Demantovanje 4 uobičajene zablude o ugljeničnom vlaknu! Vodljivo, zaštitno, otporno na vodu, otporno na koroziju

Razotkrivanje 4 uobičajene zablude o ugljeničnom vlaknu! Da li provodi struju? Da li pruža zaštitu? Da li je vodootporno? Da li je otporno na koroziju?

Od laganih automobilskih delova i visokoklasne sportske opreme do ključnih konstrukcijskih delova u vazduhoplovstvu, ugljenično vlakno dugo već privlači pažnju javnosti zahvaljujući svojstvima „lagano kao pero, čvrsto kao čelik“. Međutim, kako raste njegova popularnost, rastu i pitanja o njegovim karakteristikama: Neki tvrde da „ugljenično vlakno provodi električnu struju, pa kućišta za telefone od ovog materijala blokiraju signale“, dok se drugi brinu da „ugljenično vlakno ne podnosi vlagu i pokidaće se na kiši“, a treći se pitaju „da li je otpornije na koroziju od metala?"

Ова изгледом једноставна питања откривају основну логику која стоји иза својстава материјала као што је угљенично влакно — оно није „универзални материјал“, нити је оптерећено бројним „табуима“ који се чују. Данас ћемо на једноставан начин одговорити на четири најважнија питања, разлажући принципе и дајући одговоре засноване на стварним применама, како бисмо вам омогућили да заиста разумете угљенично влакно!

П1: Да ли сте чули да је угљенично влакно проводник?

О1: Да, води струју дуж осе влакна, али није као метал!

Многи људи погрешно верују да је угљенично влакно „изолациони материјал“, али само по себи угљенично влакно има изузетну електричну проводност — то произилази из његове молекуларне структуре: угљенично влакно формира структуру сличну графиту у којој су атоми угљеника распоређени у хексагоналној мрежи прстенова. Слободни електрони се могу слободно кретати кроз конјуговане π везе, слично као да имају „аутопут“ за електроне, чиме омогућавају проводљивост.

Međutim, njegova provodljivost se značajno razlikuje od metala poput bakra ili aluminijuma:

(1) Smerovna provodljivost: Ugljenična vlakna pokazuju jaču provodljivost duž aksijalnog smera (podužno) i slabiju provodljivost poprečno (u pravcu prečnika), dok metali provode električnu struju izotropno;
(2) Nešto niža efikasnost provodljivosti: Specifični otpor ugljeničnih vlakana kreće se od 10⁻³ do 10⁻⁴ Ω·m (varira u zavisnosti od specifikacije), što je daleko više od bakra (1,72×10⁻⁸ Ω·m), zbog čega nije pogodan kao direktna zamena za metalne žice;
(3) Kompozitni materijali mogu biti izolatori: Većina „ugljeničnih vlakana пРОИЗВОДИ “ sa kojima se svakodnevno susrećemo (npr. reketi od ugljeničnih vlakana, automobilske komponente) zapravo su „kompoziti ojačani ugljeničnim vlaknima“ (CFRP). Ako je matrica izolacioni materijal poput epoksidne smole, a ugljenična vlakna ne formiraju neprekidnu provodnu mrežu, kompozit u celini može imati izolaciona ili poluprovodnička svojstva.
Практичне примене: Искоришћавајући своју проводљивост, угљенично влакно се може користити за производњу подова отпорних на статички електрицитет и материјала за екранирање од електромагнетних поља. Контролом садржаја влакана могу се производити и изолациони композити од угљеничног влакна како би се испуниле разноврсне примена захтевима.

П2: Може ли да екранира сигнале као метал?

О2: Да, али је потребно формирање сталне проводне мреже.

Основни принцип електромагнетног екранирања је „стварање затворене шупљине од проводних материјала ради рефлексије, апсорпције или усмеравања електромагнетних таласа ка земљи“. Метал је одличан материјал за екранирање зато што је стални проводник способан да у потпуности блокира електромагнетне таласе.

То што ли угљенично влакно може екранирати сигнале зависи од тога да ли формира сталну проводну стазу:
(1) Чисто угљенично влакно / високосадржајно стално угљенични производи :Постизање одређеног степена заштите! На пример, компоненте направљене од чистих тканина од једновалентног влакна или прегрега од једновалентног влакна формирају сталну проводну мрежу преко преплитанja влакана, рефлектујући део електромагнетних таласа. Ефикасност заштите (SE) обично варира од 30 до 60 dB (довољно за опште индустријске и цивилне примене), иако је нешто нижа у односу на метле (60 до 100 dB+).
(2) Композити са ниским садржајем / дискретним једновалентним влакнима: Ако су једновалентна влакна само „распоређена“ у изолационом матриксу без формирања сталне мреже, функционишу као „прекиди жице“ и готово да не пружају никакву заштиту;
(3) Решења за побољшање: Наношење металног прекривања на површину композита или увођење проводних пунилаца (нпр. наноцеви од једновалента) може значајно побољшати перформансе заштите производа од једновалентног влакна, чак и приближавајући се нивоима метала.
На пример: кутија за телефон од карбонске влакна направљена од тканине од висококвалитетних континуираних карбонских влакана може нешто ослабити сигнале (мада то не утиче на нормалну употребу); док стандардна кутија од јачаног пластика карбонским влакнима (CFRP), због расутости влакана, готово да нема утицаја на пријем сигнала.

П3: Да ли се материјал од карбонских влакана "плаши воде"?

О3: Чисто карбонско влакно није проблем; композитни материјали зависе од матрице и заштите.

Прво, разјаснимо: само по себи чисто карбонско влакно се не боји воде! Карбонска влакна имају стабилну хемијску структуру која не реагује са водом. Неће рђети нити се разградити кад су потопљена, а чак и у подводним срединама (као што су опрема за рад на великој дубини или подводни роботи), чисто карбонско влакно служи као изузетан конструкцијски материјал.

Међутим, „производи од карбонских влакана“ (композитни материјали) које обично срећемо могу бити „страх од воде“.

Основни проблем лежи у материјалу матрице и вези на интерфејсу:
(1) Ако је композитна матрица епоксидна смола, полиестерна смола итд., дуготрајно квање омогућава води да постепено продре у унутрашњост смоле или интерфејс влакно-смола, што доводи до:
1) Свела смоле и старења, чиме се смањује чврстоћа материјала;
2) Одвајање влакана од смоле (оштећење интерфејса), што изазива „слојевитост“;
(2) Посебно обрађени композити су „водоотпорни“: Водонепропусношћу смоле, наношењем водоодбојних премаза (нпр. полиуретански, флуорокарактерни премази) на површину производа или коришћењем матрица са бољом отпорности на воду (нпр. полиетаркетон ПЕЕК), композити од угљеничних влакана могу задржати стабилност у влажним условима или чак током дуготрајног квања.

Препоруке за употребу: - Избегавајте дуготрајно излагање кишом или квање код општих производа од угљеничних влакана (нпр. ранци, спортске рекете). - За спољашњу употребу или подводне примене (нпр. весла, опрема за ронење), бирите специјализоване производе водоотпорне класе.

П4: Колико је отпоран на корозију?

A4: „Otporan na hemijsku koroziju“, ali „osetljiv na oksidaciju pri visokim temperaturama“!

Ugljenična vlakna pokazuju izuzetnu otpornost na koroziju u celokupnosti, a njihova ključna prednost proizilazi iz stabilne strukture ugljenikovih atoma:
(1) Otpornost na kiseline i baze: Na sobnoj temperaturi, ugljenična vlakna izdržavaju dejstvo uobičajenih rastvora kiselina i baza kao što su hlorovodonična kiselina, sumporna kiselina i natrijum-hidroksid. Za razliku od metala, ne podležu elektrohemijskoj koroziji, zbog čega se široko koriste u hemijskoj opremi (npr. cevovodi za transport agresivnih sredina, obloge reaktora).
(2) Otpornost na organska rastvarača: Ugljenična vlakna nisu rastvorljiva u većini organskih rastvarača poput alkohola, acetonitrila i benzina i ne degradiraju ni nakon dugotrajnog izlaganja;
(3) Nedostatak: Osetljivost na oksidaciju pri visokim temperaturama: Ово је једина „могућност корозије“ карактеристична за карбонско влакно — на отвореном, температуре изнад 400°C узрокују да се карбонско влакно реагује са кисеоником (C + O₂ = CO₂), што доводи до постепене оксидације, губитка тежине и смањења чврстоће. Међутим, у инертним гасовима (нпр. азот) или у вакууму, оно остаје стабилно чак и на веома високим температурама (изнад 1000°C).

Додатна напомена: Само по себи, карбонско влакно није подложно оксидацији на високим температурама, јер је његов основни састојак угљеник, због чега може издржати температуре изнад 1800°C у срединама без кисеоника. Међутим, композити на бази карбонског влакна су осетљиви на оксидацију на високим температурама, јер смола која чини матрицу оксидује и престаје да функционише у срединама са кисеоником на температурама изнад 400°C, чиме се угрожава перформанса целокупног материјала. У срединама са кисеоником, сам карбон има опсег радних температура од 300°C до 400°C.

Otpornost kompozita od ugljeničnih vlakana na koroziju slično zavisi od matrice. Ako smola matrice nema dobru otpornost na koroziju (npr. standardna poliestarska smola), dugotrajno izlaganje korozivnim sredinama će dovesti do otkazivanja smole, čime se ugrožava ukupni performans. Stoga, kompoziti od ugljeničnih vlakana koji se koriste u hemijskoj industriji moraju sadržati matrice od smola otpornih na koroziju (npr. vinil-esterne smole, modifikovane epoksidne smole).

Suština svojstava materijala od ugljeničnih vlakana ogleda se u principu da „struktura određuje performanse“. Razumevanje ovih karakteristika ključno je za efikasno korišćenje njegovih prednosti — ne preterivati u naglašavanju njegove „univerzalne primenljivosti“ niti pogrešno tumačiti njegove „ograničenja“. Ako želite da istražite određene primene (kao što je upotreba ugljeničnih vlakana u elektronici ili opremi za aktivnosti na otvorenom), slobodno ostavite komentar ispod!