Проводит ли углеродное волокно? Объяснение электрических свойств

Проводит ли углеродное волокно? Объяснение электрических свойств

Понимание вопроса: является ли углеродное волокно электропроводным и почему это важно для деталей из углеродного волокна

Многие инженеры, любители и покупатели задаются вопросом: проводит ли углеродное волокно электричество? Короткий ответ: сами углеродные волокна электропроводны, но готовое изделиекомпозит из углеродного волокнаМожет вести себя как проводник или изолятор в зависимости от своего состава и структуры. Для тех, кто ищетдетали мотоцикла из углеродного волокна,детали автомобиля из углеродного волокнаили индивидуальные детали из углеродного волокна, понимание этого различия имеет важное значение для электробезопасности, экранирования электромагнитных помех, заземления, нагревательных элементов и интеграции датчиков.

Что такое углеродное волокно и как оно проводит электричество?

Углеродное волокно – это нити углерода, обработанные для получения дальнодействующей графитовой структуры. Эта структура обеспечивает делокализованные электроны вдоль оси волокна, что обеспечивает электропроводность углеродных волокон. Ключевыми факторами, определяющими собственную проводимость, являются прекурсор волокна (ПАН или пек), степень графитизации и микроструктура. Как правило, волокна на основе пека и высокографитизированные волокна демонстрируют более высокую электропроводность вдоль оси волокна, чем обычные ПАН-волокна.

Разница между углеродным волокном и углеродными композитами

При обсуждении вопроса о том, является ли углеродное волокно электропроводным, важно разделить два уровня:

• Одинарное углеродное волокно или жгут: обычно проводящий вдоль оси волокна.
• Композит из углеродного волокна (волокно + смоляная матрица): проводимость зависит от матрицы (обычно изолирующей эпоксидной смолы), ориентации волокон, объемной доли волокон и наличия непрерывного токопроводящего пути между волокнами.

Композит с низкой объёмной долей волокон и изолирующей смолой будет обладать по существу изолирующими свойствами. Напротив, ламинат с проводящими волокнами, контактирующими с проводящей смолой/покрытием, может быть электропроводящим и использоваться для экранирования электромагнитных помех или обогрева.

Насколько электропроводно углеродное волокно? Типичные диапазоны и сравнение

Абсолютная проводимость зависит от типа и направления волокон. Ниже представлено краткое сравнение типичных значений электропроводности (сигма, См/м), которое поможет ответить на вопрос: является ли углеродное волокно проводником по сравнению с металлами и графитом?

Интерпретация: углеродные волокна могут достигать уровня проводимости графита вдоль волокна, но их проводимость на порядки ниже, чем у металлов, таких как медь. В композитах сквозная проводимость часто значительно ниже, поскольку ток должен проходить через изолирующую смолу или прерывистые сети волокон.

Факторы, определяющие, является ли деталь из углеродного волокна проводящей

При оценке электропроводности углеродного волокна для готовой детали следует учитывать следующие факторы:

• Тип и сорт волокна: волокна с более высокой графитизацией и на основе пека увеличивают проводимость.
• Ориентация волокон: однонаправленные волокна проводят ток вдоль оси волокна, но не поперек нее; тканые материалы создают анизотропную, но более равномерную проводимость.
• Объемная доля волокон: более высокая объемная доля волокон увеличивает вероятность образования проводящих путей.
• Система смол: стандартные эпоксидные смолы являются изолирующими; проводящие покрытия или наполненные смолы изменяют поведение.
• Обработка поверхности и покрытия: металлические или проводящие краски, гальванопокрытия или лаки могут изменить проводимость поверхности и способность заземления.
• Механические соединения и крепежные элементы: металлические крепежные элементы, контактирующие с углеродными волокнами, могут создавать риск гальванической коррозии, если они не изолированы.

Практические аспекты использования углеродного волокна в производстве деталей мотоциклов и автомобилей

Для производителей и покупателей деталей из углеродного волокна понимание проводимости влияет на множество практических соображений:

• Электромагнитные помехи (ЭМП): проводящие углеродные структуры могут обеспечить экранирование от ЭМП, что полезно при прокладке электроники вблизи композитных панелей.
• Заземление и соединение: электропроводность означает, что могут потребоваться заземляющие полосы или изоляция для предотвращения блуждающих токов или помех.
• Накопление статического электричества: изоляционные композитные материалы с углеродными волокнами вблизи поверхности могут по-прежнему рассеивать заряд; поверхностная проводимость имеет значение для адгезии краски и безопасности в зонах топливной системы.
• Интеграция датчиков и нагрев: проводящие волоконно-оптические сети позволяют использовать резистивные нагревательные элементы или встроенные датчики деформации, но конструкция и измерения имеют значение.

примечание

Если вы ищетемотоцикл из углеродного волокнаЕсли у вас есть детали или детали автомобиля из углеродного волокна и вам требуются особые электрические свойства (проводимость для экранирования или изолирующие свойства для изоляции), сообщите об этом поставщику, чтобы он мог подобрать подходящий тип волокна, укладку, смолу и покрытия.

Как измерить электропроводность деталей из углеродного волокна

Для определения электропроводности углеродного волокна часто требуются измерения. Распространенные методы:

• Четырехточечный тест сопротивления слоя — минимизирует эффекты контактного сопротивления и хорошо подходит для ламинатов и покрытий.
• Двухточечное измерение сопротивления для быстрой проверки (менее точно из-за контактного сопротивления).
• Испытания на объемное удельное сопротивление (ASTM D257) для сравнения со стандартными диапазонами изолирующего/резистивного сопротивления.

При тестировании проводите измерения вдоль и поперёк волокна, а также по толщине, поскольку анизотропия — распространённое явление. Для конструкционных деталей предоставьте измеренные значения в технических характеристиках, чтобы интеграторы знали, может ли деталь служить проводящим путём или требует изоляции.

Стратегии проектирования: создание проводящей или изолирующей детали

Если вам нужна деталь из токопроводящего углеродного волокна, возможны следующие варианты:

• Используйте волокна с высокой степенью графитизации и выравнивайте волокна для формирования непрерывных токопроводящих дорожек.
• Увеличить объемную долю волокон и обеспечить контакт волокон (например, сшитые или тканые конструкции).
• Нанесите на поверхность токопроводящие покрытия или металлизацию для создания надежного заземления и экранирования.

Чтобы сделать деталь изолирующей:

• Используйте изоляционные смоляные системы и убедитесь, что поверхность полностью покрыта или окрашена.
• Спроектируйте укладку так, чтобы минимизировать токопроводящие пути к критическим точкам, и изолируйте металлические крепежные элементы шайбами ​​или гильзами.

Проблемы безопасности и коррозии при использовании проводящего углеродного волокна

При соприкосновении токопроводящего углеродного волокна с разнородными металлами в присутствии электролита (например, соленой воды) могут образовываться гальванические элементы, что может привести к ускоренной коррозии металла. Рекомендуемые методы включают изоляцию углеродных деталей от алюминия или стали, использование защитных покрытий и выбор совместимых крепёжных элементов при сборке деталей мотоциклов или автомобилей из углеродного волокна.

Коммерческое напоминание

При заказе деталей из углеродного волокна по индивидуальному заказу укажите все требования к электроизоляции или соединению. Поставщики, такие как Supreem Carbon, могут включать конструктивные особенности для контроля электропроводности.

Примеры и общие примеры применения, где важна проводимость

Области применения, использующие проводимость углеродного волокна:

• Панели экранирования ЭМИ в корпусах электронного оборудования или кабинах транспортных средств.
• Резистивные нагревательные элементы в противообледенительных или обогреваемых ручках, изготовленные из токопроводящих ламинатов.
• Встроенное сокращение количества проводов за счет токопроводящих дорожек для датчиков или антенн.

К областям применения, требующим изоляции, относятся топливные баки, корпуса аккумуляторных батарей (где избирательная проводимость может быть опасной), а также некоторые внешние окрашенные детали, для которых существует опасность гальванической коррозии.

Почему стоит выбрать Supreem Carbon для изготовления проводящих или изолирующих деталей из углеродного волокна

Компания Supreem Carbon, основанная в 2017 году, является производителем деталей из углеродного волокна для автомобилей и мотоциклов, специализирующимся на индивидуальном подходе. Мы объединяем НИОКР, проектирование, производство и продажи для предоставления высококачественной продукции и услуг. Мы специализируемся на технологических исследованиях и разработках изделий из углеродного композита и производстве сопутствующих товаров. Наши основные предложения включают в себя кастомизацию и модификациюаксессуары из углеродного волокнадля транспортных средств, а также для производства багажа и спортивного инвентаря из углеродного волокна.

Снимок завода и возможностей:

• Площадь завода: около 4500 кв. метров.
• Персонал: 45 человек квалифицированного производственно-технического персонала.
• Годовой объем производства: около 4 млн долларов США.
• Ассортимент продукции: более 1000 наименований продукции, включая более 500 деталей из углеродного волокна, изготовленных по индивидуальному заказу.

Как Supreem Carbon решает проблему проводимости углеродного волокна для клиентов:

• Мы выбираем сорта волокон и способы их укладки для достижения заданной проводимости или изоляции.
• Мы осуществляем измерения и проверки (поверхностного сопротивления, объемного удельного сопротивления) в рамках индивидуальных проектов.
• Мы проектируем изделия с учетом коррозионной стойкости и изоляции креплений, чтобы избежать гальванических проблем в автомобильной и мотоциклетной среде.

Основная продукция: детали для мотоциклов из углеродного волокна, детали для автомобилей из углеродного волокна, детали из углеродного волокна, изготовленные на заказ — с упором на исследования и разработки, индивидуальные схемы расположения компонентов и стабильность производства. Узнайте больше на сайте https://www.supreemcarbon.com/.

FAQ — Часто задаваемые вопросы о том, является ли углеродное волокно проводящим материалом

В1: Достаточно ли электропроводно углеродное волокно, чтобы заменить металл в электропроводке?

A1: Нет. Хотя углеродные волокна могут проводить электричество, их проводимость значительно ниже, чем у меди или алюминия, и они обладают высокой анизотропией. Углеродное волокно не подходит в качестве прямой замены для проводов, где требуются низкое сопротивление и стабильная проводимость.

В2: Могут ли обтекатели мотоциклов из углеродного волокна стать причиной проблем с электрикой?

A2: Обычно нет, но это зависит от обстоятельств. Если на обтекателе есть открытые проводящие волокна или проводящие покрытия, они могут взаимодействовать с датчиками, антеннами или системами заземления. Правильная покраска, покрытие и изоляция от металлических деталей предотвращают большинство проблем.

В3: Можно ли использовать композит на основе углеродного волокна для экранирования электромагнитных помех?

A3: Да. При использовании соответствующих типов волокон, способа укладки и обработки поверхности композиты на основе углеродного волокна могут обеспечить эффективное экранирование электромагнитных помех. Для достижения целевых показателей эффективности экранирования необходимы проектирование и испытания.

В4: Как проверить, является ли готовая деталь из углеродного волокна электропроводящей?

A4: Используйте мультиметр для быстрой двухточечной проверки и четырёхточечный датчик или стандартный измеритель объёмного сопротивления (ASTM D257) для получения точных результатов. Измеряйте вдоль и поперёк волокон, а также по толщине.

В5: Существуют ли проблемы с коррозией деталей из проводящего углеродного волокна?

A5: Да. Проводящее углеродное волокно при контакте с разнородными металлами может ускорить коррозию в электролитических средах. Для снижения риска используйте изоляционные материалы, покрытия или совместимые крепёжные элементы.

Свяжитесь с нами / Просмотр продукции

Если вам нужны детали из углеродного волокна с особыми электрическими свойствами — проводящие для экранирования или обогрева или полностью изолированные для безопасного применения в транспортных средствах — обратитесь в Supreem Carbon для индивидуальных решений и проведения испытаний. Посетите наш каталог продукции и страницу контактов по адресу https://www.supreemcarbon.com/ или напишите в наш отдел продаж, чтобы обсудить технические требования и прототипы.

Источники и ссылки

Приведённые выше данные и рекомендации основаны на технических характеристиках материалов, отраслевой литературе и рецензируемых обзорах. Основные использованные источники:

• Технические паспорта углеродного волокна Torayca (Toray Industries) — свойства волокна и типичные электрические характеристики.
• База данных свойств материалов MatWeb — записи для углеродных волокон, графита и эпоксидных смол.
• Аль-Салех, М.Х. и Сундарарадж, У., обзорные статьи об электрических свойствах полимерных композитов на основе углерода (обзор литературы по перколяции и проводимости).
• Технические статьи CompositesWorld по экранированию ЭМИ и проводящим композитам.
• ASTM D257 — Стандартные методы испытаний сопротивления постоянному току или проводимости изоляционных материалов (для практики измерений).