Fibra de carbon: ce este, tipuri, proprietăți ale materialelor și compozite

Ce este fibra de carbon?

Fibra de carbon este un material de înaltă performanță format din filamente lungi și subțiri de atomi de carbon - fiecare fir de aproximativ cinci până la zece micrometri în diametru, mai subțire decât un păr uman. Aceste filamente sunt legate între ele într-o structură cristalină aliniată de-a lungul axei fibrei, care este exact ceea ce conferă fibrei de carbon raportul remarcabil rezistență-greutate. Materialul nu este un metal, nu un plastic și nici o ceramică. Aparține unei categorii de materiale de inginerie avansată definită prin compoziția sa elementară: mai mult de 90% carbon în greutate.

Fibra de carbon este aproape întotdeauna folosită ca armătură într-un material matrice - cel mai frecvent o rășină epoxidice - pentru a forma ceea ce se numește compozit din fibră de carbon. Pe cont propriu, un singur fir de fibră de carbon este fragil și greu de manevrat. Dar atunci când mii de filamente sunt țesute într-o țesătură sau așezate în paralel și apoi încorporate într-o rășină de legare, panoul sau structura compozită rezultată devine unul dintre cele mai puternice, mai rigide și mai ușoare materiale de inginerie disponibile astăzi.

Termenii fibra de carbon şi fibra de carbon referiți-vă la același material - diferența de ortografie este pur și simplu engleza americană față de engleza britanică. În mod similar, „compozitul din fibră de carbon” și „polimerul armat cu fibră de carbon” (CFRP) sunt adesea folosite interschimbabil în contexte de inginerie și producție.

Din ce este fabricată fibra de carbon?

Materia primă folosită pentru producerea fibrei de carbon se numește a precursor . Precursorul dominant în producția comercială este poliacrilonitril (PAN) , un polimer sintetic care reprezintă aproximativ 90-95% din toată fibra de carbon produsă la nivel global. Restul este produs din smoală (un derivat din petrol sau gudron de cărbune) sau, în aplicații de specialitate, raion.

Procesul de producție transformă precursorul în fibră de carbon printr-o secvență de pași strict controlată:

1. Stabilizare — Fibra PAN este încălzită în aer la 200–300°C pentru a-și oxida și a stabiliza structura, împiedicând-o să se topească în etapa următoare.
2. Carbonizare — Fibra stabilizată este încălzită la 1.000–1.500°C într-o atmosferă inertă (fără oxigen), alungând majoritatea atomilor care nu sunt de carbon și lăsând în urmă o fibră care este de peste 90% carbon.
3. Grafitizarea (opțional) — Pentru clasele cu modul ultra-înalt, fibrele sunt încălzite în continuare la 2.500–3.000°C pentru a crește cristalinitatea și rigiditatea cu prețul unei anumite rezistențe la tracțiune.
4. Tratarea suprafeței și dimensionarea — Fibrele primesc un tratament de suprafață pentru a îmbunătăți lipirea cu rășinile matrice, apoi un strat protector subțire (dimensionare) înainte de a fi înfășurate pe bobine pentru transport.

Acest proces de fabricație consumatoare de energie este unul dintre motivele pentru care materiile prime din fibră de carbon au o majoră semnificativă de cost față de metalele tradiționale. Lanțul de materii prime din fibră de carbon - de la monomerul acrilonitril la fibra PAN până la câlți finiți din fibră de carbon - implică mai multe etape de procesare chimică înainte ca fibra să ajungă vreodată la un producător de compozite.

De unde provine fibra de carbon?

Producția globală de fibră de carbon este concentrată într-un număr mic de producători importanți. Japonia a dominat istoric industria, cu Industriile Toray fiind cel mai mare producător din lume, alături de Teijin și Mitsubishi Chemical. Capacitate semnificativă există și în Statele Unite (Hexcel, Solvay) și Germania (SGL Carbon). Producția internă chineză s-a extins rapid de la mijlocul anilor 2010, producători precum Zhongfu Shenying și Guangwei Composites apărând ca furnizori importanți la nivel mondial.

Chimia materiei prime se urmărește mai departe: acrilonitrilul - monomerul utilizat pentru fabricarea PAN - este derivat din propilenă, care provine din rafinarea petrolului sau procesarea gazelor naturale. Deci, în timp ce fibra de carbon este ea însăși un material avansat de înaltă tehnologie, originile sale se află în chimia convențională a hidrocarburilor. Fibra de carbon pe bază de smoală provine direct din subprodusele rafinării de petrol sau gudron de cărbune, făcându-l un produs în aval al prelucrării combustibililor fosili.

Precursorii pe bază de bio (cum ar fi alternativele PAN derivate din lignină) sunt un domeniu activ de cercetare, dar de la mijlocul anilor 2020, PAN derivat din petrol rămâne stşiardul comercial cu o marjă largă.

Tipuri de fibră de carbon: clase și clasificări

Nu toată fibra de carbon este la fel. Există mai multe moduri de a clasifica diferitele tipuri de fibră de carbon, cea mai comună fiind prin grad mecanic şi by tip precursor .

Clasificare după gradul mecanic

Clasificare după tipul de precursor

• Fibră de carbon pe bază de PAN — Standardul industriei; cel mai bun echilibru între rezistența la tracțiune și modulul. Folosit în industria aerospațială, auto, articole sportive și energie eoliană.
• Fibră de carbon pe bază de pitch — Produs din smoală de petrol sau gudron de cărbune; atinge mai ușor valori de modul ultra-înalte și oferă o conductivitate termică și electrică superioară. Favorizat în aplicații de management spațial și termic.
• Fibră de carbon pe bază de raion — O metodă de producție timpurie acum în mare parte depășită pentru aplicațiile structurale; încă folosit în unele contexte specializate ablative și izolante.

Dincolo de aceste tipuri de bază, fibrele de carbon sunt, de asemenea, clasificate după formatul lor de fibre: remorcare continuă (mănunchiuri de mii de filamente paralele, desemnate ca 1K, 3K, 6K, 12K, 24K sau 48K, în funcție de numărul de filamente), țesătură (țesătură simplă, twill, satin) și fibre tocate sau măcinate pentru utilizare în compozite turnate prin injecție.

Proprietățile materiale ale fibrei de carbon: Cât de tare și de puternică este?

Întrebarea „cât de tare este fibra de carbon” necesită o distincție între duritate şi rigiditate — două proprietăți care sunt adesea confundate. Duritate se referă la rezistența la zgârierea sau adâncirea suprafeței; rigiditate (modul) se referă la rezistența la deformare sub sarcină. Fibra de carbon are scoruri ridicate la rigiditate, dar nu este deosebit de dură în sensul convențional - suprafața de rășină a unui compozit CFRP poate fi zgâriată relativ ușor în comparație cu oțelul întărit sau ceramica.

Proprietățile materiale definitorii ale fibrei de carbon care o fac atât de valoroasă sunt:

• Rigiditate specifică extrem de mare — Fibra de carbon cu modul standard are un modul de tracțiune de ~230 GPa. Oțelul structural se află la ~200 GPa. Fibra de carbon realizează acest lucru cu o densitate de numai ~1,8 g/cm³ față de 7,85 g/cm³ a ​​oțelului, oferindu-i un raport rigiditate-greutate de aproximativ patru ori mai mare decât oțelul.
• Rezistență la tracțiune foarte mare — Filamentele din fibră de carbon pot atinge rezistențe la tracțiune de 3.500–7.000 MPa, în funcție de calitate, comparativ cu aproximativ 400–550 MPa pentru oțelul structural.
• Densitate scăzută — La 1,6–1,9 g/cm³, structurile compozite din fibră de carbon sunt cu aproximativ 70–75% mai ușoare decât piesele echivalente din oțel.
• Expansiune termică aproape de zero — Fibra de carbon are un coeficient de expansiune termică (CTE) foarte scăzut, ceea ce o face stabilă dimensional pe intervale largi de temperatură - critică pentru aerospațială și optică de precizie.
• Conductivitate electrică — Spre deosebire de fibra de sticlă, fibra de carbon este conducătoare de electricitate, ceea ce reprezintă atât un avantaj (ecrare EMI, protecție împotriva trăsnetului) cât și o considerație de proiectare (coroziune galvanică cu metale).
• Rezistenta chimica — Compozitele din fibră de carbon rezistă la majoritatea acizilor, solvenților și degradării mediului, deși expunerea la UV poate degrada matricea de rășină în timp fără acoperiri de protecție.

Principala limitare este fragilitatea sub sarcina de impact. Fibra de carbon nu se deformează plastic înainte de defectare, așa cum o fac metalele - se fracturează brusc, ceea ce are implicații pentru proiectarea structurii de impact și toleranța la daune în aplicațiile de inginerie.

Este fibra de carbon un compozit? Ce material este fibra de carbon, exact?

Da — polimerul armat cu fibră de carbon (CFRP) este un material compozit. Din punct de vedere tehnic, termenul „fibră de carbon” se referă la fibra în sine (faza de armare), în timp ce materialul pe care majoritatea oamenilor îl spun atunci când spun „fibră de carbon” într-un context industrial sau de consum este compozitul format prin combinarea acelei fibre cu o rășină matrice. Aceasta este o distincție importantă:

• Fibră de carbon = filamentul de fibră pură, o formă de carbon
• Fibră de carbon composite = matrice de fibră de carbon (de obicei epoxidice, poliester sau PEEK) formată într-o piesă laminată sau turnată

Un material compozit, prin definiție, combină două sau mai multe materiale constitutive cu proprietăți fizice sau chimice semnificativ diferite. În compozitele din fibră de carbon, fibra oferă rezistență la tracțiune și rigiditate, în timp ce matricea de rășină leagă fibrele, distribuie sarcinile între ele și le protejează de daunele mediului. Niciuna dintre componente nu ar atinge aceeași combinație de proprietăți ca și compozitul.

Cele mai comune materiale matrice din materialele compozite din fibră de carbon sunt:

• Rășină epoxidică — Standardul pentru aplicații aerospațiale și structurale de înaltă performanță; aderență excelentă, conținut scăzut de goluri, proprietăți mecanice bune.
• Poliester și vinilester — Costuri mai mici, utilizate în produse maritime, de construcții și de consum, unde performanța mecanică absolută este mai puțin critică.
• Matrici termoplastice (PEEK, PPS, nailon) — Folosit din ce în ce mai mult în industria auto și aerospațială pentru o rezistență îmbunătățită la impact, reciclabilitate și timpi de procesare mai rapid.
• Compozite cu matrice ceramică (CMC) — Fibre de carbon într-o matrice ceramică pentru medii cu temperaturi extreme, cum ar fi secțiunile fierbinți ale motoarelor cu reacție și vehiculele hipersonice.

Ce este făcut din fibră de carbon? Domenii cheie de aplicare

Gama de produse realizate din fibră de carbon s-a extins dramatic de la originile sale aerospațiale timpurii. Astăzi, compozitele din fibră de carbon apar în toate industriile acolo unde designerii trebuie să reducă greutatea fără a sacrifica performanța structurală:

• Aerospațial — Panourile fuselajului, învelișurile aripilor, pereții etanși și structurile interioare ale aeronavelor comerciale (Boeing 787 și Airbus A350 sunt ambele cu aproximativ 50% CFRP din greutate).
• Automobile — Panourile caroseriei, componentele șasiului, arborii de transmisie, structurile de impact și cadrele scaunelor în vehiculele de performanță, de lux și din ce în ce mai populare.
• Energia eoliană — Capacele lame ale turbinelor eoliene, unde combinația de rigiditate și greutate redusă îmbunătățește direct eficiența captării energiei.
• Articole sportive — Cadre de biciclete, rachete de tenis, arbori de crose de golf, bețe de hochei, vâsle de vâsle și undițe de pescuit - sectorul de consum care a făcut fibra de carbon pentru prima dată familiarizată.
• medical — Proteze, ortopedice, instrumente chirurgicale și echipamente de radioterapie (fibra de carbon este radiotransparentă, adică razele X trec prin ea).
• Infrastructura civila — Planșele de poduri, învelișul coloanelor pentru modernizarea seismică și armăturile din beton (bara de armătură din fibră de carbon nu se corodează).
• Electronice și recipiente sub presiune — Componente de șasiu pentru laptop și telefon pentru dispozitive high-end; butelii de stocare cu gaz comprimat și hidrogen pentru vehicule cu celule de combustie.

Piața globală a fibrei de carbon a fost evaluată la aproximativ 5,5 miliarde USD în 2023 și se preconizează că va crește cu o rată anuală compusă de 9-11% până în 2030, determinată în principal de expansiunea energiei eoliene și de cerințele de ușurare a automobilelor legate de reglementările privind emisiile..