Fibra de carbon

Fibra de carbon
Un filament de fibre de carbon
O țesătură formată din filamente de carbon împletite
Caracteristici generale
Compoziţie	carbon
Aspect	negru
Starea de agregare (în cs )	solid
Cristalinitatea	cristalin
Proprietăți fizico-chimice
Densitate (g / cm 3 , în cs )	1.6-2.15 [1]
c 0 p, m (J kg −1 K −1 )	710-930 [1]
Conductivitate termică ( W / m K )	8-375 [1]
Proprietăți mecanice
Rezistența la tracțiune (kg f / m 2 )	2000-4500 MPa [1]
Modulul longitudinal de elasticitate ( GPa )	250-500 [1]

În știința și tehnologia materialelor , fibra de carbon este un material cu o structură filiformă, foarte subțire, realizat din carbon , utilizat în general la producerea unei mari varietăți de „ materiale compozite ”, așa-numitele deoarece sunt alcătuite din două sau mai multe materiale, care în acest caz sunt fibre de carbon și așa-numita matrice , în general din rășină (dar poate fi într-un alt material plastic sau metalic ) a cărei funcție este de a menține fibrele rezistente în „loc” (astfel încât să își mențină orientarea corectă în absorbția eforturilor), pentru a proteja fibrele și, de asemenea, pentru a menține forma produsului compozit.

Pentru construcția structurilor compozite, fibrele de carbon sunt mai întâi împletite în cârpe reale de pânză de carbon și, odată ce sunt așezate, sunt scufundate în matrice. Printre caracteristicile fibrelor de carbon se remarcă rezistența mecanică ridicată , densitatea redusă, capacitatea de izolare termică , rezistența la variațiile de temperatură și la efectul agenților chimici , proprietăți bune de ignifugare . Pe de altă parte, materialul compozit din fibră de carbon nu este omogen și are adesea o anizotropie marcată, adică caracteristicile sale mecanice au o direcție privilegiată.

Termenul de fibră de carbon este adesea folosit în mod necorespunzător pentru a se referi la materialul compozit al cărui fibră de carbon este o componentă.

Istorie

Abbott în 1950 a reușit să producă fibră de carbon prin carbonizarea raionului la o temperatură de aproximativ 1000 ° C, obținând un material cu rezistența la tracțiune de 280 MPa. ^[1]

RC Houtz în același an a descoperit că fibra de carbon ar putea fi produsă și pornind de la poliacrilonitril (PAN) prin încălzirea acestui polimer în aer la 300 ° C.

Roger Bacon, fizician și om de știință al materialelor de la Parma Technical Center , Ohio , a creat prima fibră de carbon performantă în 1958: consta în principal din filamente subțiri de grafit dispuse în foi sau role; foile se întindeau continuu pe toată lungimea filamentului de grafit. După dezvoltarea fibrei de carbon, Bacon a estimat costul de producție la „10 milioane de dolari pe kilogram ”. Fibra de carbon creată de Bacon a fost o descoperire majoră la acea vreme, iar oamenii de știință și industriașii erau hotărâți să găsească o metodă de producție eficientă și mai puțin costisitoare. ^[2]

Akio Shindo în 1959 a îmbunătățit caracteristicile fibrelor de carbon produse de PAN prin supunerea acestui polimer la carbonizare.

Union Carbide a exploatat în același an procesul Abbott pentru producția și comercializarea fibrelor de carbon din raion.

Sugio Otani în 1963 a evidențiat posibilitatea producerii de fibre de carbon din pitch.

E. Fitzer și H. Schlesinger în 1966 au produs pentru prima dată fibră de carbon din faza gazoasă.

Armăturile Carr din 14 ianuarie 1969 au produs prima țesătură din fibră de carbon. ^[3]

Kureha Chemical Industries a început în 1970 să comercializeze fibră de carbon.

Morinobu Endo a îmbunătățit în 1974 procesul de producție a fibrei de carbon din faza gazoasă: a subliniat modul în care creșterea acestei fibre de carbon ar putea fi promovată datorită catalizei. Cu toate acestea, această fibră de carbon nu a fost niciodată comercializată.

Irwin C. Lewis și Leonard Singer în 1976 au perfecționat procesul de producere a fibrei de carbon din pas anizotrop: proprietățile mecanice ale acestei fibre de carbon au avut o creștere semnificativă.

Descriere

Structură și proprietăți

O fibră de carbon cu un diametru de 6 μm (care se extinde de la stânga jos la dreapta sus) în comparație cu un fir de păr uman

Fibrele de carbon au proprietăți foarte asemănătoare azbestului ^[4], dar spre deosebire de acesta din urmă, utilizarea lor nu implică riscuri pentru sănătate.

Fiecare împletire a filamentelor de carbon constituie un întreg format din unirea a mii de filamente. Fiecare filament are o formă aproximativ cilindrică cu un diametru de 5-8 μm și constă aproape exclusiv din carbon (cel puțin 92% ^[5] ).

Structura atomică a fibrei de carbon este similară cu cea a grafitului, constând din agregate de atomi de carbon structurați planar (foi de grafen ) dispuse în conformitate cu simetria hexagonală regulată. Diferența constă în modul în care aceste foi sunt interconectate. Grafitul este un material cristalin în care foile sunt aranjate paralel între ele formând o structură regulată. Legăturile chimice care se stabilesc între foi sunt relativ slabe, conferind grafitului delicatețea și fragilitatea sa caracteristice.

Fibrele de carbon au o inertitate chimică ridicată față de multe soluții apoase. Se vor deteriora dacă vor intra în contact cu metale și oxizi metalici la temperaturi peste 1000 K.

Densitatea tipică a fibrei de carbon este de 1750 kg / m ³ . Rezistența mecanică a diferitelor tipuri de fire variază între 2-7 GPa.

Clasificare

Pe baza caracteristicilor mecanice

În funcție de caracteristicile lor mecanice, fibrele de carbon pot fi clasificate comercial în:

• GP ( Performanță generală ): caracterizat printr-o rezistență la tracțiune mai mică; au un modul de elasticitate sau modulul lui Young care nu depășește 200 GPa; ^[6]
  • LM ( Low Modulus ): au valori scăzute ale modulului Young; ^[7]
• HP ( High Performance ): caracterizat printr-o rezistență la tracțiune mai mare;
  • HT ( High Tensile Resistance ): au valori ridicate ale rezistenței la tracțiune (mai mare de 3000 MPa ) și valori standard ale modulului Young (în jur de 150-300 GPa ^[8] );
  • IM ( Modul intermediar ): au valori moderate ale modulului lui Young (în jur de 275-350 GPa ^[9] );
  • HM ( High Modulus ): au valori ridicate ale modulului lui Young (mai mare de 300 GPa ^[10] );
    • UHM ( UltraHigh Modulus ): au valori foarte mari ale modulului Young (mai mare de 600 GPa ^[11] );
• SM ( modul standard ): au un modul Young mai mic de 250 GPa și sunt răspândite în ingineria civilă, împreună cu fibrele HT, HM și UHM de înaltă tenacitate.

Pe baza procesului de producție

Din punctul de vedere al procesului din care sunt obținute, fibrele de carbon sunt, de asemenea, clasificate în:

• fibre de carbon din poliacrilonitril (PAN): obținute prin stabilizare, carbonizare și posibil tratament termic la temperaturi ridicate al poliacrilonitrilului; 90% din fibrele de carbon sunt produse în prezent conform acestei metodologii;
• fibre de carbon din pas isotrop: obținute din fibre de pas supuse stabilizării și carbonizării;
• fibre de carbon din pas anizotrop (MPP, Mesophase Pitch ): obținute din pas mezogen transformat în pas mezofazic în timpul filării; acest pas mezofazic este apoi supus stabilizării, carbonizării și tratamentului termic la temperaturi ridicate;
• fibre de carbon de raion: obținute din fibre de raion supuse pretratării chimice și carbonizării; acest tip de fibre de carbon nu mai sunt produse industrial;
• fibre de carbon în fază gazoasă: obținute dintr-o fază gazoasă care conține hidrocarburi și catalizatori solizi; astfel de fibre de carbon nu sunt comercializate în prezent.

Conform structurii

În funcție de materia primă utilizată pentru producerea fibrei, fibra de carbon poate fi turbostatică sau grafitică sau poate avea o structură hibridă în care sunt prezente atât părți turbostrate cât și grafitice. În fibra de carbon turbostatică, adică cu o structură cristalină formată din plane fiecare deviat lateral față de celălalt, foile de atomi de carbon sunt unite aleatoriu sau pliate împreună. Fibrele de carbon obținute din PAN sunt turbostrate, în timp ce fibrele de carbon derivate din mezofaza pasului sunt grafitice după încălzire la temperaturi peste 2200 ° C. Fibrele de carbon turbostrate tind să aibă o sarcină de rupere mai mare, în timp ce fibrele derivate din mezofaza de pas supuse tratamentului termic au rigiditate ridicată ( modulul lui Young ) și conductivitate termică ridicată .

Sinteză

Cea mai utilizată metodă de obținere a filamentelor de carbon constă în oxidarea și piroliza poliacrilonitrilului (PAN), un polimer obținut din polimerizarea acrilonitrilului . PAN este încălzit la aproximativ 300 ° C în prezența aerului , având ca rezultat obținerea oxidării și ruperea multor legături de hidrogen stabilite între lanțurile lungi de polimer. Produsul de oxidare este plasat într-un cuptor și încălzit la aproximativ 2000 ° C într-o atmosferă de gaz inert (de exemplu, argon ), obținându-se astfel o schimbare radicală a structurii moleculare cu formarea grafitului. Prin efectuarea procesului de încălzire în condițiile corespunzătoare, lanțurile polimerice se condensează cu producerea de foi înguste de grafen care se fuzionează pentru a genera un singur filament. Rezultatul final constă în obținerea unui material cu un conținut variabil de carbon în general între 93-95%.

Sinteza fibrelor de carbon pornind de la poliacrilonitril: a) ciclizare ; b) dehidrogenare ; c) eliminarea azotului .

Fibrele de calitate inferioară pot fi produse folosind pitch sau rayon ca precursori în loc de PAN.

Proprietățile mecanice ale fibrei de carbon pot fi îmbunătățite în continuare prin exploatarea tratamentelor termice adecvate. Prin încălzirea în intervalul 1500-2000 ° C există așa-numita carbonizare cu formarea unui material cu o sarcină de rupere mare (5650 MPa ), în timp ce fibra de carbon este supusă grafitizării (adică la o încălzire la 2500-3000 ° C) prezintă un modul de elasticitate mai mare (531 GPa).

Aplicații

Fibra de carbon este utilizată în principal pentru consolidarea materialelor compozite , în special a celor cu matrice polimerică . Materialele astfel obținute au rezistență ridicată, ușurință, cost redus și o anumită valoare estetică. Din aceste motive, materialele din fibră de carbon sunt utilizate pe scară largă într-o varietate de domenii în care greutatea și rezistența mecanică a obiectului sunt factori determinanți sau în produsele de consum pur și simplu în scopuri estetice.

Unul dintre aceste sectoare este sectorul transporturilor, unde ușurința vehiculului este asociată cu un consum mai mic de combustibil. De exemplu, Boeing 787 este construit parțial din materiale din fibră de carbon. ^[12] În acest scop, foarte rar sunt folii plate de compozit utilizate prin îndoire la cald, de fapt este preferată tehnica polimerizării rășinilor direct pe o matriță, impregnând fiecare strat de pânză de fibre la un moment dat, de multe ori comprimând totul pentru a se îmbunătăți uniformitatea grosimii.

Lejeritatea acestor materiale este exploatată și în domeniul sportului, unde greutatea mai mică a echipamentului sportiv permite creșterea rezistenței sportivilor; în special, aceste materiale sunt utilizate în construcția:

• mașină de curse
• ombrea (instrument de modelare a sticlei)
• biciclete ^{[13] [14]}
• canoe ^[15]
• schi nautic ^[16]
• tălpile unor pantofi de fotbal, pentru a le face mai flexibile și mai ușoare
• cluburi de golf ^[13]
• undițe ^[13]
• rachete de tenis ^[13]
• TIR cu arcul
• căști de protecție
• caroserie și componente pentru mașinile de curse rc
• acoperiri pentru aeronave
• costume de înot profesionale

• 

  Mașină de curse cu caroserie din fibră de carbon

• 

  Bicicleta de curse din fibra de carbon

• 

  Mănuși de motocicletă cu armături din fibră de carbon

• 

  Cască de motocicletă din fibră de carbon

• 

  Bata de hochei din fibra de carbon

Un alt domeniu în care sunt exploatate ușurința și costul redus al materialelor din fibră de carbon este industria muzicală. În special, aceste materiale sunt utilizate cu un rezultat excelent în raportul calitate-preț în construcția:

• chitare
• arcuri pentru vioară, viola și violoncel

Datorită rezistenței și ușurinței lor, materialele din fibră de carbon sunt, de asemenea, utilizate în producția de carcase și cadrane de ceas . ^[17]

• 

  Chitară din fibră de carbon

• 

  Ceas cu cadran din fibră de carbon

Rezistența mecanică și termică ridicată a materialelor din fibră de carbon le face, de asemenea, potrivite pentru construcția de obiecte care trebuie să reziste la condiții extreme (de exemplu, temperatură și presiune ridicată), inclusiv:

• containere pentru gaze comprimate (de exemplu pentru aer comprimat )
• sonde spațiale ^[18]

Naveta spațială Scut termic din grafit armat cu fibră de carbon

Fibrele de carbon pot fi, de asemenea, asociate cu matrici din material nepolimeric. Datorită formării de carburi (de exemplu carbură de aluminiu , solubilă în apă) și a problemelor legate de fenomenele de coroziune , utilizarea carbonului în compozite cu matrice metalică este slab dezvoltată. Carbon-carbon (RCC) ranforsată carbon-carbon ^[19] constă dintr - o armătură din fibre de carbon într - o matrice de grafit și este utilizat în aplicații care necesită expunerea la temperaturi ridicate, cum ar fi în cazul vehiculului termic scuturi spațiale sau frânele cu Formula 1 mașini . Acest material este, de asemenea, utilizat pentru filtrarea gazelor la temperaturi ridicate, ca suprafață ridicată și electrod rezistent la coroziune și ca componentă antistatică .

Industria textila

Țesăturile filamentelor din fibră de carbon sunt utilizate în diferite procese, printre care se remarcă armarea materialului plastic, țeserea filamentelor și pultruziunea . Firele din fibră de carbon sunt clasificate în funcție de densitatea sa liniară (greutate pe unitate de lungime, cu 1 g / 1000 m = 1 tex ) sau în funcție de numărul de filamente pe fir. De exemplu, 200 tex la 3000 de filamente din fibră de carbon sunt de trei ori mai puternice decât 1000 fibre de carbon, dar și de trei ori mai grele. Acest fir poate fi folosit pentru a crea diverse țesături , aspectul cărora depinde în general de densitatea liniară a firului și de tipul de țesut efectuat. Unele tipuri de țesături utilizate în mod obișnuit sunt sârma , satinul și pânza .

Industria medicală

Fibra de carbon este utilizată din ce în ce mai mult pentru fabricarea echipamentelor medicale atât datorită transparenței cu raze X, cât și a robusteții sale. Putem găsi fibra de carbon pe:

• Mese pentru sprijinirea și poziționarea pacientului în camere cu raze X.
• Ajutoare pentru mobilitate, cum ar fi cârje ortopedice sau canadiene ^[20] , bastoane, plimbări sau scaune cu rotile
• Echipamente ortopedice, cum ar fi orteze , proteze sau exoschelete ^[21]

Notă

Bibliografie

• ( EN ) AAVV, "Fibre, 5. Sintetice anorganice - fibre de carbon", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2002, DOI : 10.1002 / 14356007.a11_001 .
• ( EN ) Deborah DL Chung, Compozite din fibră de carbon , Butterworth-Heinemann, 1994, ISBN 0-7506-9169-7 .
• ( EN ) Valeriĭ Ivanovich Kostikov, Fiber Science and Technology , Springer, 1995, ISBN 0-412-58440-9 .

Elemente conexe

• Carbon
• Nanotub de carbon
• Material compozit
• Tecnofibra

Alte proiecte

• Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre fibra de carbon

linkuri externe

• ( EN ) Fibra de carbon , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Portalul chimiei	Portal de proiectare
Portal de inginerie	Portalul de materiale