Introducción

Las fibras de carbono o fibras de carbono son fibras de aproximadamente 5-10 micrómetros de diámetro y compuestas principalmente de átomos de carbono. Las fibras de carbono tienen varias ventajas que incluyen alta rigidez, alta resistencia a la tracción, bajo peso, alta resistencia química, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica., Estas propiedades han hecho que la fibra de carbono sea muy popular en la industria aeroespacial, ingeniería civil, militar y automovilística, junto con otros deportes de competición. Sin embargo, son relativamente caros en comparación con fibras similares, como las fibras de vidrio o las fibras de plástico.,y se agrupan en:

basado en materiales de fibra precursores, las fibras de carbono se clasifican en:

  • fibras de carbono basadas en PAN
  • fibras de carbono basadas en Pitch
  • fibras de carbono basadas en pitch Mesofase
  • fibras de carbono basadas en pitch isotrópico
  • fibras de carbono basadas en Rayón
  • fibras de carbono cultivadas en fase gaseosa

basadas en la temperatura final del tratamiento térmico, las fibras se clasifican en:

  • tipo I, fibras de carbono de alto tratamiento térmico (htt), donde la temperatura final del tratamiento térmico debe estar por encima de 2000°C y puede asociarse con fibra de alto módulo.,
  • Tipo II, fibras de carbono de tratamiento térmico intermedio (IHT), donde la temperatura final del tratamiento térmico debe estar alrededor o por encima de 1500°C y puede asociarse con fibra de tipo de alta resistencia.
  • Tipo III, fibras de carbono de bajo tratamiento térmico, donde las temperaturas finales de tratamiento térmico no superiores a 1000°C. Estos son materiales de bajo módulo y baja resistencia.

proceso de fabricación

fibras de carbono de poliacrilonitrilo (PAN):

materias primas

La materia prima utilizada para hacer fibra de carbono se llama el precursor., Alrededor del 90% de las fibras de carbono producidas están hechas de poliacrilonitrilo. El 10% restante está hecho de rayón o Brea de petróleo. Todos estos materiales son polímeros orgánicos, caracterizados por largas cadenas de moléculas unidas entre sí por átomos de carbono. La composición exacta de cada precursor varía de una empresa a otra y generalmente se considera un secreto comercial. Durante el proceso de fabricación, se utilizan una variedad de gases y líquidos. Algunos de estos materiales están diseñados para reaccionar con la fibra para lograr un efecto específico., Otros materiales están diseñados para no reaccionar o prevenir ciertas reacciones con la fibra. Al igual que con los precursores, las composiciones exactas de muchos de estos materiales de proceso se consideran secretos comerciales.

el proceso de fabricación PAN

Figura 1


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Spinning

  • El polvo de plástico de acrilonitrilo se mezcla con otro plástico, como acrilato de metilo o metacrilato de metilo, y se hace reaccionar con un catalizador en un proceso de polimerización en suspensión o solución convencional para plástico poliacrilonitrilo.,
  • El plástico se hace girar en fibras utilizando uno de varios métodos diferentes. En algunos métodos, el plástico se mezcla con ciertos productos químicos y se bombea a través de pequeños chorros en un baño químico o cámara de enfriamiento donde el plástico se coagula y solidifica en fibras. Esto es similar al proceso utilizado para formar fibras textiles poliacrílicas. En otros métodos, la mezcla de plástico se calienta y se bombea a través de pequeños chorros en una cámara donde los disolventes se evaporan, dejando una fibra sólida., El paso de giro es importante porque la estructura atómica interna de la fibra se forma durante este proceso.
  • Las fibras se lavan y estiran hasta el diámetro de fibra deseado. El estiramiento ayuda a alinear las moléculas dentro de la fibra y proporciona la base para la formación de los cristales de carbono estrechamente unidos después de la carbonización.

estabilización

antes de que las fibras se carbonicen, deben ser alteradas químicamente para convertir su unión atómica lineal en una unión de escalera más estable térmicamente., Esto se logra calentando las fibras en el aire a aproximadamente 390-590° F (200-300° C) durante 30-120 minutos. Esto hace que las fibras recojan moléculas de oxígeno del aire y reorganicen su patrón de unión atómica. Las reacciones químicas estabilizadoras son complejas e implican varios pasos, algunos de los cuales ocurren simultáneamente. También generan su propio calor, que debe ser controlado para evitar el sobrecalentamiento de las fibras. Comercialmente, el proceso de estabilización utiliza una variedad de equipos y técnicas. En algunos procesos, las fibras se extraen a través de una serie de cámaras calentadas., En otros, las fibras pasan sobre rodillos calientes y a través de lechos de materiales sueltos mantenidos en suspensión por un flujo de aire caliente. Algunos procesos utilizan aire caliente mezclado con ciertos gases que aceleran químicamente la estabilización.

carbonización

Una vez que las fibras se estabilizan, se calientan a una temperatura de aproximadamente 1,830-5,500° F (1,000-3,000° C) durante varios minutos en un horno lleno con una mezcla de gas que no contiene oxígeno. La falta de oxígeno evita que las fibras se quemen en las temperaturas muy altas., La presión del gas dentro del horno se mantiene más alta que la presión del aire exterior y los puntos donde las fibras entran y salen del horno están sellados para evitar que el oxígeno entre. A medida que las fibras se calientan, comienzan a perder sus átomos no carbónicos, más algunos átomos de carbono, en forma de varios gases, incluidos vapor de agua, amoníaco, monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno y otros. A medida que los átomos de carbono no son expulsados, los átomos de carbono restantes forman cristales de carbono estrechamente unidos que están alineados más o menos paralelos al eje largo de la fibra., En algunos procesos, se utilizan dos hornos que funcionan a dos temperaturas diferentes para controlar mejor la velocidad de calentamiento durante la carbonización.

Figura 2


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tratar la superficie

después de carbonizar, las fibras tienen una superficie que no se adhiere bien a los epoxis y otros materiales utilizados en materiales compuestos. Para dar a las fibras mejores propiedades de unión, su superficie se oxida ligeramente., La adición de átomos de oxígeno a la superficie proporciona mejores propiedades de unión química y también graba y rugosa la superficie para mejores propiedades de unión mecánicas. La oxidación se puede lograr sumergiendo las fibras en varios gases como aire, dióxido de carbono u ozono; o en varios líquidos como hipoclorito de sodio o ácido nítrico. Las fibras también se pueden recubrir electrolíticamente haciendo que las fibras sean el terminal positivo en un baño lleno de varios materiales conductores de electricidad., El proceso de tratamiento de la superficie debe controlarse cuidadosamente para evitar la formación de pequeños defectos superficiales, como hoyos, que podrían causar fallas en la fibra.

dimensionamiento

  • Después del tratamiento de la superficie, las fibras están recubiertas para protegerlas de daños durante el bobinado o el tejido. Este proceso se llama dimensionamiento. Los materiales de recubrimiento se eligen para ser compatibles con el adhesivo utilizado para formar materiales compuestos. Los materiales de recubrimiento típicos incluyen epoxi, poliéster, nylon, uretano y otros.
  • 8 las fibras recubiertas se enrollan en cilindros llamados bobinas., Las bobinas se cargan en una máquina de hilar y las fibras se tuercen en hilos de varios tamaños.

propiedades

La fibra de carbono tiene una relación de alta resistencia a Peso (también conocida como resistencia específica)

La fuerza de un material es la fuerza por unidad de área en el fallo, dividida por su densidad. Cualquier material que sea fuerte y ligero tiene una relación fuerza/peso favorable. Materiales como aluminio, titanio, magnesio, carbono y fibra de vidrio, aleaciones de acero de alta resistencia tienen buenas relaciones de resistencia a Peso.,

La fibra de carbono es muy rígida

La rigidez o rigidez de un material se mide por su módulo Joven y mide cuánto se desvía un material bajo tensión. El plástico reforzado con fibra de carbono es más de 4 veces más rígido que el plástico reforzado con vidrio, casi 20 veces más que el pino, 2,5 veces mayor que el aluminio.

la fibra de carbono es resistente a la corrosión y químicamente estable

aunque la fibra de carbono no se deteriora, el epoxi es sensible a la luz solar y debe protegerse. Otras matrices (cualquiera que sea la fibra de carbono incrustada) también podrían ser reactivas.,

la fibra de carbono es eléctricamente conductora

Esta característica puede ser útil y ser una molestia. En la construcción de barcos se tiene que tener en cuenta al igual que la conductividad de aluminio entra en juego. La conductividad de la fibra de carbono puede facilitar la corrosión galvánica en los accesorios. Una instalación cuidadosa puede reducir este problema.

La resistencia a la fatiga es buena

La resistencia a la fatiga en compuestos de fibra de carbono es buena. Sin embargo, cuando la fibra de carbono falla por lo general falla catastróficamente sin mucho para anunciar su inminente ruptura., El daño en la fatiga por tracción se ve como una reducción en la rigidez con un mayor número de ciclos de esfuerzo, (a menos que la temperatura sea alta) la prueba ha demostrado que es poco probable que el fracaso sea un problema cuando las tensiones cíclicas coinciden con la orientación de la fibra. La fibra de carbono es superior al vidrio E en fatiga y resistencia estática, así como rigidez.

La fibra de carbono tiene una buena resistencia a la tracción

La resistencia a la tracción o la resistencia máxima, es la tensión máxima que un material puede soportar mientras se estira o tira antes de necking, o fallando., El cuello es cuando la sección transversal de la muestra comienza a contraerse significativamente. Si tomas una tira de bolsa de plástico, se estirará y en un momento comenzará a estrecharse. Esto es necking. Se mide en fuerza por unidad de área. Los materiales frágiles como la fibra de carbono no siempre fallan al mismo nivel de estrés debido a fallas internas. Fallan a pequeñas tensiones.

La prueba consiste en tomar una muestra con un área de sección transversal fija y luego tirarla aumentando gradualmente la fuerza hasta que la muestra cambie de forma o se rompa., Las fibras, como las fibras de carbono, que son solo 2/10, 000 de una pulgada de diámetro, se convierten en compuestos de formas apropiadas para probar.

Resistencia al fuego / no Flamable

dependiendo del proceso de fabricación y el material precursor, la fibra de carbono puede ser bastante suave y se puede convertir o integrar más a menudo en ropa protectora para la lucha contra incendios. La fibra recubierta de níquel es un ejemplo. Debido a que la fibra de carbono también es químicamente muy inerte, se puede usar donde hay fuego combinado con agentes corrosivos. Manta de fuego de fibra de carbono excusa los errores tipográficos.,

conductividad térmica de la fibra de carbono

la conductividad térmica es la cantidad de calor transmitida a través de un grosor de unidad, en una dirección normal a una superficie de área de unidad, debido a un gradiente de temperatura de unidad, en condiciones estables. En otras palabras, es una medida de la facilidad con la que el calor fluye a través de un material.

debido a que hay muchas variaciones en el tema de la fibra de carbono, no es posible identificar exactamente la conductividad térmica. Los tipos especiales de fibra de carbono han sido diseñados específicamente para alta o baja conductividad térmica., También hay esfuerzos para Mejorar esta característica.

bajo coeficiente de expansión térmica

Esta es una medida de cuánto se expande y contrae un material cuando la temperatura sube o baja. Las unidades están en pulgadas / pulgadas grado F, como en otras tablas, las unidades no son tan importantes como la comparación. En un mástil lo suficientemente alto, las diferencias en los coeficientes de expansión térmica de varios materiales pueden modificar ligeramente las tensiones del aparejo. El bajo coeficiente de expansión térmica hace que la fibra de carbono sea adecuada para aplicaciones donde los pequeños movimientos pueden ser críticos., Telescopio y otra maquinaria óptica es una de esas aplicaciones.

no venenoso, biológicamente inerte, Permeable a los rayos X

estas cualidades hacen que la fibra de carbono sea útil en aplicaciones médicas. El uso de prótesis, implantes y reparación de tendones, accesorios de rayos x, instrumentos quirúrgicos, están en desarrollo. Aunque no son venenosas, las fibras de carbono pueden ser bastante irritantes y la exposición sin protección a largo plazo debe limitarse. Sin embargo, la matriz, ya sea epoxi o poliéster, puede ser tóxica y debe ejercerse un cuidado adecuado.,

La fibra de carbono es relativamente cara

aunque ofrece ventajas excepcionales de resistencia, rigidez y reducción de peso, el costo es un elemento disuasorio. A menos que la ventaja de peso sea excepcionalmente importante, como en aplicaciones aeronáuticas o carreras, a menudo no vale la pena el costo adicional. El bajo requisito de mantenimiento de la fibra de carbono es una ventaja adicional.

es difícil cuantificar fresco y de moda. La fibra de carbono tiene un aura y una reputación que hace que los consumidores estén dispuestos a pagar más por el prestigio de tenerlo., Es posible que necesite menos en comparación con la fibra de vidrio y esto podría ser un ahorro.

las Fibras de Carbono son frágiles

Las capas en las fibras están formadas por fuertes enlaces covalentes. Las agregaciones en forma de hoja permiten fácilmente la propagación de grietas. Cuando las fibras se doblan, fallan a una tensión muy baja.

las Solicitudes

Características y Aplicaciones de las Fibras de Carbono

1., La fuerza física, resistencia específica, peso ligero

la industria Aeroespacial, la carretera y el transporte marítimo, artículos deportivos

2. Alta estabilidad dimensional, bajo coeficiente de expansión térmica y baja abrasión

misiles, frenos de aviones, antena aeroespacial y estructura de soporte, grandes telescopios, bancos ópticos, guías de onda para marcos de medición de precisión de alta frecuencia (GHz) estables

3., Buena amortiguación de vibraciones, Resistencia y tenacidad

equipo de Audio, Altavoces para equipos Hi-fi, brazos de recolección, brazos robóticos

4. Conductividad eléctrica

capillas de automóviles, herramientas novedosas, Carcasas y bases para equipos electrónicos, blindaje EMI y RF, cepillos

5., Biological inertness and x-ray permeability

Medical applications in prostheses, surgery and x-ray equipment, implants, tendon/ligament repair

6. Fatigue resistance, self-lubrication, high damping

Textile machinery, genera engineering

7., Inercia química, alta resistencia a la corrosión

industria química; campo nuclear; válvulas, sellos y componentes de bombas en plantas de proceso

8. Propiedades electromagnéticas

generador de Grandes anillos de retención, los equipos radiológicos

Conclusión

El último desarrollo en tecnología de fibra de carbono es de pequeños tubos de carbono llamados nanotubos. Estos tubos huecos, algunos tan pequeños como 0.00004 in (0.,001 mm) de diámetro, tienen propiedades mecánicas y eléctricas únicas que pueden ser útiles en la fabricación de nuevas fibras de alta resistencia, tubos de ensayo submicroscópicos, o posiblemente nuevos materiales semiconductores para circuitos integrados.


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