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