Fibre de carbon
I. Introducere:
Fibrele de carbon cu rezistenta mare la tractiune sau cu modul
ridicat reprezinta agentul de ramforsare predominant pentru
obtinerea de materiale compozite de inalta performanta. In
combinatii cu rasini poliesterice , epoxidice sau poliimidice,
fibrele de carbon conduc la materiale compozite ce intrec , in ceea
ce privesc rezistentele la tractiune , cele mai bune aliaje
metalice . Ele poseda insa densitatii mult mai mici decat aliajele
metalice, ceea ce este foarte important pentru multe aplicatii , de
exemplu in industria aerospatiala unde sunt necesare materiale cu
densitate redusa si cu rezistenta la tractiune ridicata.
Proprietatile unice ale materialelor compozite ranforsate cu
fibre de carbon sunt atribuite caracterului puternic anizotrop al
cristalului de grafit . Datorita orientarii diferite a planurilor
atomilor de carbon s-a stabilit pentru fibrele cu grad de orientare
mai redus sa se foloseasa notiunea de fibre de carbon , iar pentru
cele cu inalta orientare a planurilor sa se foloseasca termenul de
fibre grafitice. Aceste 2 tipuri de fire se deosebesc foarte mult
intre ele prin temperatura de obtinere , prin continutul de carbon
si prin proprietatiile mecanice . Astfel , fibrele de carbon
prezinta o rezistenta ridicata la tractiune , in timp ce fibrele
grafitice prezinta modulul de elasticitate foarte ridicat .
Fibrele grafitice au un continut de carbon de minim 99%, in timp
ce fibrele de carbon au un continut de carbon intre 80% - 95% .
II. Istoric:
Primele fibre de carbon au fost obtinute de catre Thomas Edison
la sfarsitul secolului al XVIII-lea prin piroliza fibrelor
celulozice naturale sau a celor regenerate si au fost utilizate ca
filamente in lampile incandescente realizate de acesta. Din anul
1909 , dupa ce a fost descoperit filamentul din wolfram , a scazut
interesul pentru fibrele de carbon pana in anul 1950 , cand Soltes
si Abbott obtin fibre de carbon cu rezistenta la tractiune mai mare
de 275 MPa . In 1959, Union Carbide Corporation incepe productia de
fibre de carbon utilizand fibrele celulozice ca precursori. In 1965
, s-a gasit ca , prin conducerea tratamentului termic la
temperature de peste 2500 grade Celsius , sub tensiune, se obtin
fibre cu orientarea preferential paralela a planurilor.Primele date
referitoare la obtinerea fibrelor de carbon pornind de la
poliacrilonitril ca precursor au fost publicate in 1960. In 1964,
Watt si Johnson de la Royal Aircraft Establishment publica un
patent referitor la obtinerea unor fibre cu rezistenta si modulul
foarte ridicat. Datorita cercetarilor desfasurate in continuare,
astazi , poliacrilonitrilul constituie principalul precursor pentru
obtinerea fibrelor de carbon , in industrie producandu-se fibre cu
modulul de elasticitate cuprins intre 210 si 800 GPa si rezistenta
la tractiune intre 1620 si 3275 MPa . Consumul de fibre de carbon
in industria aerospatiala reprezinta aproximativ un sfert din
consumul total anual .
1999 (kg)2004 (kg)2006 (kg)2008 (kg)2010 (kg)
Industria aerospatiala40005600650075009800
Industrie 810011400128001560017500
Articole sportive45004900590067006900
Total1660021900252002980034200
Cum se obtin fibrele de carbon ?
Pentru obtinerea fibrei de carbon, se folosesc o varietate mare
de materiale, numite precursoare. Acestea sunt filate in filamente
subtiri care sunt apoi convertite in fibra de carbon in 4
etape:
stabilizarea (oxidarea)carbonizaregrafitizaretratamentul
suprafeti Fibrele continue sunt apoi bobinate si comercializate
pentru tesere sau pentru alte procedee de obtinere a structurilor
din fibra de carbon (filament winding, pultrusion). Astazi,
materialul precursor predominant in fabricarea fibrelor de carbon
este poliacrilonitrilul (PAN). Fibra de carbon astfel obtinuta are
un diametru de 5 -10 m.
Bobine cu fibre de carbon
Panza din fibre de carbon cu aranjament linear.
III. Clasificarea fibrelor de carbon:
Dupa proprietatiile de baza :TIPUL FIBREIMODULUL ,GPaAcronim
Cu modulul ultraridicat>500UHM
Cu modulul inalt350-450HM
Cu modulul intermediar200-350IM
Cu modulul scazut0.3HT
Dupa natura precursorului:
Fibre de carbon pe baza de poliacrilonitrilFibre de carbon pe
baza de smoalaFibre de carbon pe baza de smoala mezofazicaFibre de
carbon pe baza de smoala izotropicaFibre de carbon pe baza de
celuloza ( precursor fibre viscoza)Fibre de carbon pe baza de
celuloza (precursor fibre lyocell)
Dupa tratamentul termic final al fibrelor:
Tipul I : fibre de carbon tratate la temperaturi ridicate (HTT)
-2000 grade Celsius .Tipul II : fibre de carbon tratate la
temperaturi intermediare (IHT) 1500 grade Celsius .Tipul III :
fibre de carbon tratate termic la temperature sczute care nu
depasesc 1000 grade Celsius .
Structura fibrei de carbon.
IV. Structura si proprietatiile fibrelor de carbon
Proprietatile caracteristice fibrelor de carbon:
Densitate 1.67-1.9 g/cm Excelente proprietati mecanice la
tractiune si compresie Rezistenta termica foarte buna Excelenta
inertie chimica la temperature ambianta Buna conductivitate
termica
Defecte caracteristice fibrelor de carbon :
Rezistenta scazuta la soc Rezistenta scazuta la abraziune Sunt
atacate de oxigen si acizi oxidanti la temperature mai mari de 400
grade Celsius Are loc o coroziune tip galvanic la contactul cu
metale si aliaje
Ca si grafitul, fibra de carbon are la baza o structura atomica
plana cu legaturi foarte puternice intre atomii de carbon,
covalente. In cazul grafitului, planurile sunt paralele, legaturile
dintre ele fiind de tip Van der Walls ce pot fi usor rupte. In
locul straturilor plane de atomi din carbon, care se gasesc in
grafit, fibra de carbon este formata din panglici de atomi de
carbon, spiralate, aliniate paralel cu axa fibrei.icroMicr
structuri observate in fibra de carbon
V. Utilizarile fibrelor de carbon :
Materialele composite pe baza de fibre de carbon si-au gasit
largi utilizari in industriile aeronautica , aerospatiala, navala
si in tehnica militara . In viitorul apropiat , aceste domenii vor
continua sa fie principalii beneficiari ai compozitelor pe baza de
fibre de carbon si matrice termoplastice sau termoreactive .
Fibrele de carbon au aplicatii multiple in industria
aerospatiala fiind utilizate la constructia fuselajului. De exemplu
: Satelitul Intersat IV este realizat integral din rasini epoxidice
armate cu fibre de carbon , avionul Boeing 787 Dreamliner este
construit 60% din fibre de carbon ,scazandu-i masa si consumul
considerabil . Rezistenta la temperaturi nalte, de 3.000C, a
determinat utilizarea acestora ca materiale pentru realizarea
motoarelor de turboreactoare si rachete. Camera de ardere si
ajutajul avionului IAR 111 este facut 100% din fibre de carbon si
rasini epoxidice.
Intersat IV satelit cu structura din fibre de carbon
Boeing 787 fuselaj din fibre de carbon si rasini epoxidice
Camera de ardere si ajutajul avionului IAR-111
La avioanale noi , peste 20% din partile componente ale aripii ,
motoarelor si ampenajului sunt facute din fibre de carbon. Ca si in
imaginea de mai sus , putem vedea ca partile mobile ale aripii (
eleroane , flapsuri, voaleti de bord atac, etc )sunt facute din
fibre de carbon , la fel si usile , carcasele motoarelor ,
profundorul, si directia (elementele colorate cu albastru ).
Brabus Brings avion privat cu fuselaj facut complet din fibre de
carbon.
Bibliografie.
Gheorghe Hubca Chimia aplicata a polimerilorWikipedia.ro
Proiect realizat de Bunescu Ionut, grupa 913