Термопласты против термореактивных углеродных волокон

Когда мы говорим об «углеродном волокне», большинство людей представляют себе лёгкие и прочные компоненты суперкаров, велосипедов высокого класса или летательных аппаратов. Однако вы можете не осознавать, что в области углеродных волокон происходит тихая «пластиковая революция» — термопластичное углеродное волокно бросает вызов доминированию традиционного термореактивного углеродного волокна. Сегодня давайте приоткроем завесу над этим противостоянием материалов.

Различие между двумя типами

Представьте термореактивное углеволокно как постоянно отформованную керамику — однажды сформированное, его форма не может быть изменена; в то время как термопластичное углеволокно напоминает пластик, который можно многократно нагревать и переплавлять — перерабатываемый, поддающийся повторной обработке, обладающий «второй жизнью».

1. Термореактивное углеволокно: классическое, но «упрямое»

(1) Принцип отверждения: отверждение происходит посредством необратимых химических реакций, аналогично варке яйца (переход из жидкого состояния в твёрдое)

(2) Типичные смолы: эпоксидная, полиэфирная, винилэфирная

(3) Преимущества: сверхвысокая жёсткость, превосходная термостойкость, отработанные производственные процессы, низкое водопоглощение

(4) Недостатки: невозможность переработки, длительные циклы формования, сложность ремонта

2. Термопластичное углеволокно: гибкое и «возобновляемое»

(1) Принцип отверждения: физическое плавление и затвердевание, аналогично нагреву пластика для придания новой формы (из твёрдого состояния в жидкое)

(2) Типичные смолы: PEEK, PEKK, PA6, PP

(3) Преимущества: перерабатываемость, быстрое формование, отличная ударная стойкость, возможность сварки

(5) Недостатки: относительно низкая производительность при высоких температурах, более высокая стоимость, относительно новый процесс

Сравнение производительности

Противостояние в реальных условиях применения

Аэрокосмическая промышленность:

Фюзеляж Boeing 787 Dreamliner представляет собой шедевр из углепластика на основе реактопластов, однако Airbus A350 начал внедрять компоненты из термопластичных композитов, чтобы снизить вес и повысить эффективность производства.

Автомобильная промышленность:

BMW i3 широко использует углепластик на основе реактопластов, тогда как современные спортивные автомобили начинают исследовать преимущества быстрого прототипирования углепластика на основе термопластов для организации массового производства.

Потребительская электроника:

Ультратонкие корпуса ноутбуков и каркасы флагманских смартфонов всё чаще используют углепластик на основе термопластов, обеспечивая баланс между прочностью и гибкостью дизайна.

Спортивный инвентарь:

Топовые рамы велосипедов и теннисные ракетки по-прежнему отдают предпочтение максимальной жёсткости реактопластов, но товары такие изделия, как лыжи, которым требуется поглощение ударов, начинают переходить на термопластики.

Руководство по выбору: когда использовать тот или иной материал?

Выбирайте термореактивное углеволокно, когда:
(1) Требуется максимальная жесткость и устойчивость к высоким температурам;
(2) В течение всего жизненного цикла продукта не требуется модификаций или переработки;
(3) Традиционные производственные процессы отработаны, а приоритет отдается контролю рисков.

Выбирайте термопластичное углеволокно, когда:
(1) Основными соображениями являются устойчивость и возможность переработки;
(2) Требуется быстрое массовое производство;
(3) Может потребоваться ремонт или повторное формование изделия;
(4) Более важны ударная вязкость и стойкость к повреждениям.

Вывод: Не замена, а сосуществование

Термопластичное углеволокно не заменит полностью термореактивное углеволокно, также как пластмассы не вытеснили полностью металлы. Каждый из них найдёт свою нишу в различных областях, совместно способствуя прогрессу в материаловедении.

Будущее материалов будет эпохой «осознанного выбора» — поиска оптимального баланса между производительностью, стоимостью и устойчивостью в зависимости от конкретных требований. В конечном счёте, это «соперничество» между термореактивными и термопластичными материалами пойдёт на пользу всей промышленности и нашей планете.

Независимо от того, придерживаетесь ли вы классических термореактивных смол или выбираете инновационные термопластики, история развития углеволокна продолжается. В этой революции материалов, за какого «претендента» вы? Поделитесь своим мнением в разделе комментариев!