introducere

fibrele de Carbon sau fibrele de carbon sunt fibre cu diametrul de aproximativ 5-10 micrometri și sunt compuse în mare parte din atomi de carbon. Fibrele de Carbon au mai multe avantaje, inclusiv rigiditate ridicată, rezistență ridicată la tracțiune, greutate redusă, rezistență chimică ridicată, toleranță la temperaturi ridicate și dilatare termică scăzută., Aceste proprietăți au făcut fibra de carbon foarte populară în industria aerospațială, Inginerie civilă, militară și sporturi cu motor, împreună cu alte sporturi de competiție. Cu toate acestea, ele sunt relativ scumpe în comparație cu fibre similare, cum ar fi fibrele de sticlă sau fibrele de plastic.,o fi grupate în:

pe Baza de precursori de materiale de fibre, fibre de carbon sunt clasificate în:

  • TIGAIE pe bază de fibre de carbon
  • Teren pe bază de fibre de carbon
  • Mesophase teren pe bază de fibre de carbon
  • Izotrop teren pe bază de fibre de carbon
  • Raional pe bază de fibre de carbon
  • Gaz-faza crescut de fibre de carbon

pe Baza finală de tratament termic temperatura, fibrele de carbon sunt clasificate în:

  • de Tip I, de înaltă tratament termic fibre de carbon (HTT), unde finală de tratament termic temperatura trebuie să fie de peste 2000°C și poate fi asociat cu high-modulus tip de fibre.,
  • tip-II, fibre de carbon intermediare-tratament termic (IHT), în cazul în care temperatura finală de tratament termic ar trebui să fie în jurul sau peste 1500°C și poate fi asociată cu fibre de tip de înaltă rezistență.
  • tip III, fibre de carbon cu tratament termic scăzut, unde temperaturile finale de tratament termic nu depășesc 1000°C. Acestea sunt module scăzute și materiale cu rezistență redusă.Fibre de Carbon din poliacrilonitril (PAN):

    materii prime

    materia primă utilizată pentru fabricarea fibrei de carbon se numește precursor., Aproximativ 90% din fibrele de carbon produse sunt fabricate din poliacrilonitril. Restul de 10% sunt fabricate din raion sau smoală de petrol. Toate aceste materiale sunt polimeri organici, caracterizați prin șiruri lungi de molecule legate între ele de atomi de carbon. Compoziția exactă a fiecărui precursor variază de la o companie la alta și este în general considerată un secret comercial. În timpul procesului de fabricație, se utilizează o varietate de gaze și lichide. Unele dintre aceste materiale sunt concepute pentru a reacționa cu fibra pentru a obține un efect specific., Alte materiale sunt concepute pentru a nu reacționa sau pentru a preveni anumite reacții cu fibra. Ca și în cazul precursorilor, compozițiile exacte ale multor dintre aceste materiale de proces sunt considerate secrete comerciale.

    Procesul De Fabricație PAN

    Figura 1


    Click pe imagine pentru a o mări

    Filare

    • Acrilonitril plastic pulbere este amestecat cu un alt plastic, ca acrilat de metil sau metacrilat de metil, și a reacționat cu un catalizator în suspensie convențională sau soluție procesului de polimerizare pentru a forma un poliacrilonitril plastic.,
    • plasticul este apoi Filat în fibre folosind una din mai multe metode diferite. În unele metode, plasticul este amestecat cu anumite substanțe chimice și pompat prin jeturi mici într-o baie chimică sau o cameră de stingere unde plasticul coagulează și se solidifică în fibre. Acest lucru este similar cu procesul utilizat pentru a forma fibre textile poliacrilice. În alte metode, amestecul de plastic este încălzit și pompat prin jeturi mici într-o cameră în care solvenții se evaporă, lăsând o fibră solidă., Pasul de filare este important deoarece structura atomică internă a fibrei se formează în timpul acestui proces.
    • fibrele sunt apoi spălate și întinse la diametrul dorit al fibrei. Întinderea ajută la alinierea moleculelor din fibră și oferă baza pentru formarea cristalelor de carbon strâns legate după carbonizare.înainte ca fibrele să fie carbonizate, acestea trebuie modificate chimic pentru a transforma legătura lor atomică liniară într-o legătură mai stabilă termic., Acest lucru se realizează prin încălzirea fibrelor în aer la aproximativ 390-590° F (200-300° C) timp de 30-120 minute. Acest lucru face ca fibrele să ridice moleculele de oxigen din aer și să-și rearanjeze modelul de legătură atomică. Reacțiile chimice stabilizatoare sunt complexe și implică mai multe etape, dintre care unele apar simultan. De asemenea, își generează propria căldură, care trebuie controlată pentru a evita supraîncălzirea fibrelor. Comercial, procesul de stabilizare utilizează o varietate de echipamente și tehnici. În unele procese, fibrele sunt trase printr-o serie de camere încălzite., În altele, fibrele trec peste rolele fierbinți și prin paturi de materiale libere ținute în suspensie de un flux de aer cald. Unele procese utilizează aer încălzit amestecat cu anumite gaze care accelerează chimic stabilizarea.odată ce fibrele sunt stabilizate, acestea sunt încălzite la o temperatură de aproximativ 1.830-5.500° F (1.000-3.000° C) timp de câteva minute într-un cuptor umplut cu un amestec de gaze care nu conține oxigen. Lipsa oxigenului împiedică arderea fibrelor la temperaturi foarte ridicate., Presiunea gazului din interiorul cuptorului este menținută mai mare decât presiunea aerului exterior, iar punctele în care fibrele intră și ies din cuptor sunt sigilate pentru a împiedica intrarea oxigenului. Ca fibrele sunt încălzite, ei încep să-și piardă non-atomi de carbon, plus câțiva atomi de carbon, sub formă de diverse gaze, inclusiv vapori de apă, amoniac, monoxid de carbon, dioxid de carbon, hidrogen, azot, și altele. Pe măsură ce atomii non-carbon sunt expulzați, atomii de carbon rămași formează cristale de carbon strâns legate, care sunt aliniate mai mult sau mai puțin paralele cu axa lungă a fibrei., În unele procese, două cuptoare care funcționează la două temperaturi diferite sunt utilizate pentru a controla mai bine rata de încălzire în timpul carbonizării.

      Figura 2


      Click pe imagine pentru a o mări

      Tratarea de suprafață

      După carbonizare, fibrele au o suprafață care nu se leagă bine cu epoxidice și alte materiale utilizate în materiale compozite. Pentru a conferi fibrelor proprietăți mai bune de lipire, suprafața lor este ușor oxidată., Adăugarea atomilor de oxigen la suprafață oferă proprietăți de lipire chimică mai bune și, de asemenea, gravează și rugozitate suprafața pentru proprietăți mecanice mai bune de lipire. Oxidarea poate fi realizată prin imersarea fibrelor în diferite gaze, cum ar fi aerul, dioxidul de carbon sau ozonul; sau în diferite lichide, cum ar fi hipocloritul de sodiu sau acidul azotic. Fibrele pot fi, de asemenea, acoperite electrolitic făcând fibrele borna pozitivă într-o baie umplută cu diverse materiale conductive electric., Procesul de tratare a suprafeței trebuie controlat cu atenție pentru a evita formarea defectelor mici de suprafață, cum ar fi gropile, care ar putea provoca defectarea fibrelor.după tratamentul de suprafață, fibrele sunt acoperite pentru a le proteja de deteriorare în timpul înfășurării sau țeserii. Acest proces se numește dimensionare. Materialele de acoperire sunt alese pentru a fi compatibile cu adezivul utilizat pentru a forma materiale compozite. Materialele tipice de acoperire includ epoxidice, poliester, nailon, uretan și altele.

    • 8 fibrele acoperite sunt înfășurate pe cilindri numiți bobine., Bobinele sunt încărcate într-o mașină de filare, iar fibrele sunt răsucite în fire de diferite dimensiuni.fibra de Carbon are o rezistență ridicată la raportul greutate (de asemenea, cunoscut sub numele de rezistență specifică)

      rezistența unui material este forța pe unitatea de suprafață la eșec, împărțită la densitatea sa. Orice material care este puternic și ușor are un raport favorabil rezistență / greutate. Materiale precum aluminiu, titan, magneziu, Carbon și fibră de sticlă, aliajele de oțel de înaltă rezistență au toate raporturi bune de rezistență la greutate.,

      fibra de Carbon este foarte rigidă

      rigiditatea sau rigiditatea unui material este măsurată prin modulul său tânăr și măsoară cât de mult un material deviază sub stres. Plasticul armat cu fibră de Carbon este de peste 4 ori mai rigid decât plasticul armat cu sticlă, de aproape 20 de ori mai mult decât pinul, de 2,5 ori mai mare decât aluminiul. deși fibra de carbon în sine nu se deteriorează, epoxidul este sensibil la lumina soarelui și trebuie protejat. Alte matrice (indiferent de fibra de carbon este încorporat în) ar putea fi, de asemenea, reactive.,fibra de Carbon este conductivă Electric această caracteristică poate fi utilă și poate fi o problemă. În construcția bărcilor trebuie să fie luată în considerare la fel cum intră în joc conductivitatea aluminiului. Conductivitatea fibrei de Carbon poate facilita coroziunea galvanică în fitinguri. Instalarea atentă poate reduce această problemă.rezistența la oboseală este bună rezistența la oboseală în compozitele din fibră de Carbon este bună. Cu toate acestea, atunci când fibra de carbon nu reușește, de obicei, eșuează catastrofal, fără să anunțe prea mult ruperea iminentă., Deteriorarea oboselii la tracțiune este văzută ca o reducere a rigidității cu un număr mai mare de cicluri de stres (cu excepția cazului în care temperatura este înaltă) testul a arătat că eșecul este puțin probabil să fie o problemă atunci când tensiunile ciclice coincid cu orientarea fibrei. Fibra de Carbon este superioară sticlei E în ceea ce privește oboseala și rezistența statică, precum și rigiditatea.fibra de Carbon are o bună rezistență la tracțiune rezistența la tracțiune sau rezistența finală, este stresul maxim pe care un material îl poate rezista în timp ce este întins sau tras înainte de gâtuire sau defect., Gâtuirea este atunci când secțiunea transversală a eșantionului începe să se contracte semnificativ. Dacă luați o bandă de pungă de plastic, se va întinde și la un moment dat va începe să se îngusteze. Acest lucru este necking. Se măsoară în forță pe unitatea de suprafață. Materialele fragile, cum ar fi fibra de carbon, nu eșuează întotdeauna la același nivel de stres din cauza defectelor interne. Ei nu reușesc la tulpini mici.testarea implică prelevarea unui eșantion cu o zonă fixă de secțiune transversală și apoi tragerea acestuia crescând treptat forța până când eșantionul își schimbă forma sau se rupe., Fibrele, cum ar fi fibrele de carbon,fiind doar 2/10, 000 th de un inch în diametru, sunt realizate în compozite de forme adecvate pentru a testa.în funcție de procesul de fabricație și materialul precursor, fibra de carbon poate fi destul de moale și poate fi făcută în sau mai des integrată în îmbrăcăminte de protecție pentru stingerea incendiilor. Fibra acoperită cu nichel este un exemplu. Deoarece fibra de carbon este, de asemenea, foarte inertă din punct de vedere chimic, poate fi utilizată acolo unde există foc combinat cu agenți corozivi. Pătură de Foc din fibră de Carbon scuză greșelile de scriere.,conductivitatea termică a fibrei de Carbon conductivitatea termică este cantitatea de căldură transmisă printr-o grosime a unității, într-o direcție normală către o suprafață a unității, din cauza unui gradient de temperatură a unității, în condiții constante. Cu alte cuvinte sale o măsură de cât de ușor de căldură curge printr-un material.deoarece există multe variații pe tema fibrei de carbon, nu este posibil să se identifice exact conductivitatea termică. Tipurile speciale de fibră de Carbon au fost proiectate special pentru o conductivitate termică ridicată sau scăzută., Există, de asemenea, eforturi pentru a îmbunătăți această caracteristică.aceasta este o măsură a cât de mult un material se extinde și contracte atunci când temperatura merge în sus sau în jos. Unitățile sunt în Grad Inch / inch F, ca și în alte tabele, unitățile nu sunt atât de importante ca comparația. Într-un suficient de mare diferențele catarg în coeficienții de dilatare termică a diferitelor materiale pot modifica ușor tensiunile Amator. Coeficientul scăzut de dilatare termică face ca fibra de carbon să fie potrivită pentru aplicații în care mișcările mici pot fi critice., Telescop și alte mașini optice este o astfel de aplicație.aceste calități fac ca fibra de Carbon să fie utilă în aplicațiile medicale. Utilizarea protezelor, implanturile și repararea tendoanelor, instrumentele chirurgicale cu accesorii cu raze x sunt toate în dezvoltare. Deși nu sunt otrăvitoare, fibrele de carbon pot fi destul de iritante și expunerea neprotejată pe termen lung trebuie limitată. Matricea fie epoxidică, fie poliester, poate fi totuși toxică și trebuie exercitată o îngrijire adecvată.,deși oferă avantaje excepționale de rezistență, rigiditate și reducerea greutății, costul este un factor de descurajare. Cu excepția cazului în care avantajul de greutate este extrem de important, cum ar fi în aplicații aeronautice sau curse, de multe ori nu merită costul suplimentar. Cerința scăzută de întreținere a fibrei de carbon este un avantaj suplimentar.este dificil de cuantificat rece și la modă. Fibra de Carbon are o aură și o reputație care îi face pe consumatori dispuși să plătească mai mult pentru cachet-ul de a-l avea., S-ar putea nevoie de mai puțin de ea în comparație cu fibra de sticla si acest lucru ar putea fi o economie.fibrele de Carbon sunt fragile straturile din fibre sunt formate din legături covalente puternice. Agregările asemănătoare foilor permit cu ușurință propagarea fisurilor. Când fibrele se îndoaie, acestea eșuează la o tensiune foarte scăzută.

      Aplicații

      Caracteristici și Aplicații de Fibre de Carbon

      1., Puterea fizică, specifice durabilitate, greutate de lumină

      industria Aerospațială, auto și de transport maritim, articole sportive

      2. Stabilitate dimensionala mare, coeficient scăzut de dilatare termică, și abraziune scăzută

      Rachete, avioane frâne, industria aerospațială antenă și structura de sprijin, mari telescoape optice banci, oscilante stabile și de înaltă frecvență (GHz) precizie de măsurare de cadre

      3., Div id=”5dba580bc3″ >

      Echipamente Audio, Difuzoare pentru echipamente Hi-fi, brațe de preluare, brațe robot

      4. Conductivitatea electrică

      Automobile hote, roman scule, carcase și suporturi pentru echipamente electronice, EMI și RF de protectie, perii

      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., Inerția chimică, rezistență ridicată la coroziune

      industria Chimică; domeniul nuclear; supape, garnituri, și componentele pompei în proces de plante

      8. Proprietăți electromagnetice

      Mare generator de inele de fixare, echipamente radiologice

      Concluzie

      Cele mai recente de dezvoltare în tehnologie fibra de carbon este mic de carbon tuburi numite nanotuburi. Aceste tuburi goale, unele la fel de mici ca 0.00004 în (0.,001 mm) în diametru, au proprietăți mecanice și electrice unice care pot fi utile în fabricarea de noi fibre de înaltă rezistență, eprubete submicroscopice sau, eventual, noi materiale semiconductoare pentru circuite integrate.


      Acest lucru este licențiat sub Creative Commons Atribuire 4.0 Internațional de conducere.