Электропроводно ли углеродное волокно? | Руководство эксперта Supreem Carbon

Является ли углеродное волокно электропроводным? Понимание его природы

На протяжении десятилетий,углеродное волокнопрославился тем, что произвел революцию в промышленности благодаря своим непревзойденным свойствам прочности к весу. Однако менее обсуждаемой, но не менее важной характеристикой для многих применений является его электропроводность. Короткий ответ: да, углеродное волокно является электропроводящим. В отличие от многих традиционных композитных материалов, которые являются электроизоляторами (например, стекловолокно), углеродное волокно получает свою проводимость от графитоподобной структуры составляющих его волокон.

Каждая нить углеродного волокна состоит в основном из атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, подобной графитовой. Эти делокализованные электроны в структуре графита обеспечивают протекание электрического тока. Однако важно понимать, что, хотя композиты из углеродного волокна являются проводящими, они не проводят электричество с той же эффективностью, что и металлы, такие как медь или алюминий. Обычно электрическое сопротивление отдельных углеродных волокон вдоль их оси может варьироваться от приблизительно 1,5 x 10^-5до 1,5 х 10^-4Ом-см. Когда эти волокна внедряются в полимерную матрицу для формирования композитного ламината, общая проводимость материала становится анизотропной (зависящей от направления) и, как правило, ниже, чем у необработанных волокон из-за изолирующей смолы и контактного сопротивления волокон. Типичная проводимость в плоскости хорошо спроектированного ламината из углеродного волокна может находиться в диапазоне 10²до 10³См/м (Сименс на метр), в то время как проводимость по толщине значительно ниже, часто 10^-1до 10¹С/м.

Какова проводимость углеродного волокна по сравнению с металлами?

Хотя углеродное волокно является проводником, его электрические характеристики на порядки ниже, чем у металлов с высокой проводимостью. Для наглядности:

• Медь:Приблизительно 5,96 х 10⁷См/м
• Алюминий:Примерно 3,5 х 10⁷См/м
• Композит из углеродного волокна(в самолете):Обычно 10²до 10³См/м

Это означает, что медь примерно в 100 000 раз более проводящая, чем типичный композит из углеродного волокна в направлении волокон. Поэтому композиты из углеродного волокна, как правило, не используются для первичной электропроводки или передачи электроэнергии высокого тока, где металлы превосходят их. Вместо этого их проводимость используется в приложениях, где требуется определенный уровень проводимости без недостатков веса или коррозии металлов, или для особых функций, таких как экранирование от электромагнитных помех (EMI) или защита от ударов молнии.

Какие факторы влияют на электропроводность углеродного волокна?

Электропроводностьдетали из углеродного волокнане является фиксированным значением; оно может значительно варьироваться в зависимости от нескольких факторов:

• Тип волокна:Различные сорта углеродного волокна (например, стандартный модуль, промежуточный модуль, высокий модуль) обладают различной степенью графитизации и чистоты, что напрямую влияет на их собственную проводимость. Волокна с более высоким модулем обычно демонстрируют лучшую проводимость.
• Объемная доля волокна:Чем выше процент содержания углеродного волокна в композите, тем больше путей для прохождения тока, что увеличивает общую проводимость.
• Ориентация/укладка волокон:Поскольку проводимость значительно выше вдоль оси волокна, однонаправленная (UD) укладка будет иметь высокую проводимость в одном направлении, тогда как квазиизотропная укладка (волокна ориентированы в нескольких направлениях) обеспечит более сбалансированную, но более низкую общую проводимость по всей плоскости. Проводимость по толщине, как правило, самая низкая из-за изолирующих слоев, богатых смолой, между слоями.
• Система смолы:Хотя полимерная матрица (эпоксидная смола, полиэстер и т. д.) обычно является электроизолятором, ее свойства и то, как она смачивает волокна, могут влиять на контактное сопротивление между волокнами и, следовательно, на общую проводимость композита. Некоторые смолы также можно сделать более проводящими с помощью добавок.
• Метод обработки:Такие факторы, как смачивание волокон, содержание пустот и давление отверждения, могут влиять на непрерывность проводящей сети внутри композита, влияя на его электрические характеристики.

Основные области применения и особенности проектирования деталей из токопроводящего углеродного волокна

Понимание проводимости углеродного волокна имеет первостепенное значение для проектирования высокопроизводительных композитных деталей для различных отраслей промышленности:

• Экранирование от электромагнитных помех (ЭМП):Композиты из углеродного волокна эффективно ослабляют электромагнитные волны, что делает их идеальными для корпусов в аэрокосмической, электронной и телекоммуникационной промышленности для защиты чувствительного оборудования от электромагнитных/радиочастотных помех. Их проводимость позволяет им отражать и поглощать электромагнитное излучение.
• Защита от ударов молнии (LSP):В самолетах и ​​лопастях ветряных турбин структуры из углеродного волокна могут отводить ток молнии от чувствительных зон, смягчая ущерб. Хотя они изначально являются проводящими, на поверхности часто применяются дополнительные меры, такие как металлические сетки (например, медные или алюминиевые) или проводящие краски для улучшения LSP, поскольку одно только углеродное волокно не всегда может безопасно рассеивать чрезвычайно высокие токи прямого удара молнии без локализованного повреждения.
• Рассеивание статического электричества и заземление:Детали из углеродного волокна можно использовать для предотвращения накопления статического электричества в чувствительных средах (например, топливные системы, чистые помещения, производство электроники), обеспечивая путь к земле. Это имеет решающее значение для безопасности и предотвращения повреждений от электростатического разряда (ESD).
• Резистивные нагревательные элементы:В некоторых узкоспециализированных приложениях собственное сопротивление углеродного волокна может быть использовано для создания легких нагревательных элементов.

При проектировании с использованием проводящего углеродного волокна инженеры должны учитывать, как будут выполнены электрические соединения, путь прохождения тока и вероятность гальванической коррозии, если углеродное волокно будет находиться в прямом контакте с определенными металлами в присутствии электролита.

Можно ли изменить электрические свойства углеродного волокна?

Безусловно. Для применений, требующих определенных уровней проводимости, производители могут проектировать композиты из углеродного волокна несколькими способами:

• Проводящие наполнители в смоле:Включение проводящих наночастиц, таких как углеродные нанотрубки (УНТ), графен или специализированная углеродная сажа, в матрицу полимерной смолы может значительно улучшить сквозную и межслойную проводимость.
• Металлические сетки или ткани:Распространенным методом повышения проводимости, особенно для экранирования LSP и электромагнитных помех, является внедрение тонких слоев медной, алюминиевой или никелевой сетки или ткани между слоями углеродного волокна.
• Проводящие поверхностные покрытия:Нанесение токопроводящих красок, металлических покрытий (например, никелирования) или высокопроводящих пленок на поверхность композитной детали может создать токопроводящий путь там, где это необходимо.
• Выбор и ориентация волокон:Выбор сортов углеродного волокна с более высокой проводимостью и оптимизация укладки волокон для максимальной проводимости в желаемом направлении.

Используя эти технологии, производители композитных материалов из углеродного волокна могут адаптировать электрические свойства деталей в соответствии с точными требованиями различных областей применения, выходя за рамки простых структурных преимуществ.

Supreem Carbon: точность в современных композитах

ВВысший углерод, мы понимаем, что будущее высокопроизводительных деталей заключается не только в их механической прочности, но и в их инженерных функциях. Наш опыт в производстве углеродного волокна позволяет нам точно контролировать и оптимизировать электропроводность наших композитных компонентов. Независимо от того, требует ли ваше приложение превосходного экранирования от электромагнитных помех, надежной защиты от ударов молнии или надежного рассеивания статического электричества, Supreem Carbon использует передовые технологии материаловедения, фирменные методы обработки и глубокое понимание архитектуры волокон для предоставления индивидуально разработанных решений. Мы поставляем материалы с постоянными, проверяемыми электрическими свойствами, гарантируя, что ваши детали будут работать точно так, как задумано, повышая безопасность, надежность и функциональность в аэрокосмической, автомобильной, электронной и промышленной отраслях. Сотрудничайте с Supreem Carbon для вашего следующего поколения интеллектуальных высокопроизводительных композитных деталей.