Розвенчання 4 поширених міфів про вуглепластик! Провідний, екранований, водостійкий, стійкий до корозії

Розвінчання 4 поширених міфів про вуглепластик! Чи проводить? Чи екранує? Чи водостійкий? Чи стійкий до корозії?

Від легких автомобільних компонентів та професійного спортивного обладнання до критичних конструкційних елементів у авіації та космонавтиці — вуглепластик уже давно привертає увагу своїми властивостями «легкий, як пір'я, міцний, як сталь». Проте зі зростанням популярності посилюються й запитання щодо його характеристик: хтось стверджує, що «вуглепластик проводить електрику, тому чохли для телефонів із нього блокують сигнали», інші хвилюються, що «він боїться води і розламається під дощем», а треті цікавляться: «Чи дійсно він стійкіший до корозії, ніж метал?»

Ці, здавалося б, прості питання розкривають основну логіку властивостей матеріалу карбонового волокна — воно не є «універсальним матеріалом» і не має численних «табу», про які ходять чутки. Сьогодні ми розглянемо чотири найважливіші питання простими словами, пояснимо принципи та дамо відповіді, ґрунтуючись на реальних застосуваннях, щоб допомогти вам справді зрозуміти карбонове волокно!

Питання 1: Чи правда, що карбонове волокно проводить струм?

Відповідь 1: Так, воно проводить електрику вздовж осі волокна, але це не так, як у металів!

Багато хто помилково вважає, що карбонове волокно є «діелектриком», але саме чисте карбонове волокно має високу електропровідність — це пов’язано з його молекулярною структурою: карбонове волокно формує графітоподібну структуру, в якій атоми вуглецю утворюють шестикутну сітку. Вільні електрони можуть вільно рухатися всередині спряжених π-зв'язків, наче маючи «автомагістраль» для електронів, що забезпечує провідність.

Однак його електропровідність значно відрізняється від металів, таких як мідь або алюміній:

(1) Напрямкова провідність: Вуглецеве волокно має більш виражену провідність уздовж осьового напрямку (у довжину) і слабку провідність у поперечному напрямку (по діаметру), тоді як метали проводять електрику ізотропно;
(2) Дещо нижча ефективність провідності: Питомий опір вуглецевого волокна становить від 10⁻³ до 10⁻⁴ Ω·м (змінюється залежно від специфікації), що значно перевищує показник міді (1,72×10⁻⁸ Ω·м), через що воно непридатне для безпосередньої заміни металевих дротів;
(3) Композитні матеріали можуть бути діелектриками: Більшість «вуглецевого волокна товари », з яким ми стикаємося щодня (наприклад, ракетки з вуглецевого волокна, автозапчастини), насправді є «композитними матеріалами, армованими вуглецевим волокном» (CFRP). Якщо матриця виготовлена з діелектричного матеріалу, наприклад, епоксидної смоли, і вуглецеві волокна не утворюють суцільну провідну мережу, то композитний матеріал може загалом мати діелектричні або напівпровідникові властивості.
Практичні застосування: завдяки своїй провідності, вуглепластик може використовуватися для виготовлення антистатичних підлог і матеріалів електромагнітного екранування. Контролюючи вміст волокна, можна також отримати діелектричні композити на основі вуглепластику для задоволення різноманітних застосування вимоги.

П2: Чи може він екранувати сигнали, як метал?

В2: Так, але для цього потрібно утворення безперервної провідної мережі.

Основний принцип електромагнітного екранування — «створення замкненої порожнини з провідних матеріалів для відбиття, поглинання або виведення електромагнітних хвиль на землю». Метал є чудовим матеріалом для екранування, оскільки являє собою безперервний провідник, здатний комплексно блокувати електромагнітні хвилі.

Те, чи зможе вуглепластик екранувати сигнали, залежить від того, чи утворюється безперервний провідний шлях:
(1) Чистий вуглепластик / безперервний з високим вмістом продукти з вуглецевого волокна :Досягнення певної ефективності екранування! Наприклад, компоненти з чистих вуглецевих тканин або препрегів із вуглецевого волокна утворюють безперервну провідну мережу за рахунок переплетення волокон, відбиваючи частину електромагнітних хвиль. Ефективність екранування (ЕЕ) зазвичай становить від 30 до 60 дБ (чого достатньо для загальних промислових і цивільних застосувань), хоча трохи нижча, ніж у металів (60–100 дБ і більше).
(2) Композити з низьким вмістом / дискретним вуглецевим волокном: Якщо вуглецеві волокна лише «розсіяні» всередині ізоляційної матриці, не утворюючи безперервної мережі, вони працюють як «обривані дроти» і майже не забезпечують екранування;
(3) Рішення щодо покращення: Нанесення металевого покриття на поверхню композиту або додавання провідних наповнювачів (наприклад, вуглецевих нанотрубок) може значно підвищити ефективність екранування продуктів із вуглецевого волокна, наближаючись навіть до рівня металів.
Наприклад: чохол для телефону з вуглецевого волокна, виготовлений із тканини з високим вмістом безперервного вуглецевого волокна, може трохи послаблювати сигнали (хоча це не впливає на нормальне використання); тоді як стандартний чохол із армованого пластику вуглецевим волокном (CFRP) через розсіяні волокна практично не впливає на прийом сигналу.

П3: Чи матеріал з вуглецевого волокна «боїться води»?

В3: Чисте вуглецеве волокно не є проблемою; композитні матеріали залежать від матриці та захисту.

По-перше, уточнимо: саме по собі чисте вуглецеве волокно не боїться води! Вуглецеве волокно має стабільну хімічну структуру, яка не реагує з водою. Воно не буде ржавіти чи деградувати під час перебування у воді, і навіть у підводних середовищах (наприклад, глибоководне обладнання чи підводні роботи) чисте вуглецеве волокно служить чудовим конструкційним матеріалом.

Однак «вироби з вуглецевого волокна» (композитні матеріали), з якими ми зазвичай стикаємося, можуть «боятися води».

Основне питання полягає в матеріалі матриці та міцності зв'язку на межі поділу фаз:
(1) Якщо композитна матриця — епоксидна смола, полиестерна смола тощо, тривале занурення дозволяє воді поступово проникати всередину смоли або на межу розділу волокно-смола, що призводить до:
1) Набрякання та старіння смоли, зниження міцності матеріалу;
2) Розшарування волокна та смоли (пошкодження інтерфейсу), що призводить до "розшарування";
(2) Спеціально оброблені композити є "водостійкими": шляхом гідроізоляції смоли, нанесення водо відштовхувальних покриттів (наприклад, поліуретанових, фторвуглецевих покриттів) на поверхню виробу або використання матриць із підвищеною водостійкістю (наприклад, поліефіретеркетон PEEK), композити з вуглепластикових волокон можуть зберігати стабільність у вологому середовищі або навіть під час тривалого занурення.

Рекомендації щодо використання: - Уникайте тривалого піддосління дощу або занурення для звичайних виробів з вуглецевого волокна (наприклад, рюкзаків, спортивних ракеток). - Для застосування на відкритому повітрі або під водою (наприклад, весла, обладнання для дайвінгу) вибирайте спеціальні вироби водонепроникного класу.

П4: Наскільки він стійкий до корозії?

A4: «Стійкий до хімічної корозії», але «чутливий до окиснення при високій температурі»!

Вуглецеве волокно має виняткову загальну стійкість до корозії, головна перевага якого полягає в стабільній структурі атомів вуглецю:
(1) Стійкість до дії кислот і лугів: У кімнатній температурі вуглецеве волокно витримує вплив звичайних кислотних і лужних розчинів, таких як соляна кислота, сірчана кислота та гідроксид натрію. На відміну від металів, воно не піддається електрохімічній корозії, тому широко використовується в хімічному обладнанні (наприклад, у трубопроводах для транспортування агресивних середовищ, футеровці реакторних ємностей).
(2) Стійкість до органічних розчинників: Вуглецеве волокно нерозчинне в більшості органічних розчинників, таких як спирт, ацетон і бензин, і не руйнується навіть при тривалому контакті;
(3) Недолік: схильність до окиснення при високій температурі: Це єдина "вразливість карбону до корозії" — в атмосфері повітря при температурах понад 400 °C волокно вступає в реакцію з киснем (C + O₂ = CO₂), що призводить до поступового окиснення, втрати маси та зниження міцності. Однак у інертних газових середовищах (наприклад, азот) або у вакуумі матеріал залишається стабільним навіть при дуже високих температурах (понад 1000 °C).

Додаткова примітка: Сам по собі карбоновий матеріал не піддається окисненню при високих температурах, оскільки його основним компонентом є вуглець, що дозволяє йому витримувати температури понад 1800 °C в умовах, позбавлених кисню. Проте композити на основі карбонового волокна чутливі до окиснення при високих температурах, оскільки полімерна матриця (смола), яка використовується, окислюється та руйнується в середовищах, що містять кисень, при температурах вище 400 °C, через що загальні експлуатаційні властивості матеріалу погіршуються. У середовищах, що містять кисень, саме карбонове волокно має температурну стійкість у діапазоні 300 °C–400 °C.

Стійкість до корозії композитів із вуглецевого волокна також залежить від матриці. Якщо смола матриці не має стійкості до корозії (наприклад, звичайна поліестерна смола), тривалий вплив агресивних середовищ призведе до руйнування смоли, що погіршить загальні характеристики. Тому композити з вуглецевого волокна, які використовуються в хімічній промисловості, повинні містити корозійностійкі смоляні матриці (наприклад, вінілестерні смоли, модифіковані епоксидні смоли).

Суть властивостей матеріалу з вуглецевого волокна полягає в принципі, що «структура визначає експлуатаційні характеристики». Розуміння цих особливостей є ключем до ефективного використання його переваг — не перебільшуючи його «універсальну придатність» і не неправильно трактуючи його «обмеження». Якщо ви хочете дізнатися більше про конкретні застосування (наприклад, вуглецеве волокно в електроніці чи туристичному спорядженні), будь ласка, залиште коментар нижче!