Cum este fabricată fibra de carbon?

Numită și fibră de grafit sau grafit de carbon, fibra de carbon este formată din șuvițe foarte subțiri ale elementului carbon. Fibrele de carbon au o rezistență mare la tracțiune și sunt foarte puternice pentru dimensiunea lor. De fapt, fibra de carbon ar putea fi cel mai puternic material existent.

Fiecare fibră are diametrul de 5-10 microni. Pentru a da un sentiment de cât de mic este, un micron (um) este 0,000039 inci. Un fir de mătase cu pânză de păianjen este de obicei între 3-8 microni.

Fibrele de carbon sunt de două ori mai rigide decât oțelul și de cinci ori mai puternice decât oțelul ((unitatea de greutate). De asemenea, sunt foarte rezistente chimic și au toleranță la temperaturi ridicate, cu dilatare termică scăzută.

Fibrele de carbon sunt importante în materialele de inginerie, aerospațial, vehicule performante, echipamente sportive și instrumente muzicale - pentru a numi doar câteva dintre utilizările lor.

Materie prima

Fibra de carbon este formată din polimeri organici, care constau din șiruri lungi de molecule ținute împreună de atomii de carbon. Majoritatea fibrelor de carbon (aproximativ 90 la sută) sunt obținute prin procedeul poliacrilonitril (PAN). O cantitate mică (aproximativ 10 la sută) este fabricată din raion sau procedeul petrolier. Gaze, lichide și alte materiale utilizate în procesul de fabricație creează efecte specifice, calități și grade de fibră de carbon. Fibra de carbon de cea mai înaltă calitate, cu cele mai bune proprietăți ale modulului, este utilizată în aplicații solicitante, cum ar fi aerospațial.

Producătorii de fibre de carbon diferă unul de celălalt în combinațiile de materii prime pe care le folosesc. De obicei, ei tratează formulările lor specifice ca secrete comerciale.

Proces de fabricație

În procesul de fabricație, materiile prime, care se numesc precursori, sunt atrase în fire sau fibre lungi. Fibrele sunt țesute în țesătură sau combinate cu alte materiale care sunt înfășurate cu filament sau modelate în formele și dimensiunile dorite.

Există de obicei cinci segmente în fabricarea fibrelor de carbon din procesul PAN. Acestea sunt:

1. Spinning. PAN amestecat cu alte ingrediente și turnat în fibre, care sunt spălate și întinse.
2. Stabilizarea. Alterarea chimică pentru a stabiliza lipirea.
3. Carbonizare. Fibrele stabilizate încălzite la temperaturi foarte ridicate formând cristale de carbon strâns legate.
4. Tratarea suprafeței. Suprafața fibrelor oxidate pentru a îmbunătăți proprietățile de lipire.
5. Dimensionarea. Fibrele sunt acoperite și înfășurate pe bobine, care sunt încărcate pe mașini de filat care răsucesc fibrele în fire de dimensiuni diferite. În loc să fie țesute în țesături, fibrele pot fi formate în compozite. Pentru a forma materiale compozite, căldura, presiunea sau un vid leagă fibrele împreună cu un polimer din plastic.

Provocări de fabricație

Fabricarea fibrelor de carbon prezintă o serie de provocări, inclusiv:

• Necesitatea unei recuperări și reparații mai rentabile.
• Procesul de tratare a suprafeței trebuie reglementat cu atenție pentru a evita crearea de gropi care ar putea duce la fibre defecte.
• Control strâns necesar pentru a asigura o calitate constantă.
• Probleme de sănătate și siguranță
• Iritatie de piele
• Iritarea respiratorie
• Arcuirea și pantalonii scurți din echipament electric din cauza electro-conductivității puternice a fibrelor de carbon.

Viitorul fibrei de carbon

Datorită rezistenței mari la tracțiune și a ușoarei sale, mulți consideră că fibra de carbon este cel mai important material de fabricație al generației noastre. Fibra de carbon poate juca un rol din ce în ce mai important în domenii precum:

• Energie: Lamele de vânt, depozitarea gazelor naturale și transportul, celule de combustibil.
• Automobile: Utilizată în prezent doar pentru vehicule de înaltă performanță, tehnologia fibrelor de carbon se deplasează într-o utilizare mai largă. În decembrie 2011, General Motors a anunțat că lucrează la compozite din fibră de carbon pentru producția în masă a automobilelor.
• Constructie: Beton ușor pre-turnat, protecție la cutremur.
• Avioane: Aeronave de apărare și comerciale. Vehicule aeriene fără pilot.
• Explorarea petrolului: Platforme de foraj în ape adânci, țevi de foraj.
• Nanotuburi de carbon: Materiale semiconductoare, nave spațiale, senzori chimici și alte utilizări.

În 2015, fibra de carbon a avut o mărime de piață de 2,25 miliarde de dolari. Proiecțiile au ca piața să se extindă la 31 de miliarde de dolari până în 2024. Pentru a realiza acest lucru, costurile trebuie reduse și aplicațiile noi trebuie să fie direcționate.