Углеродное волокно против стекловолокна в модификации пластика

В области модификации пластмасс наиболее часто используемыми армирующими материалами являются углеродное и стекловолокно. Оба играют решающую роль в улучшении характеристик пластмасс, но существенно различаются по материальным свойствам, стоимости и областям применения.

Различия в свойствах материалов

Прочность и жесткость

Углеродное волокно обладает чрезвычайно высокой прочностью на растяжение и модулем упругости, при этом прочность на растяжение обычно составляет от 3000 до 7000 МПа или даже выше, а модуль упругости превышает 230 ГПа, что в 4–5 раз прочнее стали. При использовании для армирования пластмасс углеродное волокно может значительно повысить прочность и жесткость материала, позволяя компонентам сохранять структурную стабильность при высоких нагрузках. Например, детали из армированного углеродным волокном пластика в аэрокосмической отрасли могут надежно работать в сложных механических условиях.

С другой стороны, прочность на растяжение стекловолокна обычно составляет от 1500 до 3500 МПа. Хотя оно также может повысить прочность и жесткость пластмасс, улучшение относительно меньше по сравнению с материалами, армированными углеродным волокном, при том же уровне нагрузки.

Плотность

Углеродное волокно имеет низкую плотность, обычно 1,7–1,9 г/см³, что позволяет армированным углеродным волокном пластикам достигать высокой прочности при сохранении малого веса. Это делает их идеальными для применений, требующих снижения веса, например, для облегченных автомобильных компонентов, которые уменьшают вес транспортного средства и повышают топливную экономичность.

Стекловолокно относительно плотнее, его плотность составляет 2,4–2,7 г/см³, поэтому пластмассы, армированные стекловолокном, тяжелее, чем их аналоги из углеродного волокна при аналогичных условиях.

Электрические и тепловые свойства

Углеродное волокно обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Пластмассы, армированные углеродным волокном, могут использоваться в областях применения, требующих антистатических свойств или электромагнитного экранирования, например, в корпусах электронных устройств или взрывозащищенных переключателях.

Стекловолокно является изоляционным материалом и не проводит электричество. Поэтому стекловолоконные армированные пластики не обладают этими свойствами и в основном используются в тех областях, где электрические характеристики не имеют решающего значения, но требуется механическое упрочнение.

Устойчивость к усталости

Углеродсодержащие пластмассы обладают превосходной устойчивостью к усталости и могут выдерживать многократные нагрузки без существенных повреждений. Это делает их подходящими для спортивного оборудования, такого как велосипедные рамы и теннисные ракетки, где важна долговременная стабильность характеристик.

Пластмассы, армированные стекловолокном, обладают относительно более низкой усталостной прочностью и более подвержены усталостному разрушению при частых циклических нагрузках.

Разница в стоимости

Материалы, армированные углеродным волокном, как правило, значительно дороже материалов, армированных стекловолокном. С точки зрения сырья, прекурсоры углеродного волокна, такие как полиакрилонитрил (ПАН) или смола, проходят множество сложных этапов обработки, прежде чем стать углеродным волокном, что приводит к высоким затратам. В отличие от них, стекловолокно, по сути, получают из стекла методом прядения, при этом затраты на сырье значительно ниже.

Что касается производства, то изготовление композитов из углеродного волокна требует специализированного оборудования и опыта, включая обработку поверхности, точное выравнивание ткани, клеевое соединение и отверждение, что в совокупности увеличивает производственные затраты. Производство стекловолокна относительно проще.

Кроме того, стекловолокно пользуется большим рыночным спросом, что позволяет достичь экономии за счет масштаба и еще больше снизить затраты, в то время как рынок углеродного волокна меньше, объемы производства ограничены, а затраты остаются высокими. Как правило, углеродное волокно может стоить в несколько-десятки раз дороже стекловолокна, что делает стекловолокно более выгодным в областях применения, где важна экономия средств.

Применение армированных углеродным волокном пластмасс

Аэрокосмическая отрасль: Углеволокнистые армированные пластмассы широко используются в производстве компонентов самолетов, таких как крылья и конструкции фюзеляжа. Крупные производители самолетов, такие как Airbus и Boeing, используют армированные углеродным волокном термопластичные или термореактивные композиты, чтобы воспользоваться их высокой прочностью и низкой плотностью, что позволяет снизить вес самолета, одновременно повышая топливную эффективность и летные характеристики.

Автомобильная промышленность: Углеродное волокно используется в капотах двигателей, кузовных панелях, ступицах колес и других компонентах для снижения веса автомобиля, улучшения управляемости и повышения топливной экономичности. В высококлассных спортивных автомобилях и электромобилях все чаще используются детали из углеродного волокна.

Электроника: В числе областей применения — корпуса ноутбуков, рамки смартфонов и другие электронные устройства. Углеродное волокно обеспечивает прочность изделий при одновременном снижении веса, а его электропроводность может служить для экранирования от электромагнитных волн.

Спортивное снаряжение: Углеродное волокно, используемое в клюшках для гольфа, теннисных ракетках, ракетках для бадминтона и велосипедных рамах, улучшает характеристики оборудования и повышает спортивные возможности спортсменов.

Применение стекловолоконных армированных пластиков

Автомобильная промышленность: Пластмассы, армированные стекловолокном, широко используются в элементах интерьера, бамперах и деталях двигателей. Например, пластиковые детали интерьера, упрочненные стекловолокном, обладают повышенной прочностью и стабильностью размеров.

Электроника и электроприборы: Широко используется в корпусах, разъемах и материалах для поддержки печатных плат. Области применения включают корпуса телевизоров, шасси компьютеров и другие электронные корпуса, где армирование стекловолокном повышает прочность материала и защищает внутренние компоненты.

Строительные материалы: Стекловолокнистые армированные пластики используются для производства труб из стеклопластика, градирен, опалубки для зданий и других конструктивных элементов, играя важную роль в системах водоснабжения, водоотведения, вентиляции и теплоотвода.

Товары повседневного спроса: Такие изделия, как пластиковые столы и стулья, мусорные баки и бытовая тара, выигрывают от армирования стекловолокном, что улучшает их эксплуатационные характеристики и продлевает срок службы.

Углеродное и стекловолокно имеют свои преимущества и ограничения при модификации пластмасс. В практических применениях важно тщательно учитывать такие факторы, как требования к эксплуатационным характеристикам изделия и ограничения по стоимости, а также разумно выбирать армирующий материал для достижения оптимального баланса между производительностью и стоимостью.