Introduzione

Le fibre di carbonio o fibre di carbonio sono fibre di circa 5-10 micrometri di diametro e composte principalmente da atomi di carbonio. Le fibre di carbonio presentano diversi vantaggi tra cui elevata rigidità, elevata resistenza alla trazione, peso ridotto, elevata resistenza chimica, tolleranza alle alte temperature e bassa espansione termica., Queste proprietà hanno reso la fibra di carbonio molto popolare nel settore aerospaziale, ingegneria civile, militare e motorsports, insieme ad altri sport da competizione. Tuttavia, sono relativamente costosi rispetto a fibre simili, come fibre di vetro o fibre di plastica.,un essere raggruppate in:

Basato su precursore materiali compositi, fibre di carbonio sono classificati in:

  • PAN a base di fibre di carbonio
  • Passo a base di fibre di carbonio
  • Mesofase passo a base di fibre di carbonio
  • Isotropo passo a base di fibre di carbonio
  • Rayon a base di fibre di carbonio
  • in fase Gas, coltivate con fibre di carbonio

Basato sul trattamento termico finale di temperatura, le fibre di carbonio sono classificati in:

  • Tipo I, di alto calore-trattamento di fibre di carbonio (HTT), dove il trattamento termico finale di temperatura deve essere superiore a 2000°C e può essere associato ad alto modulo tipo di fibra.,
  • Tipo-II, fibre del carbonio del intermedio-trattamento termico (IHT), dove la temperatura finale del trattamento termico dovrebbe essere intorno o sopra 1500°C e può essere associata con il tipo ad alta resistenza fibra.
  • Tipo-III, fibre di carbonio a basso trattamento termico, dove temperature di trattamento termico finale non superiori a 1000°C. Si tratta di materiali a basso modulo e bassa resistenza.

Processo di produzione

Fibre di carbonio da poliacrilonitrile (PAN):

Materie prime

La materia prima utilizzata per produrre la fibra di carbonio è chiamata precursore., Circa il 90% delle fibre di carbonio prodotte sono realizzate in poliacrilonitrile. Il restante 10% è realizzato in rayon o pece di petrolio. Tutti questi materiali sono polimeri organici, caratterizzati da lunghe stringhe di molecole legate tra loro da atomi di carbonio. La composizione esatta di ciascun precursore varia da una società all’altra ed è generalmente considerata un segreto commerciale. Durante il processo di produzione, vengono utilizzati una varietà di gas e liquidi. Alcuni di questi materiali sono progettati per reagire con la fibra per ottenere un effetto specifico., Altri materiali sono progettati per non reagire o per prevenire determinate reazioni con la fibra. Come con i precursori, le composizioni esatte di molti di questi materiali di processo sono considerati segreti commerciali.

Il Processo di Fabbricazione PAN

Figura 1


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Spinning

  • Acrilonitrile plastica in polvere viene miscelato con un altro di plastica, come acrilato di metile o metacrilato di metile, e hanno reagito con un catalizzatore convenzionali, la sospensione o la soluzione processo di polimerizzazione per formare un poliacrilonitrile di plastica.,
  • La plastica viene quindi filata in fibre utilizzando uno dei diversi metodi. In alcuni metodi, la plastica viene miscelata con determinate sostanze chimiche e pompata attraverso piccoli getti in un bagno chimico o in una camera di tempra in cui la plastica coagula e solidifica in fibre. Questo è simile al processo utilizzato per formare fibre tessili poliacriliche. In altri metodi, la miscela di plastica viene riscaldata e pompata attraverso piccoli getti in una camera dove i solventi evaporano, lasciando una fibra solida., La fase di filatura è importante perché la struttura atomica interna della fibra si forma durante questo processo.
  • Le fibre vengono quindi lavate e allungate fino al diametro della fibra desiderato. Lo stretching aiuta ad allineare le molecole all’interno della fibra e fornisce la base per la formazione dei cristalli di carbonio strettamente legati dopo la carbonizzazione.

Stabilizzazione

Prima che le fibre siano carbonizzate, devono essere modificate chimicamente per convertire il loro legame atomico lineare in un legame a scala più termicamente stabile., Questo si ottiene riscaldando le fibre in aria a circa 390-590° F (200-300° C) per 30-120 minuti. Ciò fa sì che le fibre raccolgano molecole di ossigeno dall’aria e riorganizzino il loro modello di legame atomico. Le reazioni chimiche stabilizzanti sono complesse e coinvolgono diversi passaggi, alcuni dei quali si verificano contemporaneamente. Generano anche il proprio calore, che deve essere controllato per evitare il surriscaldamento delle fibre. Commercialmente, il processo di stabilizzazione utilizza una varietà di attrezzature e tecniche. In alcuni processi, le fibre vengono disegnate attraverso una serie di camere riscaldate., In altri, le fibre passano sopra rulli caldi e attraverso letti di materiali sfusi tenuti in sospensione da un flusso di aria calda. Alcuni processi utilizzano aria riscaldata mescolata con determinati gas che accelerano chimicamente la stabilizzazione.

Carbonizzazione

Una volta che le fibre sono stabilizzate, vengono riscaldate ad una temperatura di circa 1.830-5.500° F (1.000-3.000° C) per diversi minuti in un forno riempito con una miscela di gas che non contiene ossigeno. La mancanza di ossigeno impedisce alle fibre di bruciare nelle temperature molto elevate., La pressione del gas all’interno del forno è mantenuta superiore alla pressione dell’aria esterna e i punti in cui le fibre entrano ed escono dal forno sono sigillati per impedire l’ingresso di ossigeno. Quando le fibre vengono riscaldate, iniziano a perdere i loro atomi non di carbonio, più alcuni atomi di carbonio, sotto forma di vari gas tra cui vapore acqueo, ammoniaca, monossido di carbonio, anidride carbonica, idrogeno, azoto e altri. Quando gli atomi non di carbonio vengono espulsi, i restanti atomi di carbonio formano cristalli di carbonio strettamente legati che sono allineati più o meno paralleli all’asse lungo della fibra., In alcuni processi, vengono utilizzati due forni funzionanti a due temperature diverse per controllare meglio la velocità di de riscaldamento durante la carbonizzazione.

Figura 2


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Trattare la superficie

Dopo la carbonizzazione, le fibre hanno una superficie che non si lega bene con gli epossidici e altri materiali utilizzati nei materiali compositi. Per dare alle fibre migliori proprietà di legame, la loro superficie è leggermente ossidata., L’aggiunta di atomi di ossigeno alla superficie fornisce migliori proprietà di legame chimico e anche incide e irruvidisce la superficie per migliori proprietà di legame meccanico. L’ossidazione può essere ottenuta immergendo le fibre in vari gas come aria, anidride carbonica o ozono; o in vari liquidi come ipoclorito di sodio o acido nitrico. Le fibre possono anche essere rivestite elettroliticamente rendendo le fibre il terminale positivo in un bagno riempito con vari materiali elettricamente conduttivi., Il processo di trattamento superficiale deve essere attentamente controllato per evitare di formare piccoli difetti superficiali, come i pozzi, che potrebbero causare guasti alle fibre.

Dimensionamento

  • Dopo il trattamento superficiale, le fibre sono rivestite per proteggerle dai danni durante l’avvolgimento o la tessitura. Questo processo è chiamato dimensionamento. I materiali di rivestimento sono scelti per essere compatibili con l’adesivo utilizzato per formare materiali compositi. I materiali di rivestimento tipici includono resina epossidica, poliestere, nylon, uretano e altri.
  • 8 Le fibre rivestite sono avvolte su cilindri chiamati bobine., Le bobine vengono caricate in un filatoio e le fibre vengono intrecciate in filati di varie dimensioni.

Proprietà

La fibra di carbonio ha un elevato rapporto resistenza / peso (noto anche come resistenza specifica)

La forza di un materiale è la forza per unità di area in caso di guasto, divisa per la sua densità. Qualsiasi materiale che è forte e leggero ha un favorevole rapporto Forza / peso. Materiali come alluminio, titanio, magnesio, carbonio e fibra di vetro, leghe di acciaio ad alta resistenza hanno tutti buoni rapporti resistenza / peso.,

La fibra di carbonio è molto rigida

La rigidità o la rigidità di un materiale è misurata dal suo modulo giovane e misura quanto un materiale devia sotto stress. La plastica rinforzata con fibra di carbonio è più di 4 volte più rigida della plastica rinforzata con vetro, quasi 20 volte più del pino, 2,5 volte maggiore dell’alluminio.

La fibra di carbonio è resistente alla corrosione e chimicamente stabile

Sebbene la fibra di carbonio stessa non si deteriori, la resina epossidica è sensibile alla luce solare e deve essere protetta. Altre matrici (qualunque sia la fibra di carbonio è inserita) potrebbero anche essere reattive.,

La fibra di carbonio è elettricamente conduttiva

Questa funzione può essere utile ed essere un fastidio. Nella costruzione di barche Deve essere preso in considerazione proprio come la conduttività dell’alluminio entra in gioco. La conducibilità della fibra del carbonio può facilitare la corrosione galvanica in montaggi. Un’installazione accurata può ridurre questo problema.

La resistenza alla fatica è buona

La resistenza alla fatica nei compositi in fibra di carbonio è buona. Tuttavia, quando la fibra di carbonio fallisce di solito fallisce catastroficamente senza molto da annunciare la sua rottura imminente., Danni in fatica di trazione è visto come riduzione della rigidità con un numero maggiore di cicli di stress, (a meno che la temperatura è alta) Test hanno dimostrato che il fallimento è improbabile che sia un problema quando sollecitazioni cicliche coincidono con l’orientamento della fibra. La fibra di carbonio è superiore al vetro E in termini di fatica e resistenza statica e rigidità.

La fibra di carbonio ha una buona resistenza alla trazione

La resistenza alla trazione o la resistenza finale, è lo stress massimo che un materiale può sopportare mentre viene allungato o tirato prima del collo, o in mancanza., Il collo è quando la sezione trasversale del campione inizia a contrarsi in modo significativo. Se prendi una striscia di sacchetto di plastica, si allungherà e ad un certo punto inizierà a restringersi. Questo è necking. È misurato in forza per unità di superficie. Materiali fragili come la fibra di carbonio non sempre falliscono allo stesso livello di stress a causa di difetti interni. Falliscono a piccoli sforzi.

Il test consiste nel prelevare un campione con un’area a sezione fissa e quindi tirarlo aumentando gradualmente la forza fino a quando il campione non cambia forma o si rompe., Le fibre, come le fibre di carbonio, essendo solo 2/10, 000 th di un pollice di diametro, sono trasformate in compositi di forme appropriate per testare.

Resistenza al fuoco/Non infiammabile

A seconda del processo di produzione e del materiale precursore, la fibra di carbonio può essere abbastanza morbida e può essere trasformata o più spesso integrata in indumenti protettivi per la lotta antincendio. La fibra rivestita di nichel è un esempio. Poiché la fibra di carbonio è anche chimicamente molto inerte, può essere utilizzata dove c’è fuoco combinato con agenti corrosivi. Coperta antincendio in fibra di carbonio scusa gli errori di battitura.,

Conducibilità termica della fibra di carbonio

La conducibilità termica è la quantità di calore trasmessa attraverso uno spessore unitario, in una direzione normale a una superficie di unità di superficie, a causa di un gradiente di temperatura unitario, in condizioni stabili. In altre parole è una misura di quanto facilmente il calore scorre attraverso un materiale.

Poiché ci sono molte variazioni sul tema della fibra di carbonio non è possibile individuare esattamente la conduttività termica. Tipi speciali di fibra di carbonio sono stati specificamente progettati per alta o bassa conducibilità termica., Ci sono anche sforzi per migliorare questa funzione.

Basso coefficiente di dilatazione termica

Questa è una misura di quanto un materiale si espande e si contrae quando la temperatura sale o scende. Le unità sono in pollici / pollici grado F, come in altre tabelle, le unità non sono così importanti come il confronto. In un albero abbastanza alto differenze di coefficienti di dilatazione termica di vari materiali possono modificare leggermente le tensioni rig. Il basso coefficiente di espansione termica rende la fibra di carbonio adatta per applicazioni in cui piccoli movimenti possono essere critici., Telescopio e altri macchinari ottici è una di queste applicazioni.

Non velenoso, biologicamente inerte, permeabile ai raggi X

Queste qualità rendono la fibra di carbonio utile nelle applicazioni mediche. L’uso della protesi, gli impianti e la riparazione del tendine, gli accessori a raggi X gli strumenti chirurgici, sono tutti in fase di sviluppo. Anche se non velenosi, le fibre di carbonio possono essere abbastanza irritanti e l’esposizione non protetta a lungo termine deve essere limitata. La matrice epossidica o poliestere, tuttavia, può essere tossica e deve essere esercitata una cura adeguata.,

La fibra di carbonio è relativamente costosa

Anche se offre eccezionali vantaggi di resistenza, rigidità e riduzione del peso, il costo è un deterrente. A meno che il vantaggio di peso non sia eccezionalmente importante, come nelle applicazioni aeronautiche o nelle corse, spesso non vale il costo aggiuntivo. Il basso requisito di manutenzione della fibra di carbonio è un ulteriore vantaggio.

È difficile quantificare fresco e alla moda. La fibra di carbonio ha un’aura e una reputazione che rende i consumatori disposti a pagare di più per il cachet di averlo., Potrebbe essere necessario meno rispetto alla fibra di vetro e questo potrebbe essere un risparmio.

Le fibre di carbonio sono fragili

Gli strati nelle fibre sono formati da forti legami covalenti. Le aggregazioni simili a fogli consentono facilmente la propagazione di crepe. Quando le fibre si piegano, falliscono a uno sforzo molto basso.

Applicazioni

Caratteristiche e applicazioni delle fibre di carbonio

1., Forza fisica, durezza specifica, peso leggero

Aerospaziale, strada e trasporto marittimo, articoli sportivi

2. Elevata stabilità dimensionale, basso coefficiente di espansione termica e una bassa abrasione

Missili, aerei freni, aerospaziale antenna e la struttura di sostegno, grandi telescopi, banchi ottici, guide d’onda per la stabilità ad alta frequenza (GHz) precisione di misura frame

3., Buona smorzamento delle vibrazioni, resistenza e tenacità

Apparecchiature audio, altoparlanti per apparecchiature Hi-fi, pickup arms, robot arms

4. Conduttività elettrica

Cappe per automobili, nuovi utensili, involucri e basi per apparecchiature elettroniche, schermatura EMI e RF, spazzole

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., Inerzia chimica, elevata resistenza alla corrosione

industria Chimica; campo nucleare; valvole, guarnizioni e componenti per pompe negli impianti di processo

8. Proprietà elettromagnetiche

Grande generatore di anelli di tenuta, apparecchiature radiologiche

Conclusione

L’ultimo sviluppo nella tecnologia della fibra di carbonio è minuscoli tubi di carbonio chiamato nanotubi. Questi tubi cavi, alcuni piccoli come 0.00004 in (0.,001 mm) di diametro, hanno proprietà meccaniche ed elettriche uniche che possono essere utili nella realizzazione di nuove fibre ad alta resistenza, provette submicroscopiche o eventualmente nuovi materiali semiconduttori per circuiti integrati.


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