Fibra de carbon este un material textil format în principal din carbon. Este produs prin rotirea diferiților polimeri pe bază de carbon în fibre, tratarea acestora pentru a elimina majoritatea celorlalte substanțe și țesând materialul rezultat într-o țesătură. Acesta este de obicei încorporat în plastic – de obicei epoxidic – pentru a forma plastic armat cu fibră de carbon sau compozit cu fibră de carbon. Cele mai notabile caracteristici ale materialului sunt raportul ridicat rezistență-greutate și inerția sa chimică relativă. Aceste proprietăți îi oferă o gamă largă de aplicații, dar utilizarea sa este limitată de faptul că este destul de scump.
Fabricare
Producția acestui material se bazează, de obicei, pe poliacrilonitril (PAN), un plastic folosit în textilele sintetice pentru îmbrăcăminte, sau smoală, o substanță asemănătoare gudronului făcută din petrol. Pitch este mai întâi tors în fire, dar PAN este în mod normal sub formă fibroasă pentru început. Ele sunt transformate în fibră de carbon prin încălzire puternică pentru a elimina alte elemente, cum ar fi hidrogenul, oxigenul și azotul; acest proces este cunoscut sub numele de piroliză. Întinderea fibrelor în timpul acestei proceduri ajută la eliminarea neregulilor care ar putea slăbi produsul final.
Fibrele brute sunt încălzite inițial la aproximativ 590 ° F (300 ° C) în aer și sub tensiune, într-o etapă cunoscută sub numele de oxidare sau stabilizare. Aceasta elimină hidrogenul din molecule și transformă fibrele într-o formă mai stabilă mecanic. Ele sunt apoi încălzite la aproximativ 1,830 ° F (1,000 ° C) în absența oxigenului într-o etapă cunoscută sub numele de carbonizare. Acest lucru elimină mai mult material non-carbon, lăsând în mare parte carbon.
Atunci când sunt necesare fibre de înaltă calitate, de înaltă rezistență, are loc o etapă ulterioară, cunoscută sub numele de grafitizare. Materialul este încălzit la 1,732 și 5,500 ° F (1,500 până la 3,000 ° C) pentru a transforma formarea atomilor de carbon într-o structură asemănătoare grafitului. Acest lucru elimină, de asemenea, majoritatea atomilor reziduali non-carbon. Termenul „fibră de carbon” este utilizat pentru material cu un conținut de carbon de cel puțin 90%. Acolo unde conținutul de carbon este mai mare de 99%, materialul este uneori numit fibră de grafit.
Fibra de carbon brută care rezultă nu se leagă bine de substanțele folosite la realizarea compozitelor, așa că este ușor oxidată prin tratare cu substanțe chimice adecvate. Atomii de oxigen adăugați structurii îi permit să formeze legături cu materialele plastice, cum ar fi epoxidul. După ce i s-a dat un strat de protecție subțire, acesta este țesut în fire de dimensiunile necesare. Acestea la rândul lor pot fi țesute în țesături, care sunt apoi încorporate de obicei în materiale compozite.
Structură și proprietăți
O singură fibră are un diametru de aproximativ 0.0002 până la 0.0004 inchi (0.005 până la 0.010 mm); firele constă din multe mii de aceste fire țesute împreună pentru a forma un material extrem de puternic. În cadrul fiecărei spire, atomii de carbon sunt aranjați într-un mod similar cu grafitul: inele hexagonale unite între ele pentru a forma foi. În grafit, aceste foi sunt plate și numai slab legate între ele, astfel încât să alunece cu ușurință. Într-o fibră de carbon, foile sunt pliate și mototolite și formează multe cristale minuscule, care se întrepătrund, cunoscute sub numele de cristalite. Cu cât temperatura folosită la fabricare este mai mare, cu atât aceste cristalite se orientează mai mult de-a lungul axei fibrei și cu atât rezistența este mai mare.
În cadrul unui compozit, orientarea fibrelor în sine este de asemenea importantă. În funcție de aceasta, materialul poate fi mai rezistent într-o anumită direcție sau la fel de puternic în toate direcțiile. În unele cazuri, o bucată mică poate rezista la un impact de multe tone și totuși se poate deforma minim. Natura complexă împletită a fibrei o face foarte dificilă de rupere.
În ceea ce privește raportul rezistență-greutate, compozitul din fibră de carbon este cel mai bun material pe care civilizația îl poate produce în cantități apreciabile. Cele mai puternice sunt de aproximativ cinci ori mai rezistente decât oțelul și considerabil mai ușoare. Cercetările sunt în desfășurare cu privire la posibilitatea introducerii nanotuburilor de carbon în material, care pot îmbunătăți raportul rezistență-greutate de 10 ori sau mai mult.
Alte proprietăți utile pe care le are sunt capacitatea sa de a rezista la temperaturi ridicate și inerția sa. Structura moleculară este, ca și grafitul, foarte stabilă, oferindu-i un punct de topire ridicat și făcându-l mai puțin probabil să reacționeze chimic cu alte substanțe. Prin urmare, este util pentru componentele care pot fi supuse la căldură și pentru aplicații care necesită rezistență la coroziune.
Utilizeaza
Fibra de carbon este utilizată în multe zone în care este necesară o combinație de rezistență ridicată și greutate redusă. Acestea includ transportul public și privat, cum ar fi mașini, avioane și nave spațiale; echipamente sportive, cum ar fi biciclete de curse, schiuri și undițe de pescuit; si constructii. Inerția relativă a materialului îl face bine potrivit pentru aplicații în industria chimică și în medicină – poate fi utilizat în implanturi, deoarece nu va reacționa cu substanțele din organism. În inginerie civilă, s-a stabilit că podurile vechi pot fi scutite de distrugere și reconstrucție prin armături simple din fibră de carbon, care sunt comparativ mai ieftine.
Economie
Începând cu 2013, utilizările și cererea pentru fibra de carbon au fost limitate de costul acesteia. O bicicletă realizată din compozit costă de obicei în jur de câteva mii de dolari SUA (USD). Mașinile de curse de Formula 200, care circulă la viteze de peste 320 mph (1 km/h), ar putea costa peste XNUMX milion USD pentru construcție și întreținere, cost determinat în mare măsură de utilizarea generoasă a acestui material. Cererea a crescut semnificativ însă, în mare parte datorită creșterii producției de avioane comerciale mari. Dacă costul poate fi redus semnificativ, acesta poate deveni un material universal pentru vehicule și produse mici concepute pentru durabilitate și ușurință extremă.