Tabla de Contenidos
Fibra de carbon , numită și fibră de grafit, este o fibră sintetică compusă din filamente foarte fine, de 5 până la 10 microni în diametru, dintr-un polimer al cărui element principal este carbonul. O fibră de carbon se obține prin țeserea și prelucrarea a mii de aceste filamente subțiri. Aceste filamente au o rezistență mare la tracțiune, deci sunt extrem de rezistente pentru grosimea lor. O formă de fibră de carbon, nanotubul de carbon, este considerată cel mai rezistent material care poate fi realizat. În general, fibrele de carbon au proprietăți asemănătoare cu oțelul, deși sunt mult mai ușoare, cu o densitate asemănătoare lemnului sau plasticului.
Există multiple aplicații pentru fibrele de carbon: în construcții, în tehnologia aerospațială, în vehicule de înaltă performanță, în diverse aplicații de inginerie, în echipamente sportive, în instrumente muzicale.
Fibrele de carbon au diverse aplicații legate de energie, cum ar fi fabricarea palelor de turbine eoliene; De asemenea, sunt utilizate în sistemele de stocare a gazelor naturale și în acumulatorii electrici pentru vehicule. În industria aviației, acest material este utilizat atât în aeronavele comerciale, cât și în cele militare, precum și în vehiculele aeriene fără pilot. Ele sunt, de asemenea, utilizate la fabricarea de platforme și conducte pentru prospectarea și exploatarea petrolului de adâncime.
Filamentele care alcătuiesc fibra de carbon sunt formate din polimeri organici: lanțuri lungi de compuși de carbon care sunt produse prin unirea repetată a aceleiași molecule, numită monomer . Majoritatea fibrelor de carbon, aproximativ 90%, sunt fabricate din poliacrilonitril (PAN). Acest polimer este generat din acrilonitril sau propilennitril (C3H3N ) , în reacția prezentată în figura următoare.
Condițiile specifice proceselor de fabricație ale materialului îi conferă calitățile particulare ale fibrelor de carbon. Unele dintre aceste condiții sunt materiile prime utilizate, temperaturile proceselor (unele etape se desfășoară în cuptoare la temperaturi ridicate) sau atmosfera în care sunt produse (o parte din procese au loc în absența oxigenului). Procesele de fabricație sunt proprietatea producătorilor lor, astfel încât diferitele aspecte ale procesului sunt secrete comerciale. Fibra de carbon de cea mai înaltă calitate, cu cel mai eficient modul de elasticitate, este utilizată în cele mai solicitante aplicații, precum industria aerospațială.
Procese de fabricare a fibrei de carbon
Fabricarea fibrelor de carbon combină procese chimice și mecanice. Materia primă precursoare pentru fibrele de carbon este produsă în filamente subțiri care sunt apoi încălzite la temperaturi ridicate într-o atmosferă anaerobă (fără oxigen). Temperaturile ridicate determină expulzarea materialului tuturor atomilor care nu sunt carbon. În acest fel, procesul de carbonizare produce o fibră compusă în principal din atomi de carbon în lanțuri lungi, produs din împletirea filamentelor originale. Aceste fibre pot fi apoi țesute sau amestecate cu alte materiale pentru a produce un alt tip de fibre sau turnate în diferite forme și dimensiuni. Să vedem mai jos succesiunea proceselor implicate în fabricarea fibrelor de carbon.
fire . Poliacrilonitrilul este amestecat cu alte componente și filat în fibre care se desfășoară după spălare.
stabilizare . Fibrele sunt supuse unor procese chimice care stabilizează compușii.
carbonizare . Fibrele stabilizate sunt încălzite la temperaturi foarte ridicate, între 1.000 și 2.500 de grade Celsius pentru perioade lungi de timp, într-o atmosferă anaerobă. Așa se generează cristalizarea carbonului într-o uniune de înaltă coeziune.
Tratarea suprafeței . Suprafața fibrelor este oxidată pentru a îmbunătăți legătura dintre fibre în împletirea ulterioară.
în formă . Fibrele sunt tratate și înfășurate pe bobine care sunt încărcate în mașini care le răsucesc în fibre de diferite grosimi și proprietăți mecanice. Aceste fibre pot fi folosite pentru a țese țesături sau combinate cu alte materiale precum polimerii termoplastici în procese care utilizează căldură, presiune sau vid, pentru a forma piese cu formate și proprietăți specifice.
Nanotuburile de carbon sunt realizate folosind procese diferite decat fibrele de carbon standard, folosind fascicule laser in cuptoare speciale in procesul de carbonizare. Nanotuburile pot atinge rezistențe de douăzeci de ori mai mari decât cele ale precursorilor lor.
După finalizarea seriei de procese, se vor obține fibre de carbon și fiecare dintre ele va fi compusă din mii de filamente de carbon; numarul de filamente ale fiecarei fibre poate varia intre 1.000 si 24.000, aceasta fiind o caracteristica de fabricatie care se specifica in fiecare caz.
Structura fibrei de carbon astfel produsă va fi similară cu cea a grafitului, care se desfășoară în foi suprapuse de atomi de carbon cu o structură cristalină al cărei model este hexagonal. Spre deosebire de grafit, fibra de carbon este un material amorf, nu cristalin; atomii de carbon sunt aranjați în foi care se intersectează, ceea ce conferă acestei fibre rezistența sa mecanică excepțională.
Procesele de fabricare a fibrei de carbon implică o serie de riscuri și provocări. Costurile de producție sunt inaccesibile pentru unele aplicații; De exemplu, deși este o tehnologie în curs de dezvoltare, costurile prohibitive ale industriei auto limitează în prezent utilizarea fibrelor de carbon la vehiculele de înaltă performanță și de lux.
Procesul de tratare a suprafeței trebuie reglat cu atenție pentru a evita generarea de defecte care au ca rezultat fibre defecte. Este necesar un control strict al procesului pentru a asigura calitatea produsului. La rândul lor, aceste procese sunt asociate cu probleme de sănătate și siguranță și pot provoca afecțiuni respiratorii și epidermice. Fibrele de carbon sunt conductoare electrice, astfel încât pot genera arcuri și scurtcircuite în echipamentele electrice, cu riscul consecvent.
O tehnologie în curs de dezvoltare
Pe măsură ce tehnologia fibrei de carbon continuă să evolueze, posibilitățile de utilizare și aplicare a acesteia se vor diversifica și crește. Mai multe studii legate de producția de fibre de carbon sunt în curs de dezvoltare la Massachusetts Institute of Technology (MIT) care deja arată promițătoare în crearea de noi tehnologii de fabricație și proiectare pentru a satisface cererea industriei.
Profesor asociat de inginerie mecanică al MIT, John Hart, un pionier al nanotuburilor, a lucrat cu studenții săi pentru a transforma tehnologia de producție, inclusiv pentru a găsi noi materiale care să fie folosite în 3-imprimante. Hart le-a cerut elevilor săi să gândească în afara cutiei pentru a imagina imprimante 3-D care să funcționeze cu materiale noi. Rezultatele au fost prototipuri care imprimau sticlă topită, înghețată și compozite din fibră de carbon. Echipele de studenți au creat, de asemenea, mașini capabile să manipuleze extrudarea paralelă pe suprafețe mari a polimerilor , precum și să efectueze scanarea optică la fața locului a procesului de imprimare.
John Hart a lucrat cu Mircea Dinca, profesor asociat de chimie la MIT, la un proiect comun cu Automobili Lamborghini. S-a investigat posibilitățile de dezvoltare a unor noi materiale compozite și fibră de carbon care ar putea permite într-o zi să fie folosită întreaga caroserie a mașinii ca sistem de baterii, precum și să producă structuri mai rezistente și mai ușoare, vopsele mai subțiri, convertoare catalitice mai puternice și să obțină o căldură mai bună. transfer în sistemul auto.
Cu perspectiva unor astfel de progrese uimitoare, nu este de mirare că piața fibrei de carbon este proiectată să crească de la 4,7 miliarde de dolari în 2019 la 13,3 miliarde de dolari în 2029.
Surse
- McConnell, Vicky. Fabricarea fibrei de carbon . Composite World , 2008.
- Sherman, Don. Dincolo de fibra de carbon: următorul material revoluționar este de 20 de ori mai puternic. Car and Driver, accesat în septembrie 2021.
- Randall, Danielle. Cercetătorii MIT colaborează cu Lamborghini pentru a dezvolta o mașină electrică a viitorului . MITMECHE/În știri: Departamentul de Chimie, 2017. Piața fibrei de carbon în funcție de materie primă (PAN, pitch, raion), tip de fibră (virgină, reciclată), tip de produs, modul, aplicație (compozit, non-compozit), final- utilizați industria (A&D, autovehicule, energie eoliană) și regiune — Prognoza globală până în 2029. MarketsandMarkets™, 2019.
- EurekAlert! Cursul MIT provoacă studenții să reinventeze imprimarea 3-D .