Caratteristiche della fibra di carbonio
La reputazione della fibra di carbonio come materiale ha assunto proporzioni mistiche! Non solo ha la reputazione di essere il migliore e il più forte, ma è anche diventato cool avere qualcosa fatto di fibra di carbonio!
Non pretendo di essere un esperto. Questo articolo combina informazioni che ho trovato nella mia ricerca sulla fibra di carbonio, non sono una fonte primaria. Cerco di essere accurato ma commetto errori, so che questo potrebbe essere una sorpresa per alcuni di voi, ma è così. Se avete intenzione di costruire un albero o altre cose da barca, fate le vostre ricerche. Consultate un esperto e fate attenzione. Buon divertimento.
Primo, cos’è la fibra di carbonio
La fibra di carbonio, non a caso, è fatta di cristalli di carbonio allineati su un asse lungo. Questi cristalli a forma di nido d’ape si organizzano in lunghi nastri appiattiti. Questo allineamento dei cristalli rende il nastro forte sull’asse lungo. A loro volta questi nastri si allineano in fibre. La forma delle fibre è la forma originale del materiale (il suo precursore) usato per produrre la fibra di carbonio. Non conosco nessun processo in cui le fibre vengono modellate DOPO la carbonizzazione. Queste fibre (contenenti nastri piatti di cristalli di carbonio) sono a loro volta raggruppate dal produttore in fibre più spesse e vengono tessute in tessuto di carbonio, trasformate in feltro, ritorte o raggruppate senza essere ritorte. Questo viene chiamato Roving. La fibra di carbonio è anche offerta sotto forma di fili tagliati e polvere.
Al fine di modificare le caratteristiche del lay up, vengono talvolta aggiunti altri materiali come fibre di vetro, Kevlar o alluminio. La fibra di carbonio è raramente utilizzata come tale. Piuttosto è incorporata in una matrice. Nella costruzione di alberi e barche di solito pensiamo alle resine epossidiche o poliestere, ma la fibra di carbonio è anche usata come rinforzo per la termoplastica, il calcestruzzo o la ceramica.
Fabbricazione della fibra di carbonio
Ci sono diversi metodi di fabbricazione della fibra di carbonio, ma essenzialmente tutti iniziano con la fabbricazione di fibre da un materiale precursore ricco di carbonio. Le dimensioni e la forma originali della fibra rimarranno nella fibra di carbonio finita, ma la struttura chimica interna sarà stata notevolmente modificata attraverso i vari cicli di riscaldamento. I primi passi sono la carbonizzazione e l’allungamento delle fibre precursori, sia PAN: Poliacrilonitrile, Pece o Rayon. Ci sono diversi cicli di riscaldamento a temperature variabili escludendo l’ossigeno. Questo processo elimina la maggior parte degli altri elementi (idrogeno e azoto principalmente) del materiale di partenza lasciando il carbonio. Permette anche al carbonio di cristallizzare gradualmente nel suo caratteristico modo a nido d’ape. Se non l’hai ancora visto, vai alla mia pagina di ricerca sul carbonio e guarda il video sulla struttura della fibra di carbonio. è favoloso.
Questo video di Youtube mostra la fabbricazione della fibra di carbonio e vale la pena vederlo.
I fattori più importanti che determinano le proprietà fisiche della fibra di carbonio sono il grado di carbonizzazione (contenuto di carbonio, di solito più del 92% in peso) e l’orientamento dei piani di carbonio stratificati (i nastri). Le fibre sono prodotte commercialmente con una vasta gamma di variazioni del contenuto cristallino e amorfo per modificare o favorire le varie proprietà.
Dipendendo dal materiale di partenza e dal processo di carbonizzazione la fibra di carbonio viene modificata per adattarsi allo scopo finale. Il PAN o poliacrilonitrile è il precursore più comune per i compositi plastici.
Le principali variazioni delle caratteristiche sono la resistenza e la rigidità. Usando diversi cicli di riscaldamento entrambi possono essere enfatizzati. Sono in corso ricerche per modificare altre caratteristiche come la conducibilità termica ed elettrica.
Non solo la struttura interna delle fibre è importante, ma il modo in cui sono allineate nei prodotti finiti ha un enorme impatto sulle proprietà dell’oggetto realizzato. Il corretto allineamento delle fibre di carbonio è essenziale per massimizzare i loro benefici.
Proprietà delle fibre di carbonio, cosa non amare!
- Alto rapporto forza/peso
- Rigidità
- Resistenza alla corrosione
- Conducibilità elettrica
- Resistenza alla fatica
- Buona resistenza alla trazione ma fragile
- Resistenza al fuoco/non infiammabile
- Alta conducibilità termica in alcune forme
- Basso coefficiente di espansione termica
- Non velenoso
- Biologicamente inerte
- X-Permeabile ai raggi X
- Relativamente costoso
- Richiede esperienza e attrezzature specializzate per essere usato.
Non ho scritto in dettaglio, ma la fibra di carbonio è autolubrificante, ha anche un’eccellente proprietà di schermatura EMI (interferenza elettromagnetica)
1- La fibra di carbonio ha un alto rapporto forza-peso (noto anche come forza specifica)
La forza di un materiale è la forza per unità di superficie alla rottura, diviso la sua densità. Qualsiasi materiale che è forte E leggero ha un rapporto Forza/Peso favorevole. Materiali come l’alluminio, il titanio, il magnesio, il carbonio e la fibra di vetro, le leghe di acciaio ad alta resistenza hanno tutti un buon rapporto forza/peso. Non è sorprendente che il legno di Balsa abbia un alto rapporto forza/peso.
Le seguenti cifre sono offerte solo per confronto e varieranno a seconda della composizione, della lega, del tipo di ragno, della densità del legno ecc. Le unità sono kN.m/kg.
| Fibra di spettro | 3619 |
| Kevlar | 2514 |
| Fibra di carbonio | 2457 |
| Fibra di vetro | 1307 |
| Seta di ragno | 1069 |
| Composto epossidico di carbonio | 785 |
| Balsa carico assiale | 521 |
| Lega di acciaio | 254 |
| Lega di alluminio | 222 |
| polipropilene | 89 |
| Regno di quercia | 87 |
| Nylon | 69 |
Nota che forza e rigidità sono proprietà diverse, la forza è la resistenza alla rottura, la rigidità è la resistenza alla flessione o all’allungamento.
A causa del modo in cui i cristalli della fibra di carbonio si orientano in lunghi nastri piatti o in stretti fogli di cristalli a nido d’ape, la resistenza è più alta nel senso della lunghezza che attraverso la fibra. Ecco perché i progettisti di oggetti in fibra di carbonio specificano la direzione in cui la fibra deve essere posata per massimizzare la forza e la rigidità in una direzione specifica. La fibra è allineata con la direzione di maggiore stress.
Il precursore della fibra di carbonio a base di Pan ha una maggiore resistenza rispetto alla fibra di carbonio a base di pitch che ha una maggiore rigidità.
2- La fibra di carbonio è molto rigida
La rigidità di un materiale è misurata dal suo modulo di Young e misura quanto un materiale si deforma 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 più dell’alluminio. Per maggiori informazioni sulla rigidità e su come viene misurata, più una tabella di confronto dei diversi materiali, vedi la mia pagina sul Modulo di Young.
Ricorda che lo stress è la forza, la deformazione è la flessione come la piegatura o l’allungamento
3- La fibra di carbonio è resistente alla corrosione e chimicamente stabile.
Anche se le fibre di carbonio non si deteriorano in modo misurabile, l’epossidica è sensibile alla luce solare e deve essere protetta. Anche altre matrici (qualunque sia la fibra di carbonio incorporata) potrebbero essere reattive.
Le fibre di carbonio possono essere influenzate da forti agenti ossidanti
I compositi fatti con fibra di carbonio devono essere realizzati con epossidici resistenti ai raggi UV (poco comuni), o coperti con una finitura resistente ai raggi UV come le vernici.
4- La fibra di carbonio è elettricamente conduttiva
Questa caratteristica può essere utile o fastidiosa. Nella costruzione di barche, la conduttività deve essere presa in considerazione proprio come la conduttività dell’alluminio. La conduttività della fibra di carbonio può facilitare la corrosione galvanica nei raccordi. Un’installazione attenta può ridurre questo problema.
La polvere di fibra di carbonio può accumularsi in un negozio e causare scintille o cortocircuiti in apparecchi e attrezzature elettriche.
C’è attualmente un bel po’ di R&D sull’uso della conduttività elettrica della fibra di carbonio per produrre calore sia per un indurimento più veloce dei materiali compositi, sia per le capacità di riscaldamento stesse. Questo potrebbe avere un’applicazione nell’abbigliamento invernale o nell’abbigliamento destinato ad ambienti difficili.
Ecco un documento di ricerca sui tessuti conduttivi e il loro uso nel rilevamento delle ferite da combattimento. File PDF
5- 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 in modo catastrofico senza segni esterni significativi che annuncino il suo imminente fallimento.
I danni nella fatica a trazione sono visti come riduzione della rigidità con un numero maggiore di cicli di stress, (a meno che la temperatura sia alta)
I test hanno dimostrato che il fallimento non è un problema quando le sollecitazioni cicliche coincidono con l’orientamento della fibra. La fibra di carbonio è superiore al vetro E nella resistenza a fatica e statica, così come nella rigidità.
L’orientamento delle fibre E il diverso orientamento degli strati di fibre, hanno una grande influenza su come un composito resisterà alla fatica (come sulla rigidità). Anche il tipo di forze applicate porta a diversi tipi di rotture. Le forze di tensione, compressione o taglio portano tutte a risultati di rottura marcatamente diversi.
Paper dell’Oak Ridge National Laboratory, sul test dei compositi in fibra di carbonio destinati all’uso automobilistico. American Institute of Aeronautics and Astronautics, test per i materiali da utilizzare nelle pale delle turbine eoliche.
6- La fibra di carbonio ha una buona resistenza alla trazione
La resistenza alla trazione o ultimate strength, è lo stress massimo che un materiale può sopportare mentre viene allungato o tirato prima di collassare, o fallire. L’incollamento è quando la sezione trasversale del campione inizia a contrarsi significativamente. Se prendete una striscia di sacchetto di plastica, si allungherà e a un certo punto comincerà a restringersi. Questo è il necking. La resistenza alla trazione si misura in forza per unità di superficie. I materiali fragili come la fibra di carbonio non falliscono sempre allo stesso livello di stress a causa di difetti interni. Crollano a piccole tensioni. (in altre parole non c’è molta flessione o allungamento prima del cedimento catastrofico) Modulo di Weibull dei materiali fragili
La prova consiste nel prendere un campione con una sezione trasversale fissa e tirarlo gradualmente aumentando la forza fino a quando il campione cambia forma o si rompe. Le fibre, come le fibre di carbonio, essendo solo 2/10.000 di pollice di diametro, sono fatte in compositi di forme appropriate al fine di testare.
Le unità sono MPa Questa tabella è offerta solo come un confronto poiché ci sono un gran numero di variabili.
| Acciaio al carbonio 1090 | 650 |
| Polietilene ad alta densità (HDPE) | 37 |
| Polipropilene | 19.7-80 |
| Polietilene ad alta densità | 37 |
| Acciaio inox AISI 302 | 860 |
| Lega di alluminio 2014-T6 | 483 |
| Lega di alluminio 6063-T6 | 248 |
| E-Vetro solo | 3450 |
| E-Vetro in un laminato | 1500 |
| Fibra di carbonio da sola | 4127 |
| Fibra di carbonio in un laminato | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Legno di pino (parallelo alle venature) | 40 |
NOTA: Quando si testa la fibra di carbonio, e altre fibre e materiali non omogenei, bisogna fare dei campioni che siano consistenti e comparabili. Questa non è una procedura semplice. Se si leggono ricerche in cui si confronta la forza/rigidità, i ricercatori spiegano sempre come sono stati fabbricati i loro campioni, compreso il tipo di matrice, l’allineamento delle fibre, il rapporto tra fibre e matrice, tra gli altri fattori. Questa difficoltà spiega perché le misurazioni possono variare molto tra i risultati delle ricerche.
7- Resistenza al fuoco/non infiammabile
Ecco un articolo sul riciclaggio della fibra di carbonio bruciando la matrice.
La fibra di carbonio è classificata come non combustibile e non ha un punto di infiammabilità. Se è esposta a calore elevato in presenza di combustibile che brucia, può eventualmente ossidarsi, ma non appena la fiamma e il combustibile vengono rimossi, la fiamma non continua.
Perché la fibra di carbonio è quasi sempre usata in una matrice come epossidica, plastica o cemento, la tolleranza della matrice alle alte temperature è il fattore più significativo.
A seconda del processo di fabbricazione e del materiale precursore, la fibra di carbonio può essere resa abbastanza morbida alla mano e può essere trasformata o più spesso integrata in indumenti protettivi per la lotta contro gli incendi. La fibra rivestita di nichel ne è un esempio. Poiché la fibra di carbonio è anche chimicamente molto inerte, può essere usata dove c’è il fuoco combinato con agenti corrosivi.HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18″ X 24″
8- Conduttività termica della fibra di carbonio
Vedi il mio articolo sulla conduttività termica dei materiali a base di carbonio tra cui la fibra di carbonio, i nanotubi e il grafene.
La conduttività termica è la quantità di calore trasmesso attraverso uno spessore unitario, in una direzione normale a una superficie di area unitaria, a causa di un gradiente di temperatura unitario, in condizioni costanti. In altre parole è una misura della facilità con cui il calore scorre attraverso un materiale.
Ci sono diversi sistemi di misura a seconda delle unità metriche o imperiali.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Questa tabella è solo per confronto. Le unità sono W/(m.K)
| Aria | .024 |
| Alluminio | 250 |
| Calcestruzzo | .4 – .7 |
| Acciaio al carbonio | 54 |
| Isolamento in lana minerale | .04 |
| Compensato | .13 |
| Quartz | 3 |
| Pyrex Glass | 1 |
| Pine | .12 |
| Fibra di carbonio rinforzata con resina epossidica | 24 |
Perché ci sono molte variazioni sul tema della fibra di carbonio, non è possibile determinare esattamente la conduttività termica. Tipi speciali di fibra di carbonio sono stati specificamente progettati per un’alta o bassa conduttività termica. Ci sono anche sforzi per migliorare questa caratteristica.
La Materials Information Society ha una pagina sulla “grafite” AKA Carbon Fiber
9- Basso coefficiente di espansione 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.
| Acciaio | 7 |
| Alluminio | 13 |
| Kevlar | 3 o inferiore |
| Fibra di carbonio tessuta | 2 o meno |
| Fibra di carbonio unidirezionale | meno 1 a +8 |
| Fibra di vetro | 7-8 |
| Ottone | 11 |
La fibra di carbonio può avere una vasta gamma di CTE, da -1 a 8+, a seconda della direzione misurata, della trama del tessuto, del materiale precursore, a base di Pan (alta resistenza, maggiore CTE) o a base di Pitch (alto modulo/rigidità, minore CTE).
In un albero abbastanza alto le differenze nei Coefficienti di espansione termica dei vari materiali possono modificare leggermente le tensioni dell’impianto.
Basso Coefficiente di espansione termica rende la fibra di carbonio adatta ad applicazioni dove piccoli movimenti possono essere critici. Telescopio e altre macchine ottiche sono una di queste applicazioni.
10-11-12 Non velenoso, biologicamente inerte, permeabile ai raggi X
Queste qualità rendono la fibra di carbonio utile nelle applicazioni mediche. L’uso di protesi, impianti e riparazione dei tendini, strumenti chirurgici accessori per i raggi X, sono tutti in sviluppo.
Anche se non velenose, le fibre di carbonio possono essere abbastanza irritanti e l’esposizione a lungo termine non protetta deve essere limitata. La matrice, epossidica o poliestere, può tuttavia essere tossica e occorre prestare la dovuta attenzione.
13- La fibra di carbonio è relativamente costosa
Anche se offre vantaggi eccezionali di forza, rigidità e riduzione del peso, il costo è un deterrente. A meno che il vantaggio del peso sia eccezionalmente importante, come nelle applicazioni aeronautiche o nelle corse, spesso non vale il costo extra. Il basso requisito di manutenzione della fibra di carbonio è un ulteriore vantaggio.
È difficile quantificare l’estetica e la moda. La fibra di carbonio ha un’aura e una reputazione che rende i consumatori disposti a pagare di più per il cachet di averla.
Si potrebbe averne bisogno di meno rispetto alla vetroresina e questo potrebbe essere un risparmio.
Fibre Glast Real Carbon Fiber Fabric – 3K, 2 X 2 – Twill Weave – 1 yd Roll
Noahs fornisce fibra di carbonio e tessuto di vetro ai costruttori di barche amatoriali, vagare nel loro catalogo online e confrontare i prezzi. (Negozio canadese)
14- Le fibre di carbonio sono fragili
Gli strati delle fibre sono formati da forti legami covalenti. Le aggregazioni simili a fogli permettono facilmente la propagazione di crepe. Quando le fibre si piegano, si rompono con uno sforzo molto basso. In altre parole, la fibra di carbonio non si piega molto prima di cedere.
Effetto della variazione del rapporto tra fibra di carbonio e matrice
15- La fibra di carbonio non è ancora orientata alle tecniche amatoriali.
Per massimizzare le caratteristiche della fibra di carbonio, si deve raggiungere un livello relativamente alto di eccellenza tecnica. Le imperfezioni e le bolle d’aria possono influenzare significativamente le prestazioni. In genere, sono necessarie autoclavi o attrezzature per il vuoto.
Il successo di qualsiasi costruzione amatoriale in fibra di carbonio sarà strettamente legato all’abilità e alla cura che si presta.
Qui c’è un link a un video su YouTube di Easy Composite Ltd. su varie tecniche che utilizzano la fibra di carbonio. Hanno un certo numero di video didattici.
Questo articolo è un lavoro in corso. Continuerò ad aggiungere informazioni e a perfezionare il testo man mano che esplorerò l’argomento. Le informazioni che ho presentato provengono da una varietà di fonti. Ho cercato di verificarle quando ho potuto. Cerco di usare “fonti affidabili” come i dati del produttore, documenti di ricerca o articoli universitari. Mi affido anche a Wikipedia per una panoramica.
Buon articolo dell’Università del Tennessee sulla produzione di fibra di carbonio.
Christine.
Mi mandi una mail se trova degli errori, li correggerò e ne beneficeremo tutti: Christine