Multe utilizări și aplicații interesante ale compozitelor din fibră de carbon

 

Ce sunt compozitele din fibră de carbon?

Materialele compozite constau dintr-o fibră de armare încapsulată într-o rășină polimerică. Există o serie de formulări de rășini și tipuri de fibre utilizate în compozite, dar fibra de carbon iese în evidență ca o componentă care se găsește în multe produse-de înaltă performanță. În aplicațiile în care reducerea greutății în timp ce se creează o rezistență ridicată are prioritate, fibra de carbon este alegerea armăturii în multe structuri compozite avansate.

 

Fibra de carbon se găsește în structurile compozite oriunde rezistența și greutatea redusă sunt un avantaj; poate fi găsit în mașini sport, mașini de curse, bărci de înaltă-performanță, avioane și vehicule aerospațiale, echipamente medicale și echipamente pentru articole sportive, inclusiv schiuri, snowboard-uri, rachete de tenis, crose de golf și sute de alte produse.

 

Aplicațiile pentru compozitele din fibră de carbon cresc într-un ritm mai rapid decât economia generală, deoarece nevoia de structuri compozite avansate ușoare crește. Economiștii prevăd o creștere semnificativă a oportunităților din industrie pe măsură ce tehnologia avansează și aplicațiile cresc. Vă interesează modul în care compozitele din fibră de carbon creează produse de-performanță înaltă sau rolul lor în economisirea de energie prin reducerea-greutății? Aflați mai multe despre utilizările fibrei de carbon și despre cum să vă implicați în viitorul tehnologiei compozitelor.

 

Ce este fibra de carbon?

Fibra de carbon, cunoscută și sub denumirea de fibră de grafit, este un material puternic și ușor format din sute de filamente de carbon individuale, care sunt de opt ori mai subțiri decât părul uman. Filamentele sunt compuse din atomi de carbon legați împreună în lanțuri lungi. După greutate, un compozit din fibră de carbon este de cinci ori mai rezistent decât oțelul și de două ori mai rigid, ca urmare a rezistenței sale ridicate la tracțiune.

Cum este fabricată fibra de carbon?

Filamentele de carbon încep cu un plastic pe bază de-acril cunoscut sub numele de poliacrilonitril (PAN). Un proces în mai multe-etape începe prin încălzirea și rotirea fibrelor de poliacrilonitril (PAN) în filamente. Aceste filamente sunt apoi încălzite la temperaturi chiar mai ridicate, de aproximativ 3.000 F, suferind oxidare și carbonizare care îndepărtează elementele non-de carbon și aliniază atomii de carbon în cristale-strânse. Fibrele de carbon rezultate primesc apoi un tratament de suprafață, sunt asamblate în mănunchiuri și învelite în bobine. Aceste fibre sunt apoi grupate în mănunchiuri mai mari cunoscute sub denumirea de „câulă” de carbon sau țesute în țesături.

 

Cum se utilizează fibra de carbon?

Șuvițele de câlți din fibră de carbon sau țesături sunt saturate cu o rășină polimerică, cum ar fi epoxid, și modelate într-o matriță. Rășina întărită încapsulează filamentele de carbon și creează o matrice rigidă în forma dorită a produsului. Combinația dintre matricea de rășină (epoxidice) și fibra de armare (carbon) creează un material compozit. Semnele distinctive ale compozitelor armate cu fibră de carbon sunt greutatea ușoară, rigiditatea și rezistența ridicată la tracțiune.

 

Zorii fibrei de carbon

Istoria fibrei de carbon datează de la sfârșitul secolului al XIX-lea, când Thomas Edison a folosit fibrele de carbon ca filamente pentru experimentele timpurii cu becuri. Cu toate acestea, abia în anii 1950 au fost produse fibrele de carbon ca material-de înaltă rezistență.

Folosirea fibrei de carbon ca componentă compozită a început în 1958. Dr. Roger Bacon, Union Carbide, a creat fibre de carbon lucrabile prin încălzirea firelor de raion la aproximativ 3.000 de grade F până când s-au carbonizat. Acest proces a fost precursorul metodei moderne de producție a fibrei de carbon. Anii 1960 a avut loc prima producție comercială de fibre de carbon folosind procesul dezvoltat de Union Carbide. Potențialul fibrelor de carbon ca armătură compozită a fost recunoscut și Rolls Royce a început să le încorporeze în componentele motoarelor cu reacție.

În anii 1970, industria aerospațială a condus la progrese în tehnologia compozitelor, iar aplicațiile fibrei de carbon au devenit mai bine documentate și rafinate. Cursa a început să aplice această tehnologie la structurile în care reducerea greutății și creșterea rezistenței erau importante. Deoarece fibra de carbon brută costă mai mult decât alte armături cu fibre, a devenit adaptată la aplicații critice în care costul era secundar performanței.

În anii 1980, a avut loc o creștere semnificativă a compozitelor din fibră de carbon, deoarece aceste materiale au început să-și facă loc în industria articolelor sportive. Schiuri, snowboard-uri, rachete de tenis, crose de golf, bețe de pescuit și cadre pentru biciclete au început să prezinte componente din fibră de carbon pentru caracteristicile lor ușoare și de înaltă{2}}rezistență. În sectorul comercial, industria auto, cursele cu motor și industria navală au început să experimenteze cu fibra de carbon pentru a reduce greutatea vehiculului și a îmbunătăți performanța. Simultan, aplicațiile aerospațiale și de apărare au avansat cunoștințele de inginerie-pentru aplicarea compozitelor din fibră de carbon în aplicații de cea mai înaltă performanță.

Până în anii 1990, utilizarea compozitelor din fibră de carbon a crescut, deoarece producătorii au găsit modalități de a reduce costurile și de a îmbunătăți calitatea fibrelor de carbon. Acest lucru a condus la aplicații mai largi, inclusiv în sectoarele construcțiilor și energiei eoliene.

Fibra de carbon, ca element de bază al compozitelor, a devenit populară în anii 2000. Acest material nu se mai limita la aplicații-de ultimă generație, ci era folosit într-o gamă largă de industrii, de la electronice de larg consum până la infrastructură. În următoarele două decenii, compozitele avansate au fost folosite în aplicații de profil din ce în ce mai înalt-, cum ar fi avioanele Boeing 787 și Airbus A350. Industria auto a adoptat tehnologia compozitelor-inspirată de curse cu motor, iar bărcile de ultimă generație-de toate tipurile folosesc compozite de carbon ca structuri primare. Apariția instrumentelor de inginerie, cum ar fi analiza cu elemente finite și dinamica fluidelor computaționale, generează performanțe și aplicații din ce în ce mai-pentru aceste materiale compozite.

 

Câteva aplicații cu adevărat interesante ale fibrei de carbon

Astăzi, o aplicație pentru compozite din fibră de carbon apar în mod regulat. În timp ce în trecut, fibra de carbon era exotică și scumpă, acum puteți găsi fibră de carbon într-o gamă largă de industrii și produse, cum ar fi:

 

Marin

Compozitele din fibră de carbon au fost pilonul principal al ambarcațiunilor de curse-de înaltă performanță de câteva decenii. Bărcile de la Cupa Americii sunt exemple de a duce tehnologia la limită, cu structuri din fibră de carbon care rivalizează cu construcția aerospațială. Bărcile de producție integrează din ce în ce mai mult fibra de carbon în procesarea infuziei în vid, cu scopul de a produce o ambarcațiune mai ușoară și mai rapidă.

 

Automobile

Fibra de carbon a fost din ce în ce mai mult adoptată în producția auto. Aceste materiale și-au găsit pentru prima dată utilizarea în mașinile de Formula 1 și Indy, care au fost primii în adoptarea tehnologiei aerospațiale. Apoi a ajuns la mașini sport exotice de ultimă generație-și în prezent își face loc în mașini de serie. „Lightweighting” este un obiectiv major al designului auto pentru a îmbunătăți performanța și a reduce impactul asupra mediului. NASCAR a trecut recent la caroserii compozite pentru mașinile Cup Series. Aceste noi caroserii s-au dovedit a fi atât de dure încât au schimbat stilul de curse, deoarece mașinile pot tolera abuzuri mai mari.

 

Transport

Industria de camioane a folosit componente compozite de zeci de ani pentru a îmbunătăți aerodinamica și economia de combustibil. Există o revoluție în așteptare în designul camioanelor grele care va încorpora o aerodinamică mult îmbunătățită și o greutate redusă. Aceste inovații se bazează pe componente și design compozite pentru a reduce rezistența aerodinamică. Se estimează că noile modele realizate cu componente compozite ușoare și elegante pot duce la economii de combustibil de peste 50 de miliarde de dolari pe an.

 

Avioane, aerospațiale și apărare

Privind peste spectrul de aeronave comerciale, avioane militare, vehicule de lansare și nave spațiale orbitale, compozitele din fibră de carbon joacă un rol din ce în ce mai important în îndeplinirea obiectivelor de performanță. Ingineria compozitelor a fost bine dezvoltată în aceste arene și inovațiile în curs sunt anunțate în mod obișnuit. Au fost alocate cantități uriașe de fibră de carbon pentru proiecte de tehnologie avansată militare și de apărare clasificate. În arena comercială, zeci de aeronave electrice cu decolare-verticală (VTOL) abia acum devin certificate sau sunt în curs de dezvoltare. Toate aceste noi aeronave folosesc compozite de carbon ca material structural primar.

 

Articole sportive

Compozitele din fibră de carbon se găsesc în lumea articolelor sportive datorită rezistenței și greutății sale. Acestea includ: bețe de hochei, rachete de tenis, arcuri de tir cu arcul, crose de golf și bețe de pescuit, schiuri, snowboard-uri, wakeboard-uri, kiteboard-uri și foilboards. Toate folosesc fibră de carbon împreună cu carcase de vâsle și biciclete.

 

Medicament

Domeniul medical este o altă industrie în care fibra de carbon a avut un impact semnificativ în ultimii ani. Fibra de carbon este transparentă în imaginile cu raze X-, ceea ce a condus la utilizarea sa într-o gamă largă de echipamente cu raze X- și de imagistică. Fibra de carbon este, de asemenea, utilizată în protezele membrelor, care sunt puternice, ușoare și confortabile de purtat și de utilizat.