Caracteristici ale fibrei de carbon
Reputația fibrei de carbon ca material a căpătat proporții mistice! Nu numai că are reputația de a fi cea mai bună și cea mai rezistentă, dar a devenit și cool să ai ceva făcut din fibră de carbon!
Nu am pretenția de a fi expert. Acest articol combină informații pe care le-am găsit în cercetările mele despre fibra de carbon, nu sunt o sursă primară. Încerc să fiu precis, dar fac greșeli, știu că acest lucru ar putea fi o surpriză pentru unii dintre voi, dar asta este. Dacă intenționați să construiți un catarg sau alte lucruri legate de ambarcațiuni, faceți cercetări. Consultați un expert și fiți atenți. Distracție plăcută.
În primul rând, ce este fibra de carbon
Fibra de carbon, nu este surprinzător, este făcută din cristale de carbon aliniate pe o axă lungă. Aceste cristale în formă de fagure de miere se organizează în panglici lungi și aplatizate. Această aliniere a cristalelor face ca panglica să fie rezistentă pe axa lungă. La rândul lor, aceste panglici se aliniază în fibre. Forma fibrei este forma originală a materialului (precursorul său) utilizat pentru a produce fibra de carbon. Nu cunosc niciun proces în care fibrele să fie modelate DUPĂ carbonizare. Aceste fibre (care conțin panglici plate de cristale de carbon) sunt la rândul lor grupate de către producător în fibre mai groase și sunt țesute în pânză de carbon, transformate în pâslă, răsucite sau grupate fără răsucire. Acest lucru se numește Roving. Fibra de carbon este, de asemenea, oferită sub formă de fire tăiate și pulbere.
Pentru a modifica caracteristicile stratului, se adaugă uneori și alte materiale, cum ar fi fibre de sticlă, Kevlar sau aluminiu. Fibra de carbon este rareori utilizată ca atare. Mai degrabă este încorporată într-o matrice. La fabricarea catargelor și la construcția de ambarcațiuni ne gândim, de obicei, la rășini epoxidice sau poliesterice, dar fibra de carbon este, de asemenea, utilizată ca armătură pentru termoplastice, beton sau ceramică.
Fabricarea fibrei de carbon
Există mai multe metode de fabricare a fibrei de carbon, dar, în esență, toate încep cu fabricarea fibrelor dintr-un material precursor bogat în carbon. Dimensiunea și forma inițială a fibrei vor rămâne în fibra de carbon finită, dar structura chimică interioară va fi fost mult modificată prin diferitele cicluri de încălzire. Primii pași constau în carbonizarea și întinderea fibrelor precursoare, fie că este vorba de PAN: poliacrilonitril, smoală sau raion. Există mai multe cicluri de încălzire la diferite temperaturi, cu excepția oxigenului. Acest proces elimină majoritatea celorlalte elemente (în special hidrogenul și azotul) din materialul de plecare, lăsând în urmă carbonul. De asemenea, permite carbonului să se cristalizeze treptat în forma sa caracteristică de fagure de miere. Dacă nu l-ați văzut încă, accesați pagina mea Carbon Research și uitați-vă la videoclipul despre structura fibrei de carbon. este fabulos.
Acest videoclip de pe Youtube arată cum se fabrică fibra de carbon și merită văzut.
Cei mai importanți factori care determină proprietățile fizice ale fibrei de carbon sunt gradul de carbonizare (conținutul de carbon, de obicei mai mare de 92% în greutate) și orientarea planurilor de carbon stratificat (panglicile). Fibrele sunt produse în comerț cu o gamă largă de variații ale conținutului cristalin și amorf pentru a modifica sau favoriza diferitele proprietăți.
În funcție de materialul de plecare și de procesul de carbonizare, fibra de carbon este modificată pentru a se potrivi scopului final. PAN sau poliacrilonitrilul este cel mai comun precursor pentru compozitele plastice.
Principalele variații ale caracteristicilor sunt rezistența față de rigiditate. Prin utilizarea unor cicluri de încălzire diferite, oricare dintre acestea poate fi accentuată. Se fac cercetări pentru a modifica alte caracteristici, cum ar fi conductivitatea termică și electrică.
Nu numai structura internă a fibrelor este importantă, ci și modul în care acestea sunt aliniate în produsele finite are un impact enorm asupra proprietăților articolului fabricat. Alinierea corectă a fibrelor de carbon este esențială pentru a maximiza beneficiile acestora.
Proprietățile fibrelor de carbon, ce nu este de îndrăgit!!!
- Raport ridicat între rezistență și greutate
- Rigiditate
- Rezistență la coroziune
- Conductivitate electrică
- Rezistență la oboseală
- Rezistență bună la tracțiune dar fragilă
- Rezistență la foc/Nu este inflamabil
- Conductivitate termică ridicată în unele forme
- Coeficient redus de dilatare termică
- Nu este otrăvitor
- Inert din punct de vedere biologic
- X-Permeabil la raze X
- Relativ scump
- Experiență și echipament specializat pentru utilizare.
Nu am scris în detaliu, dar fibra de carbon este autolubrifiantă, are, de asemenea, o excelentă proprietate de ecranare EMI (interferență electromagnetică)
1- Fibra de carbon are un raport ridicat între rezistență și greutate (cunoscută și sub numele de rezistență specifică)
Rezistența unui material este forța pe unitatea de suprafață la rupere, împărțită la densitatea sa. Orice material care este puternic ȘI ușor are un raport rezistență/greutate favorabil. Materiale precum aluminiul, titanul, magneziul, fibrele de carbon și de sticlă, aliajele de oțel de înaltă rezistență au toate un raport rezistență/greutate bun. Nu este surprinzător faptul că lemnul Balsa vine cu un raport rezistență/greutate ridicat.
Cele de mai jos sunt oferite doar pentru comparație și vor varia în funcție de compoziție, aliaj, tipul de păianjen, densitatea lemnului etc. Unitățile de măsură sunt kN.m/kg.
| Fibra de spectru | 3619 |
| Kevlar | 2514 |
| Fibra de carbon | 2457 |
| Fibră de sticlă | 1307 |
| Mătase de păianjen | 1069 |
| Compozit epoxidic de carbon | 785 |
| Balsa sarcină axială | 521 |
| Alegat de oțel | 254 |
| Alegat de aluminiu | 222 |
| polipropilenă | 89 |
| Lemn | 87 |
| Nylon | 69 |
Rețineți că rezistența și rigiditatea sunt proprietăți diferite, rezistența este rezistența la rupere, rigiditatea este rezistența la îndoire sau întindere.
Din cauza modului în care cristalele din fibra de carbon se orientează în panglici lungi și plate sau în foi înguste de cristale în formă de fagure de miere, rezistența este mai mare pe lungime decât de-a lungul fibrei. Acesta este motivul pentru care proiectanții de obiecte din fibră de carbon specifică direcția în care trebuie să fie așezată fibra pentru a maximiza rezistența și rigiditatea într-o anumită direcție. Fibra fiind aliniată cu direcția celei mai mari tensiuni.
Fibra de carbon precursoare pe bază de păcură are o rezistență mai mare decât fibra de carbon pe bază de smoală, care are o rigiditate mai mare.
2- Fibra de carbon este foarte rigidă
Rigiditatea sau rigiditatea unui material se măsoară prin modulul său Young și măsoară cât de mult se îndoaie un material sub tensiune. Plasticul armat cu fibră de carbon este de peste 4 ori mai rigid decât plasticul armat cu fibră de sticlă, de aproape 20 de ori mai mult decât pinul, de 2,5 ori mai mare decât aluminiul. Pentru mai multe informații despre rigiditate și modul în care este măsurată, plus un tabel comparativ al diferitelor materiale, consultați pagina mea Young Modulus.
Amintiți-vă că stresul este forța, deformația este deformarea, cum ar fi îndoirea sau întinderea
3- Fibra de carbon este rezistentă la coroziune și stabilă din punct de vedere chimic.
Deși fibrele de carbon în sine nu se deteriorează în mod măsurabil, Epoxidul este sensibil la lumina soarelui și trebuie protejat. Alte matrici (indiferent în ce este încorporată fibra de carbon) ar putea fi, de asemenea, reactive.
Fibrele de carbon pot fi afectate de agenți oxidanți puternici
Compozitele realizate din fibră de carbon trebuie fie realizate cu epoxidice rezistente la UV (mai puțin frecvente), fie acoperite cu un finisaj rezistent la UV, cum ar fi lacurile.
4- Fibra de carbon este conductoare de electricitate
Această caracteristică poate fi fie utilă, fie o pacoste. În construcția de ambarcațiuni trebuie să se țină cont de conductivitate, la fel cum intră în joc și conductivitatea aluminiului. Conductivitatea fibrei de carbon poate facilita coroziunea galvanică în armături. O instalare atentă poate reduce această problemă.
Pudra de fibră de carbon se poate acumula într-un atelier și poate provoca scântei sau scurtcircuite în aparatele și echipamentele electrice.
În prezent, există destul de multă cercetare și dezvoltare privind utilizarea conductivității electrice a fibrei de carbon pentru a produce căldură, fie pentru o întărire mai rapidă a materialelor compozite, fie pentru capacitățile de încălzire în sine. Acest lucru ar putea avea aplicații în cazul hainelor de iarnă sau al hainelor destinate mediilor dificile.
Iată o lucrare de cercetare privind textilele conductoare și utilizarea lor în detectarea rănilor de luptă. Fișier PDF
5- Rezistența la oboseală este bună
Rezistența la oboseală a materialelor compozite din fibră de carbon este bună. Cu toate acestea, atunci când fibra de carbon cedează, aceasta cedează de obicei în mod catastrofal, fără semne exterioare semnificative care să anunțe cedarea iminentă.
Deteriorarea la oboseală prin tracțiune este văzută ca o reducere a rigidității cu un număr mai mare de cicluri de solicitare, (cu excepția cazului în care temperatura este ridicată)
Testările au arătat că este puțin probabil ca cedarea să fie o problemă atunci când solicitările ciclice coincid cu orientarea fibrelor. Fibra de carbon este superioară sticlei E în ceea ce privește rezistența la oboseală și rezistența statică, precum și rigiditatea.
Orientarea fibrelor ȘI orientarea diferită a straturilor de fibre, au o mare influență asupra modului în care un compozit va rezista la oboseală (ca și asupra rigidității). Tipul de forțe aplicate determină, de asemenea, diferite tipuri de defecțiuni. Forțele de întindere, compresie sau forțe de forfecare duc toate la rezultate de cedare foarte diferite.
Documentație realizată de Oak Ridge National Laboratory, privind testarea compozitelor din fibre de carbon destinate utilizării în industria auto. American Institute of Aeronautics and Astronautics, test pentru materiale care urmează să fie utilizate în paletele turbinelor eoliene.
6- Fibrele de carbon au o bună rezistență la tracțiune
Rezistența la tracțiune sau rezistența finală, este tensiunea maximă pe care un material o poate suporta în timp ce este întins sau tras înainte de a se strâmba sau de a ceda. Strângerea este atunci când secțiunea transversală a probei începe să se contracte semnificativ. Dacă luați o bandă de pungă de plastic, aceasta se va întinde și, la un moment dat, va începe să se îngusteze. Aceasta este gâtuirea. Rezistența la tracțiune se măsoară în forță pe unitatea de suprafață. Materialele fragile, cum ar fi fibra de carbon, nu cedează întotdeauna la același nivel de tensiune din cauza unor defecte interne. Acestea cedează la tensiuni mici. (cu alte cuvinte, nu există o mulțime de îndoiri sau întinderi înainte de cedarea catastrofală) Modulul Weibull al materialelor fragile
Testul implică luarea unei probe cu o suprafață fixă a secțiunii transversale și apoi tragerea acesteia prin creșterea treptată a forței până când proba își schimbă forma sau se rupe. Fibrele, cum ar fi fibrele de carbon, având un diametru de numai 2/10.000 de inch, sunt transformate în materiale compozite de forme adecvate pentru a fi testate.
Unitățile sunt MPa Acest tabel este oferit doar ca o comparație, deoarece există un număr mare de variabile.
| Oțel carbon 1090 | 650 | |
| Polietilenă de înaltă densitate (HDPE) | 37 | |
| Poli-propilenă | 19.7-80 | |
| Polietilenă de înaltă densitate | 37 | |
| Oțel inoxidabil AISI 302 | 860 | |
| Aliaj de aluminiu 2014-T6 | 483 | |
| Aliaj de aluminiu 6063-T6 | 248 | |
| E-Glas singur | 3450 | |
| E-.Sticlă într-un laminat | 1500 | |
| Fibră de carbon singură | 4127 | |
| Fibră de carbon într-un laminat | 1600 | |
| Kevlar | 2757 | |
| Lemn de pin (paralel cu fibra) | 40 |
NOTA: Atunci când se testează fibra de carbon, precum și alte fibre și materiale neomogene, trebuie să se realizeze eșantioane care să fie consistente și comparabile. Aceasta nu este o procedură simplă. Dacă citiți cercetări în care se compară rezistența/rigiditatea, cercetătorii vor explica întotdeauna cum au fost fabricate probele lor, inclusiv tipul de matrice, alinierea fibrelor, raportul dintre fibre și matrice, printre alți factori. Această dificultate explică de ce măsurătorile pot varia destul de mult între rezultatele cercetărilor.
7- Rezistența la foc/neinflamabil
Iată un articol despre reciclarea fibrei de carbon prin arderea matricei.
Fibra de carbon este clasificată ca fiind necombustibilă și nu are un punct de inflamabilitate listat. Dacă este expusă la căldură mare în prezența unui combustibil care arde, se poate oxida în cele din urmă, dar de îndată ce flacăra și combustibilul sunt îndepărtate, flacăra nu mai continuă.
Pentru că fibra de carbon este aproape întotdeauna folosită într-o matrice, cum ar fi epoxi, plastic sau beton, toleranța matricei la temperaturi ridicate este factorul cel mai semnificativ.
În funcție de procesul de fabricație și de materialul precursor, fibra de carbon poate fi făcută să fie destul de moale la atingere și poate fi transformată în sau, cel mai adesea, integrată în îmbrăcăminte de protecție pentru lupta împotriva incendiilor. Fibra acoperită cu nichel este un exemplu. Deoarece fibra de carbon este, de asemenea, foarte inertă din punct de vedere chimic, ea poate fi utilizată acolo unde există foc combinat cu agenți corozivi. HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18″ X 24″
8- Conductivitatea termică a fibrelor de carbon
Vezi articolul meu despre Conductivitatea termică a materialelor pe bază de carbon, inclusiv a fibrelor de carbon, a nanotuburilor și a grafenei.
Conductivitatea termică este cantitatea de căldură transmisă printr-o unitate de grosime, pe o direcție normală la o suprafață de suprafață unitară, din cauza unui gradient de temperatură unitar, în condiții staționare. Cu alte cuvinte, este o măsură a ușurinței cu care curge căldura printr-un material.
Există o serie de sisteme de măsură în funcție de unitățile metrice sau imperiale.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Acest tabel este doar pentru comparație. Unitățile sunt W/(m.m.K)
| Aer | .024 | |
| Aluminiu | 250 | |
| Beton | Ceton | .4 – .7 |
| Oțel carbon | 54 | |
| Izolație din lână minerală | .04 | |
| Placat | .13 | |
| Quartz | 3 | |
| Pyrex Glass | 1 | |
| Pin | .12 | |
| Carbon Fiber Reinforced Epoxy | 24 |
Pentru că există multe variații pe tema fibrei de carbon, nu este posibil să se precizeze cu exactitate conductivitatea termică. Tipuri speciale de fibră de carbon au fost special concepute pentru o conductivitate termică ridicată sau scăzută. Există, de asemenea, eforturi de îmbunătățire a acestei caracteristici.
Societatea de Informare a Materialelor are o pagină despre „grafit” AKA Carbon Fiber
9- Coeficientul scăzut de expansiune termică
Aceasta este o măsură a cât de mult un material se extinde și se contractă atunci când temperatura urcă sau coboară.
Unitățile sunt în Inch / inch grad F, ca și în alte tabele, unitățile nu sunt atât de importante ca și comparația.
| Oțel | 7 |
| Aluminiu | 13 |
| Kevlar | 3 sau mai mic |
| Fibră de carbon țesută | 2 sau mai puțin |
| Fibră de carbon unidirecțională | minus 1 până la +8 |
| Fibră de sticlă | 7-.8 |
| Oțel | 11 |
Fibra de carbon poate avea o gamă largă de CTE-uri, -1 la 8+, în funcție de direcția măsurată, de țesătura țesăturii, de materialul precursor, pe bază de Pan (rezistență mare, CTE mai mare) sau pe bază de Pitch (modul/rigiditate mare, CTE mai mic).
Într-un catarg suficient de înalt, diferențele dintre coeficienții de dilatare termică ai diferitelor materiale pot modifica ușor tensiunile de montaj.
Ceficientul scăzut de dilatare termică face ca fibra de carbon să fie potrivită pentru aplicații în care mișcările mici pot fi critice. Telescoapele și alte utilaje optice reprezintă o astfel de aplicație.
10-11-12 Netoxice, biologic inerte, permeabile la raze X
Aceste calități fac ca fibra de carbon să fie utilă în aplicațiile medicale. Utilizarea de proteze, implanturi și repararea tendoanelor, instrumente chirurgicale accesorii pentru raze X, toate sunt în curs de dezvoltare.
Deși nu sunt otrăvitoare, fibrele de carbon pot fi destul de iritante și expunerea neprotejată pe termen lung trebuie limitată. Matricea, fie ea epoxidică sau poliesterică, poate fi totuși toxică și trebuie să se acorde atenția cuvenită.
13- Fibra de carbon este relativ scumpă
Deși oferă avantaje excepționale de rezistență, rigiditate și reducere a greutății, costul este un factor de descurajare. Cu excepția cazului în care avantajul greutății este excepțional de important, cum ar fi în aplicațiile aeronautice sau în curse, de multe ori nu merită costul suplimentar. Cerința redusă de întreținere a fibrei de carbon este un avantaj suplimentar.
Este dificil de cuantificat cool și la modă. Fibra de carbon are o aură și o reputație care îi face pe consumatori să fie dispuși să plătească mai mult pentru cachet-ul de a o avea.
S-ar putea să aveți nevoie de mai puțin în comparație cu fibra de sticlă și acest lucru ar putea fi o economie.
Fibre Glast Real Carbon Fiber Fabric – 3K, 2 X 2 – Twill Weave – 1 yd Roll
Noahs furnizează pânză din fibră de carbon și sticlă pentru constructorii amatori de ambarcațiuni, rătăciți-vă în catalogul lor online și comparați prețurile. (Magazin canadian)
14- Fibrele de carbon sunt fragile
Capacele din fibre sunt formate prin legături covalente puternice. Agregatele sub formă de foiță permit cu ușurință propagarea fisurilor. Atunci când fibrele se îndoaie, acestea cedează la o deformație foarte mică. Cu alte cuvinte, fibra de carbon nu se îndoaie foarte mult înainte de a ceda.
Efectul variației raportului dintre fibra de carbon și matrice
15- Fibra de carbon nu este încă adaptată tehnicilor amatorilor.
Pentru a maximiza caracteristicile fibrei de carbon, trebuie atins un nivel relativ ridicat de excelență tehnică. Imperfecțiunile și bulele de aer pot afecta semnificativ performanța. În mod obișnuit, sunt necesare autoclave, sau echipamente de vid. Matrițele și mandrinele reprezintă, de asemenea, cheltuieli majore.
Succesul oricărei construcții amatoare din fibră de carbon va fi strâns legat de îndemânarea și grija acordată.
Iată un link către un videoclip YouTube realizat de Easy Composite Ltd. cu privire la diverse tehnici de utilizare a fibrei de carbon. Ei au o serie de videoclipuri instructive.
Acest articol este o lucrare în desfășurare. Voi continua să adaug informații și să perfecționez textul pe măsură ce explorez acest subiect. Informațiile pe care le-am prezentat provin dintr-o varietate de surse. Am încercat să le verific atunci când am putut. Încerc să folosesc „surse de încredere”, cum ar fi datele producătorului, lucrări de cercetare sau articole universitare. De asemenea, mă bazez pe Wikipedia pentru o privire de ansamblu.
Bun articol de la Universitatea din Tennessee despre producția de fibră de carbon.
Christine.
E-mail-mi dacă găsești greșeli, le voi corecta și vom beneficia cu toții: Christine
.