Propriétés en fibre de carbone
Propriétés mécaniques
Les propriétés mécaniques de la fibre de carbone sont l'un de ses attributs les plus convaincants. Son poids léger, sa résistance élevée et son module élevé le rendent largement utilisé dans de nombreux champs.
Résistance spécifique et module spécifique: La densité de fibre de carbone n'est que de 1,5 à 2,0 grammes par centimètre cube, mais sa résistance à la traction peut atteindre plus de 3500 MPa, ce qui est plusieurs fois celle de l'acier, et son module de traction peut atteindre plus de 230 Le GPA, qui est plus de 7 fois plus élevé que la force spécifique de la plupart des métaux, et le module spécifique est plus de 5 fois celui des métaux. Cette excellente résistance spécifique et module spécifique donne à la fibre de carbone un avantage significatif dans l'aérospatiale, l'industrie automobile, l'équipement sportif et d'autres domaines.
Anisotropie: Les propriétés mécaniques de la fibre de carbone ont une anisotropie importante, c'est-à-dire que la résistance et le module le long de la direction de l'axe de fibre sont beaucoup plus élevés que ceux perpendiculaires à l'axe des fibres. Cette propriété permet aux composites de fibres de carbone de maximiser leurs avantages de performance grâce à la conception rationnelle.
Résistance à la fatigue: les composites de fibres de carbone ont une excellente résistance à la fatigue, avec un taux de rétention de résistance de 60% après des millions de cycles de fatigue de contrainte, beaucoup plus élevé que celui de l'acier et de l'aluminium.
Propriétés thermiques
Les propriétés thermiques de la fibre de carbone sont également excellentes, ce qui permet de l'utiliser dans des environnements à haute température.
Conductivité thermique: La fibre de carbone a généralement une conductivité thermique de 0,025-0,09 calories / cm-Sec- ° C et une résistivité de 0,8-1,6 × 10 ^ -3Ω-cm, qui montre une bonne conductivité électrique et thermique. Cette performance fait que la fibre de carbone a une large gamme d'applications dans les collecteurs solaires, les matériaux de coque à conducteur thermique, etc.
Coefficient d'expansion thermique: La fibre de carbone a un petit coefficient d'expansion thermique, négatif (-0,5 à -1,6) × 10 ^ -6 / k à l'intérieur, zéro à 200 à 400 ℃ et 1,5 × 10 ^ -6 / k à moins de 1 000 ℃, ce qui fait que les composites en fibre de carbone ont une meilleure stabilité dimensionnelle sous le changement de température.
Résistance à haute température: La fibre de carbone est très stable en dessous de 400 ° C, et même à 1000 ° C, il n'y a toujours pas beaucoup de changement. Cette résistance à haute température rend les composites en fibre de carbone largement utilisés dans l'industrie aérospatiale.
Stabilité chimique de base
La stabilité chimique de la fibre de carbone est une autre propriété importante qui lui permet de maintenir ses performances dans des environnements chimiques difficiles.
Résistance à la corrosion: La fibre de carbone est stable pour les acides, les alcalis et les produits chimiques organiques, en plus de forts acides oxydants, et peut être transformé en une grande variété de produits chimiques résistants à la corrosion. Ce type de résistance à la corrosion fait que les fibres de carbone ont une large gamme de perspectives d'application dans les domaines de l'industrie chimique et de l'ingénierie océanique.
Résistance à l'oxydation: Dans un environnement non oxydant, la fibre de carbone est capable de résister à des températures ultra-élevées, une caractéristique qui lui donne un avantage dans des applications telles que les revêtements de four à température à haute température et les systèmes de protection thermique pour les fusées et les avions.
Stabilité environnementale: Les fibres de carbone sont utilisées dans des températures de fonctionnement normales ≤ 2550 ° C d'environnements, et il est difficile d'observer les changements chimiques dans les fibres de carbone, montrant une excellente stabilité environnementale.
Applications en fibre de carbone
Aérospatial
L'application de fibre de carbone dans l'aérospatiale est l'une de ses utilisations les plus notables. En raison de ses propriétés légères et à haute résistance, la fibre de carbone est largement utilisée comme matériau structurel dans les avions et les vaisseaux spatiaux pour réduire le poids et améliorer l'efficacité énergétique.
Structures d'avion: L'utilisation de composites de fibres de carbone (CFRP) dans les structures des avions peut réduire considérablement le poids des avions et augmenter la capacité et la plage des passagers. Par exemple, les structures de roulement de fuselage et d'aile principale du Boeing 787 Dreamliner et Airbus A350XWB utilisent considérablement le CFRP, représentant 50% et 53% du poids, respectivement. Cette application réduit non seulement le poids de l'avion, mais améliore également l'efficacité des vols et l'économie.
Spacecraft: Dans le domaine des vaisseaux spatiaux, la fibre de carbone est utilisée pour fabriquer des composants structurels pour les roquettes et les satellites en raison de sa résistance élevée et de sa résistance à la chaleur. L'utilisation de plastique renforcé de fibre de carbone (CFRP) dans des structures de fusée et de satellite aurait réduit les coûts de lancement et augmente les charges utiles.
Produits sportifs et de loisirs
La fibre de carbone est également largement utilisée dans les produits sportifs et de loisirs, en particulier dans les clubs de golf, les vélos, les raquettes de tennis et les cannes à pêche, en raison de sa résistance élevée et de ses propriétés légères.
Clubs de golf: Les clubs de golf en fibre de carbone sont largement utilisés en raison de leur poids léger et de leur élasticité élevée. Selon Statistics, vous pouvez frapper une balle de golf 30 mètres de plus qu'un club de fer avec des clubs de fibre de carbone.
Bicycle: Les vélos en fibre de carbone sont favorisés par les cyclistes professionnels en raison de leur poids léger et de leur haute résistance. Les cadres de vélo en fibre de carbone sont un quart plus léger que les cadres en alliage en aluminium et offrent une meilleure rigidité et une meilleure absorption des chocs.
Construction industrielle et civile
L'application de fibres de carbone dans le domaine de la construction industrielle et civile se concentre principalement sur le renforcement structurel et le renforcement, en particulier dans le renforcement des ponts, des bâtiments et des infrastructures.
Renforcement structurel: Les tissus ou panneaux en fibre de carbone sont utilisés pour renforcer les structures en béton afin d'améliorer leurs performances sismiques et leur capacité de chargement de charge. Il a été rapporté que des techniques de renforcement des fibres de carbone améliorent la performance sismique des structures de plus de 40%.
Nouvelle construction: La fibre de carbone est également utilisée dans de nouvelles constructions, telles que les toits encadrés à faisceau en treillis en tubes en fibre de carbone, qui sont environ 50% plus légers que l'acier, et l'efficacité de la construction et les performances sismiques ont été considérablement améliorées.
Industrie automobile
L'application de fibres de carbone dans l'industrie automobile se concentre principalement sur la légèreté des véhicules haute performance et de nouveaux véhicules énergétiques.
Véhicules haute performance: La fibre de carbone est utilisée pour fabriquer le corps, le châssis et d'autres parties de voitures de sport et de voitures de course pour ses caractéristiques légères et à haute résistance, afin d'améliorer les performances et la manipulation des véhicules. Par exemple, les modèles BMW i3 et i8 utilisent largement les composites en fibre de carbone, entraînant une réduction significative du poids du véhicule.
Nouveaux véhicules énergétiques: Dans le domaine des nouveaux véhicules énergétiques, la fibre de carbone est utilisée dans les boîtes de batterie, les structures corporelles, etc. Pour réduire le poids des véhicules et améliorer la plage. Il a été signalé que l'utilisation de composites en fibre de carbone peut réduire le poids du véhicule de 30% à 60% et améliorer considérablement l'efficacité énergétique.
Les défis et les limites des fibres de carbone Les barrières de production et les difficultés techniques des fibres de carbone sont l'un des principaux facteurs limitant leur large application.
Voici les principaux défis rencontrés par la fibre de carbone dans le processus de production:
Des barrières techniques élevées: La production de fibres de carbone a des barrières techniques élevées et implique des processus chimiques et physiques complexes, y compris plusieurs étapes telles que la polymérisation, le filage, la pré-oxydation, la carbonisation et le graphitisation. Ces étapes nécessitent un contrôle précis de la température, de la pression et des conditions environnementales pour assurer les performances du produit final.
Investissement important dans l'équipement: Le coût d'investissement élevé de l'équipement de production de fibres de carbone, en particulier les fours de carbonisation et de graphitisation de haute qualité, qui sont techniquement exigeants et relativement coûteux à entretenir, limite la capacité des petites entreprises à entrer dans l'industrie.
Coût des matières premières: Le prix du monomère d'acrylonitrile, la principale matière première de la fibre de carbone à base de pan, fluctue considérablement, affectant le coût de production de la fibre de carbone. De plus, la production de filaments PAN RAW de haute qualité est l'une des difficultés techniques, nécessitant des technologies de polymérisation et de rotation précises.
Consommation d'énergie: Le processus de production des fibres de carbone consomme beaucoup d'énergie, en particulier dans les étapes de carbonisation et de graphitisation, qui doivent être traitées à des températures élevées pendant longtemps. Cela augmente non seulement les coûts de production, mais exerce également un fardeau sur l'environnement.
Monopole technologique: Le marché mondial des fibres de carbone est monopolisée depuis longtemps par quelques sociétés, qui détiennent un grand nombre de brevets techniques et de processus de production mature, ce qui rend difficile pour les nouveaux entrants de percer les barrières technologiques dans un court laps de temps.
Contrôle de la qualité du produit: Les performances des produits en fibre de carbone sont très sensibles à chaque étape du processus de production, et tout petit changement peut affecter les performances du produit final, donc le contrôle de la qualité du produit met en avant des exigences extrêmement élevées.
En résumé, les défis de l'environnement et de la santé dans la production et l'utilisation de la fibre de carbone doivent être relevés par l'innovation technologique, les mesures de protection de l'environnement strictes et les stratégies efficaces de gestion des déchets. Avec des progrès technologiques et une sensibilisation à l'environnement accrue, l'industrie des fibres de carbone prend progressivement des mesures pour réduire ses impacts environnementaux et de santé.
