ему выдерживать температуры выше 1800 °C в средах без кислорода. Однако композиты на основе углеродного волокна уязвимы к окислению при высоких температурах, поскольку полимерная матрица, используемая в них, окисляется и разрушается в средах, содержащих кислород, при температурах выше 400 °C, что приводит к ухудшению характеристик всего материала. В средах, содержащих кислород, температурный предел для самого углеродного волокна составляет 300 °C–400 °C.

Коррозионная стойкость композитов из углеродного волокна аналогичным образом зависит от матрицы. Если смола матрицы не обладает коррозионной стойкостью (например, стандартная полиэфирная смола), длительное воздействие агрессивных сред приведет к разрушению смолы и, как следствие, ухудшению общей производительности. Следовательно, композиты из углеродного волокна, используемые в химической промышленности, должны содержать коррозионностойкие смоляные матрицы (например, винилэфирные смолы, модифицированные эпоксидные смолы).

Суть свойств материала из углеродного волокна заключается в принципе «структура определяет характеристики». Понимание этих особенностей имеет ключевое значение для эффективного использования его преимуществ — без чрезмерного преувеличения его «универсальной применимости» и непонимания его «ограничений». Если вы хотите изучить конкретные сферы применения (например, углеродное волокно в электронике или туристическом снаряжении), оставьте комментарий ниже!