Sifat serat karbon
Sifat mekanik
Sifat mekanik serat karbon adalah salah satu atributnya yang paling menarik. Bobotnya yang ringan, kekuatan tinggi dan modulus tinggi membuatnya banyak digunakan di banyak bidang.
Kekuatan spesifik dan modulus spesifik: Kepadatan serat karbon hanya 1,5 hingga 2,0 gram per sentimeter kubik, tetapi kekuatan tariknya dapat mencapai lebih dari 3.500 MPa, yang beberapa kali baja, dan modulus tariknya dapat mencapai lebih dari 230 IPK, yang lebih dari 7 kali lebih tinggi dari kekuatan spesifik sebagian besar logam, dan modulus spesifik lebih dari 5 kali dari logam. Kekuatan spesifik dan modulus spesifik yang sangat baik ini memberi serat karbon keuntungan yang signifikan dalam kedirgantaraan, industri otomotif, peralatan olahraga dan bidang lainnya.
Anisotropi: Sifat mekanik serat karbon memiliki anisotropi yang signifikan, yaitu, kekuatan dan modulus di sepanjang arah sumbu serat jauh lebih tinggi daripada yang tegak lurus terhadap sumbu serat. Properti ini memungkinkan komposit serat karbon untuk memaksimalkan keunggulan kinerja mereka melalui desain layup rasional.
Resistensi kelelahan: Komposit serat karbon memiliki resistensi kelelahan yang sangat baik, dengan tingkat retensi kekuatan 60% setelah jutaan siklus kelelahan stres, jauh lebih tinggi daripada baja dan aluminium.
Sifat termal
Sifat termal serat karbon juga sangat baik, yang memungkinkan untuk menggunakannya di lingkungan suhu tinggi.
Konduktivitas termal: Serat karbon umumnya memiliki konduktivitas termal 0,025-0,09 kalori/cm-sec- ° C dan resistivitas 0,8-1,6 × 10^-3Ω-cm, yang menunjukkan konduktivitas listrik dan termal yang baik. Kinerja ini membuat serat karbon memiliki berbagai aplikasi pada kolektor surya, bahan cangkang konduktif termal dan sebagainya.
Koefisien Ekspansi Termal: Serat karbon memiliki koefisien kecil ekspansi termal, negatif (-0,5 hingga -1,6) × 10^-6/k di dalam ruangan, nol pada 200 hingga 400 ℃, dan 1,5 × 10^-6/k kurang lebih Dari 1.000 ℃, yang membuat komposit serat karbon memiliki stabilitas dimensi yang lebih baik di bawah perubahan suhu.
Resistensi suhu tinggi: Serat karbon sangat stabil di bawah 400 ° C, dan bahkan pada 1000 ° C masih ada tidak banyak perubahan. Resistensi suhu tinggi ini membuat komposit serat karbon banyak digunakan dalam industri kedirgantaraan.
Stabilitas kimia dasar
Stabilitas kimia serat karbon adalah sifat penting lain yang memungkinkannya mempertahankan kinerjanya di lingkungan kimia yang keras.
Resistensi Korosi: Serat karbon stabil terhadap asam, alkalis dan bahan kimia organik, selain asam pengoksidasi yang kuat, dan dapat dibuat menjadi berbagai macam produk yang tahan korosi kimia. Jenis resistensi korosi ini membuat serat karbon memiliki berbagai prospek aplikasi di bidang industri kimia dan rekayasa laut.
Resistensi oksidasi: Dalam lingkungan yang tidak mengoksidasi, serat karbon mampu menahan suhu ultra-tinggi, karakteristik yang memberikan keuntungan dalam aplikasi seperti lapisan tungku suhu tinggi dan sistem perlindungan termal untuk roket dan pesawat terbang.
Stabilitas Lingkungan: Serat karbon digunakan dalam suhu operasi normal ≤250 ° C, dan sulit untuk mengamati perubahan kimia dalam serat karbon, menunjukkan stabilitas lingkungan yang sangat baik.
Aplikasi Serat Karbon
Aerospace
Penerapan serat karbon dalam dirgantara adalah salah satu kegunaannya yang paling menonjol. Karena sifatnya yang ringan dan berkekuatan tinggi, serat karbon banyak digunakan sebagai bahan struktural di pesawat terbang dan pesawat ruang angkasa untuk mengurangi berat dan meningkatkan efisiensi bahan bakar.
Struktur Pesawat: Penggunaan komposit serat karbon (CFRP) dalam struktur pesawat dapat secara signifikan mengurangi berat badan pesawat dan meningkatkan kapasitas dan jangkauan penumpang. Sebagai contoh, struktur bantalan utama badan pesawat dan sayap dari Boeing 787 Dreamliner dan Airbus A350XWB memanfaatkan CFRP secara luas, masing -masing menyumbang 50% dan 53% dari berat. Aplikasi ini tidak hanya mengurangi bobot pesawat, tetapi juga meningkatkan efisiensi penerbangan dan ekonomi.
Spacecraft: Di bidang pesawat ruang angkasa, serat karbon digunakan untuk memproduksi komponen struktural untuk roket dan satelit karena kekuatan dan ketahanan panas yang tinggi. Penggunaan karbon serat bertulang plastik (CFRP) dalam struktur roket dan satelit telah dilaporkan mengurangi biaya peluncuran dan meningkatkan muatan.
Barang olahraga dan waktu luang
Serat karbon juga banyak digunakan dalam barang olahraga dan rekreasi, terutama di klub golf, sepeda, raket tenis dan pancing, karena kekuatannya yang tinggi dan sifat ringan.
Klub Golf: Klub golf serat karbon banyak digunakan karena bobotnya yang ringan dan elastisitas tinggi. Menurut statistik, Anda dapat memukul bola golf 30 yard lebih dari klub besi dengan klub serat karbon.
Sepeda: Sepeda serat karbon disukai oleh pengendara profesional karena bobotnya yang ringan dan kekuatan tinggi. Bingkai sepeda serat karbon lebih ringan dari bingkai paduan aluminium dan menawarkan kekakuan dan penyerapan guncangan yang lebih baik.
Konstruksi Industri dan Sipil
Penerapan serat karbon di bidang konstruksi industri dan sipil terutama berfokus pada penguatan dan penguatan struktural, terutama dalam penguatan jembatan, bangunan dan infrastruktur.
Penguatan Struktural: Kain serat karbon atau panel digunakan untuk memperkuat struktur beton untuk meningkatkan kinerja seismik dan daya dukung bebannya. Teknik penguatan serat karbon telah dilaporkan meningkatkan kinerja seismik struktur lebih dari 40%.
Konstruksi baru: Serat karbon juga digunakan dalam konstruksi baru, seperti atap berbingkai balok-rangka yang terbuat dari tabung serat karbon, yang sekitar 50% lebih ringan dari baja, dan efisiensi konstruksi dan kinerja seismik telah secara substansial ditingkatkan.
Industri mobil
Penerapan serat karbon dalam industri otomotif terutama berfokus pada ringan kendaraan berkinerja tinggi dan kendaraan energi baru.
Kendaraan berkinerja tinggi: Serat karbon digunakan untuk memproduksi tubuh, sasis, dan bagian lain dari mobil sport dan mobil balap karena karakteristiknya yang ringan dan berkekuatan tinggi, untuk meningkatkan kinerja dan penanganan kendaraan. Misalnya, model BMW I3 dan I8 memanfaatkan komposit serat karbon yang luas, menghasilkan pengurangan berat kendaraan yang signifikan.
Kendaraan Energi Baru: Di bidang kendaraan energi baru, serat karbon digunakan dalam kotak baterai, struktur tubuh, dll. Untuk mengurangi berat kendaraan dan meningkatkan jangkauan. Telah dilaporkan bahwa penggunaan komposit serat karbon dapat mengurangi berat kendaraan sebesar 30% hingga 60% dan secara signifikan meningkatkan efisiensi energi.
Tantangan dan Keterbatasan Serat Karbon Hambatan produksi dan kesulitan teknis serat karbon adalah salah satu faktor utama yang membatasi aplikasi mereka yang luas.
Berikut ini adalah tantangan utama yang dihadapi oleh serat karbon dalam proses produksi:
Hambatan teknis yang tinggi: Produksi serat karbon memiliki hambatan teknis yang tinggi dan melibatkan proses kimia dan fisik yang kompleks, termasuk beberapa langkah seperti polimerisasi, pemintalan, pra-oksidasi, karbonisasi dan grafitisasi. Langkah -langkah ini membutuhkan kontrol yang tepat dari suhu, tekanan dan kondisi lingkungan untuk memastikan kinerja produk akhir.
Investasi besar dalam peralatan: Tingginya biaya investasi peralatan produksi serat karbon, terutama tungku karbonisasi dan grafitisasi berkualitas tinggi, yang secara teknis menuntut dan relatif mahal untuk dipelihara, membatasi kemampuan usaha kecil untuk memasuki industri.
Biaya Bahan Baku: Harga monomer akrilonitril, bahan baku utama untuk serat karbon berbasis PAN, sangat berfluktuasi, mempengaruhi biaya produksi serat karbon. Selain itu, produksi filamen mentah PAN berkualitas tinggi adalah salah satu kesulitan teknis, membutuhkan polimerisasi dan teknologi pemintalan yang tepat.
Konsumsi Energi: Proses produksi serat karbon mengkonsumsi banyak energi, terutama dalam tahap karbonisasi dan grafitisasi, yang perlu diproses pada suhu tinggi untuk waktu yang lama. Ini tidak hanya meningkatkan biaya produksi, tetapi juga menempatkan beban pada lingkungan.
Monopoli Teknologi: Pasar serat karbon global telah lama dimonopoli oleh beberapa perusahaan, yang memiliki sejumlah besar paten teknis dan proses produksi yang matang, sehingga sulit bagi pendatang baru untuk menerobos hambatan teknologi dalam waktu singkat.
Kontrol Kualitas Produk: Kinerja produk serat karbon sangat sensitif terhadap setiap langkah dalam proses produksi, dan setiap perubahan kecil dapat mempengaruhi kinerja produk akhir, sehingga kontrol kualitas produk mengedepankan persyaratan yang sangat tinggi.
Singkatnya, tantangan lingkungan dan kesehatan dalam produksi dan penggunaan serat karbon perlu diatasi melalui inovasi teknologi, langkah -langkah perlindungan lingkungan yang ketat dan strategi pengelolaan limbah yang efektif. Dengan kemajuan teknologi dan peningkatan kesadaran lingkungan, industri serat karbon secara bertahap mengambil langkah -langkah untuk mengurangi dampak lingkungan dan kesehatannya.
