Carbon Fiber Characteristics
Reputação da Fibra de Carbono como material tem assumido proporções místicas! Não só tem a reputação de ser o melhor e o mais forte, mas também se tornou legal ter algo feito de fibra de carbono!
Não pretendo ser um especialista. Este artigo combina informações que eu encontrei em minha pesquisa sobre Fibra de Carbono, eu não sou uma fonte primária. Tento ser preciso mas Faço DIVERSOS, sei que isso pode ser uma surpresa para alguns de vocês, mas aí está. Se você planeja construir um mastro ou outras coisas baratas, faça sua pesquisa. Consulte um especialista, e tenha cuidado. Divirta-se.
Primeiro, O que é fibra de carbono
Fibra de carbono, não surpreende, é feita de cristais de carbono alinhados em um longo eixo. Estes cristais em forma de favo de mel se organizam em fitas longas e achatadas. Este alinhamento dos cristais torna a fita forte no longo eixo. Por sua vez, estas fitas se alinham dentro das fibras. A forma da fibra é a forma original do material (seu precursor) utilizado para produzir a Fibra de Carbono. Não conheço nenhum processo em que as fibras sejam moldadas APÓS a carbonização. Estas fibras (contendo fitas planas de cristais de carbono) por sua vez são enfardadas pelo fabricante em fibras mais grossas e são tecidas em tecido de carbono, feitas em feltro, torcidas ou enfardadas sem torcer. Isto é referido como Roving. A fibra de carbono também é oferecida como fios e pó cortados.
A fim de modificar as características da camada, outros materiais são às vezes adicionados, como fibras de vidro, Kevlar ou Alumínio. A fibra de carbono é raramente utilizada como tal. Ao invés disso, ela está embutida em uma matriz. Na fabricação de mastros e na construção de barcos geralmente pensamos em resinas epóxi ou poliéster, mas a fibra de carbono também é usada como reforço para termoplásticos, concreto ou cerâmica.
Fabricação de fibra de carbono
Existem vários métodos de fabricação de fibra de carbono, mas essencialmente todos eles começam com a fabricação de fibras a partir de um material precursor rico em carbono. O tamanho e a forma originais da fibra permanecerão na fibra de carbono acabada, mas a estrutura química interior terá sido grandemente modificada através dos vários ciclos de aquecimento. Os primeiros passos são a carbonização e o estiramento das fibras precursoras, seja PAN: Poliacrilonitrilo, Pitch ou Rayon. Existem vários ciclos de aquecimento a temperaturas variáveis, excluindo o oxigénio. Este processo afasta a maioria dos outros elementos (principalmente hidrogênio e nitrogênio) do material inicial, deixando o carbono para trás. Também permite que o carbono se cristalize gradualmente na sua forma característica de favo de mel. Se você ainda não o viu, vá para a minha página de Pesquisa de Carbono e veja o vídeo sobre a estrutura da fibra de carbono. é fabuloso.
Este vídeo do Youtube mostra a fibra de carbono sendo feita e vale a pena dar uma olhada.
Os fatores mais importantes que determinam as propriedades físicas da fibra de carbono são o grau de carbonização (conteúdo de carbono, geralmente mais de 92% por peso) e a orientação dos planos de carbono em camadas (as fitas). As fibras são produzidas comercialmente com uma ampla gama de variações de conteúdo cristalino e amorfo para modificar ou favorecer as várias propriedades.
Dependente do material inicial e do processo de carbonização A fibra de carbono é modificada para se adequar à finalidade final. O PAN ou poliacrilonitrilo é o precursor mais comum para compósitos plásticos.
As principais variações de características são resistência vs rigidez. Usando diferentes ciclos de aquecimento, ou pode ser enfatizado. Pesquisas estão sendo feitas para modificar outras características como condutividade elétrica e térmica.
Não só a estrutura interna das fibras é importante, mas como elas estão alinhadas nos produtos acabados tem um enorme impacto nas propriedades do item sendo fabricado. O alinhamento adequado das fibras de carbono é essencial para maximizar seus benefícios.
Propriedades das Fibras de Carbono, O que não é para amar!!
- Relação alta resistência ao peso
- Rigidez
- Resistência à corrosão
- Condutividade eléctrica
- Resistência à fadiga
- Resistência à tracção mas Brittle
- Resistência ao fogo/não inflamável
- Alta condutividade térmica em algumas formas
- Baixo coeficiente de expansão térmica
- Não venenoso
- Biologicamente inerte
- X-Ray Permeable
- Relatively Expensive
- Requer experiência especializada e equipamento para usar.
Não tenho escrito em detalhes, mas a fibra de carbono é auto-lubrificante, também tem Excelente EMI (Electromagnetic Interference) Shielding Property
1- A fibra de carbono tem High Strength to Weight Ratio (também conhecida como resistência específica)
Força de um material é a força por unidade de área em falha, dividida pela sua densidade. Qualquer material que seja forte E leve tem uma relação Força/Peso favorável. Materiais como o alumínio, titânio, magnésio, carbono e fibra de vidro, ligas de aço de alta resistência, todos têm boa relação força/peso. Não é surpreendente que a madeira Balsa tenha uma alta relação resistência/peso.
Os números seguintes são oferecidos apenas para comparação e variam dependendo da composição, liga, tipo de aranha, densidade da madeira, etc. As unidades são kN.m/kg.
| Fibra de espectro | 3619 |
| Kevlar | 2514 |
| Fibra de carbono | 2457 |
| Fibra de vidro | 1307 |
| Seda de aranha | 1069 |
| Composto epóxi de carbono | 785 |
| Balsa carga axial | 521 |
| Liga de aço | 254 |
| Liga de alumínio | 222 |
| polipropileno | 89 |
| Oak | 87 |
| Nylon | 69 |
Notem que força e rigidez são propriedades diferentes, força é resistência à quebra, rigidez é resistência à flexão ou alongamento.
Por causa da forma como os cristais de fibra de carbono se orientam em longas fitas planas ou folhas estreitas de cristais de favo de mel, a resistência é maior no sentido longitudinal do que ao longo da fibra. É por isso que os designers de objectos em fibra de carbono especificam a direcção em que a fibra deve ser colocada para maximizar a resistência e a rigidez numa direcção específica. A fibra sendo alinhada com a direção de maior tensão.
Fibra de carbono precursora à base de panela tem maior resistência do que a fibra de carbono à base de breu que tem maior rigidez.
2- A fibra de carbono é muito rígida
Rigidez ou rigidez de um material é medida pelo seu Módulo Jovem e mede o quanto um material se desvia sob tensão. O plástico reforçado com fibra de carbono é mais de 4 vezes mais rígido que o plástico reforçado com vidro, quase 20 vezes mais que o pinho, 2,5 vezes maior que o alumínio. Para mais informações sobre a rigidez e como ela é medida, mais uma tabela comparativa de diferentes materiais veja minha página Young Modulus.
Remember stress is force, strain is deflection such as bending or stretching
3- Carbon fiber is Corrosion Resistant and Chemically Stable.
Although though carbon fibers themselves do not deteriorate measurably, Epoxy is sensitive to sunlight and needs to be protected. Outras matrizes (qualquer que seja a fibra de carbono embutida) também podem ser reativas.
As fibras de carbono podem ser afetadas por agentes oxidantes fortes
Os compostos feitos de fibra de carbono devem ser feitos com epóxi resistente aos raios UV (incomum), ou cobertos com um acabamento resistente aos raios UV, como vernizes.
4- A fibra de carbono é Condutiva Elétrica
Esta característica pode ser útil ou ser um incômodo. Na construção de barcos a condutividade tem de ser tida em conta tal como a condutividade do alumínio entra em jogo. A condutividade da fibra de carbono pode facilitar a Corrosão Galvânica em ferragens. Uma instalação cuidadosa pode reduzir este problema.
Pó de fibra de carbono pode acumular-se numa loja e causar faíscas ou curto-circuitos em aparelhos e equipamentos eléctricos.
Existe actualmente uma grande quantidade de R&D na utilização da condutividade eléctrica da fibra de carbono para produzir calor quer para uma cura mais rápida dos materiais compostos, quer para as próprias capacidades de aquecimento. Isto pode ter aplicação em roupas de inverno ou roupas destinadas a ambientes agressivos.
Aqui está um trabalho de pesquisa sobre Têxteis Condutores e seu uso na Detecção de Feridas de Combate. arquivo PDF
5- Resistência à Fadiga é boa
Resistência à Fadiga em Compostos de Fibra de Carbono é boa. Entretanto, quando a fibra de carbono falha, geralmente falha catastroficamente sem sinais externos significativos para anunciar sua falha iminente.
Danos na fadiga por tração é vista como redução na rigidez com maior número de ciclos de tensão, (a menos que a temperatura seja alta)
Teste demonstrou que é improvável que a falha seja um problema quando as tensões cíclicas coincidem com a orientação da fibra. A fibra de carbono é superior ao vidro E na fadiga e resistência estática, assim como na rigidez.
A orientação das fibras E a diferente orientação da camada de fibra, têm uma grande influência em como um composto resistirá à fadiga (como tem na rigidez). O tipo de forças aplicadas também resultam em diferentes tipos de falhas. As forças de tensão, compressão ou cisalhamento resultam todas em resultados de falhas marcadamente diferentes.
Paper by Oak Ridge National Laboratory, em teste de compósitos de fibra de carbono destinados ao uso automotivo. American Institute of Aeronautics and Astronautics, teste para materiais a serem usados em lâminas de turbinas eólicas.
6- A fibra de carbono tem boa resistência à tração
Força de tração ou resistência máxima, é a tensão máxima que um material pode suportar ao ser esticado ou puxado antes de agarrar, ou falhar. O agarrar é quando a secção transversal da amostra começa a contrair-se significativamente. Se você pegar uma tira de saco plástico, ela irá esticar e em um ponto começará a ficar estreita. Isto é agarrar o pescoço. A resistência à tração é medida em Força por unidade de área. Materiais frágeis como a fibra de carbono nem sempre falham no mesmo nível de tensão por causa de falhas internas. Eles falham em pequenas deformações. (em outras palavras, não há muita flexão ou alongamento antes da falha catastrófica) Módulo Weibull de materiais frágeis
Teste envolve pegar uma amostra com uma área de seção transversal fixa, e então puxá-la gradualmente aumentando a força até que a amostra mude de forma ou se quebre. Fibras, como as fibras de carbono, sendo apenas 2/10.000 de uma polegada de diâmetro, são feitas em compósitos de formas apropriadas para testar.
Unidades são MPa Esta tabela é oferecida apenas como comparação, uma vez que há um grande número de variáveis.
| Aço carbono 1090 | 650 |
| Polietileno de alta densidade (PEAD) | 37 |
| Polipropileno | 19.7-80 |
| Polietileno de alta densidade | 37 |
| Aço inoxidável AISI 302 | 860 |
| Liga de alumínio 2014-T6 | 483 |
| Liga de alumínio 6063-T6 | 248 |
| E-Glass alone | 3450 |
| E-Vidro num laminado | 1500 |
| Só em fibra de carbono | 4127 |
| Fibra de carbono num laminado | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Pinho (paralelo ao grão) | 40 |
NOTE: Ao testar fibra de carbono, e outras fibras e materiais não homogêneos, as amostras são muito consistentes e comparáveis. Este não é um procedimento simples. Se você ler pesquisas onde a força/estipicidade é comparada, os pesquisadores sempre explicarão como suas amostras foram fabricadas, incluindo o tipo de matriz, alinhamento das fibras, relação das fibras com a matriz, entre outros fatores. Esta dificuldade explica porque as medições podem variar muito entre os resultados da pesquisa.
7- Resistência ao fogo/não inflamável
Aqui está um artigo sobre reciclagem de fibra de carbono através da queima da matriz.
A fibra de carbono é classificada como não combustível e não tem nenhum ponto de inflamação listado. Se for exposta ao calor elevado na presença de queima de combustível, pode eventualmente oxidar, mas assim que a chama e o combustível são removidos a chama não continua.
Porque a fibra de carbono é quase sempre usada numa matriz como a de epóxi, plástico ou betão, a tolerância da matriz a altas temperaturas é o factor mais significativo.
Dependente do processo de fabricação e do material precursor, a fibra de carbono pode ser feita para se sentir bastante macia à mão e pode ser transformada ou mais freqüentemente integrada em roupas de proteção para combate a incêndios. A fibra revestida a níquel é um exemplo. Como a fibra de carbono também é quimicamente muito inerte, ela pode ser usada onde há fogo combinado com agentes corrosivos.HIGH TEMP FELT WELDING BLANKET – BLACK, 18″ X 24″
8- Condutividade térmica da fibra de carbono
Veja o meu artigo sobre Condutividade térmica de materiais à base de carbono incluindo fibra de carbono, nanotubos e grafeno.
Condutividade térmica é a quantidade de calor transmitida através de uma unidade de espessura, numa direcção normal para uma superfície da unidade de área, devido a um gradiente de temperatura unitário, em condições estáveis. Em outras palavras, é uma medida da facilidade com que o calor flui através de um material.
Existem vários sistemas de medidas dependendo de unidades métricas ou imperiais.
1 W/(m.oC) = 1 W/(m.oC) = 0.85984 kcal/(hr.m.oC) = 0.5779 Btu/(ft.hr.oF)
Esta tabela é apenas para comparação. As unidades são W/(m.K)
| Air | .024 |
| Alumínio | 250 |
| Concreta | .4 – .7 |
| Aço carbono | 54 |
| Isolamento de lã mineral | .04 |
| Contraplacado | .13 |
| Quartzo | 3 |
| Pyrex Glass | 1 |
| Pinho | .12 |
| Epóxi Reforçado com Fibra de Carbono | >24 |
Porque existem muitas variações sobre o tema da fibra de carbono não é possível apontar exactamente a condutividade térmica. Tipos especiais de Fibra de Carbono foram projetados especificamente para alta ou baixa condutividade térmica. Há também esforços para melhorar esta característica.
A Sociedade de Informação de Materiais tem uma página sobre “grafite” AKA Fibra de Carbono
9- Baixo Coeficiente de Expansão Térmica
Esta é uma medida de quanto um material se expande e se contrai quando a temperatura sobe ou desce.
Unidades estão em polegadas/polegada de grau F, como em outras tabelas, as unidades não são tão importantes como a comparação.
| Aço | 7 |
| Alumínio | 13 |
| Kevlar | 3 ou inferior |
| Fibra de carbono tecida | 2 ou menos |
| Fibra de carbono unidireccional | menus 1 a +8 |
| Fibra de vidro | 7-8 |
| Baixo | 11 |
Fibra de carbono pode ter uma ampla gama de CTE’s, -1 a 8+, dependendo da direção medida, o tecido tece, o material precursor, à base de Pan (alta resistência, CTE mais alto) ou à base de Pitch (alto módulo/estipicidade, CTE mais baixo).
Em um mastro com diferenças suficientes de coeficientes de expansão térmica de vários materiais pode modificar ligeiramente as tensões da plataforma.
Baixo coeficiente de expansão térmica torna a fibra de carbono adequada para aplicações onde pequenos movimentos podem ser críticos. Telescópio e outras máquinas ópticas é uma dessas aplicações.
10-11-12 Não Venenoso, Biologicamente Inerte, Raio X Permeável
Estas qualidades tornam a fibra de carbono útil em aplicações médicas. O uso de próteses, implantes e reparação de tendões, instrumentos cirúrgicos acessórios de raios X, estão todos em desenvolvimento.
Embora não sejam venenosos, as fibras de carbono podem ser bastante irritantes e a exposição desprotegida a longo prazo precisa ser limitada. A matriz, seja epoxi ou poliéster, pode, no entanto, ser tóxica e é necessário um cuidado adequado.
13- A fibra de carbono é relativamente cara
Embora ofereça vantagens excepcionais de resistência, rigidez e redução de peso, o custo é um dissuasor. A menos que a vantagem do peso seja excepcionalmente importante, como em aplicações aeronáuticas ou em corridas, muitas vezes não vale o custo extra. A baixa necessidade de manutenção da fibra de carbono é uma vantagem adicional.
É difícil quantificar o frio e a moda. A fibra de carbono tem uma aura e reputação que faz os consumidores dispostos a pagar mais pelo cachet de tê-la.
Você pode precisar de menos dela em comparação com a fibra de vidro e isso pode ser uma economia.
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14- As fibras de carbono são frágeis
As camadas nas fibras são formadas por fortes ligações covalentes. As agregações em forma de folha permitem facilmente a propagação de fissuras. Quando as fibras se dobram, elas falham com uma tensão muito baixa. Em outras palavras, a fibra de carbono não se dobra muito antes de falhar.
Efeito da variação da proporção de fibra de carbono e matriz
15- A fibra de carbono ainda não está orientada para técnicas amadoras.
A fim de maximizar as características da fibra de carbono, um nível relativamente alto de excelência técnica deve ser alcançado. Imperfeições e bolhas de ar podem afetar significativamente o desempenho. Tipicamente, autoclaves, ou equipamentos de vácuo são necessários. Moldes e mandris também são despesas importantes.
O sucesso de qualquer construção amadora de fibra de carbono estará intimamente ligado à habilidade e cuidado tomados.
Aqui está um link para um vídeo no YouTube da Easy Composite Ltd. sobre várias técnicas usando Fibra de Carbono. Eles têm um número de vídeos instrucionais.
Este artigo é um trabalho em progresso. Vou continuar a adicionar informações e refinar o texto enquanto exploro o assunto. As informações que apresentei vêm de uma variedade de fontes. Eu tentei verificar quando pude. Tento usar “fontes confiáveis”, tais como dados do fabricante, artigos de pesquisa ou artigos universitários. Eu também confio na Wikipédia para uma visão geral.
Bom artigo da Universidade do Tennessee sobre produção de fibra de carbono.
Christine.
Email me se você encontrar erros, eu vou corrigi-los e todos nós vamos nos beneficiar: Christine