Weihai Snowwing Outdoor Equipment., Ltd.
A calidade é a alma da empresa

Como se fabrica a fibra de carbono?

Como se fabrica a fibra de carbono?

A fabricación, usos e futuro deste material forte e lixeiro

Tamén chamada fibra de grafito ou grafito de carbono, a fibra de carbono está formada por fíos moi finos do elemento carbono. Estas fibras teñen unha alta resistencia á tracción e son extremadamente fortes polo seu tamaño. De feito, unha forma de fibra de carbono, o nanotubo de carbono, considérase o material máis resistente dispoñible. As aplicacións da fibra de carbono inclúen construción, enxeñaría, aeroespacial, vehículos de alto rendemento, equipos deportivos e instrumentos musicais. No campo da enerxía, a fibra de carbono utilízase na produción de palas de muíños de vento, almacenamento de gas natural e pilas de combustible para o transporte. Na industria aeronáutica, ten aplicacións tanto en avións militares como comerciais, así como en vehículos aéreos non tripulados. Para a exploración petrolífera, utilízase na fabricación de plataformas e tubos de perforación en augas profundas.

Datos rápidos: estatísticas de fibra de carbono

  • Cada fío de fibra de carbono ten un diámetro de cinco a 10 micras. Para darche unha idea do pequeno que é, unha micra (um) é 0,000039 polgadas. Un único fío de seda de tea de araña adoita ter entre tres e oito micras.
  • As fibras de carbono son dúas veces máis ríxidas que o aceiro e cinco veces máis fortes que o aceiro (por unidade de peso). Tamén son altamente resistentes químicamente e toleran altas temperaturas cunha baixa expansión térmica.

Materias primas
A fibra de carbono está feita de polímeros orgánicos, que consisten en longas cadeas de moléculas unidas por átomos de carbono. A maioría das fibras de carbono (aproximadamente o 90%) están feitas a partir do proceso de poliacrilonitrilo (PAN). Unha pequena cantidade (aproximadamente o 10%) fábricase a partir de rayon ou de proceso de brea de petróleo.

Os gases, líquidos e outros materiais utilizados no proceso de fabricación crean efectos, calidades e graos específicos da fibra de carbono. Os fabricantes de fibra de carbono usan fórmulas patentadas e combinacións de materias primas para os materiais que producen e, en xeral, tratan estas formulacións específicas como segredos comerciais.

A fibra de carbono de grao máis alto co módulo máis eficiente (unha constante ou coeficiente que se usa para expresar o grao numérico en que unha substancia posúe unha propiedade particular, como a elasticidade) utilízase en aplicacións esixentes como a aeroespacial.

Proceso de fabricación
A creación de fibra de carbono implica procesos tanto químicos como mecánicos. As materias primas, coñecidas como precursoras, son atraídas en longas cadeas e despois quéntanse a altas temperaturas nun ambiente anaeróbico (sen osíxeno). En lugar de arder, a calor extrema fai que os átomos de fibra vibren tan violentamente que case todos os átomos que non son de carbono son expulsados.

Despois de completar o proceso de carbonización, a fibra restante está formada por cadeas de átomos de carbono longas e estreitamente entrelazadas con poucos ou ningún átomo que non sexa de carbono. Estas fibras son posteriormente tecidas en tecido ou combinadas con outros materiais que despois son enroladas por filamentos ou moldeadas nas formas e tamaños desexados.

Os seguintes cinco segmentos son típicos no proceso PAN para a fabricación de fibra de carbono:

  • Xirando. A PAN mestúrase con outros ingredientes e fórmase en fibras, que despois se lavan e estiran.
  • Estabilizante. As fibras sofren alteracións químicas para estabilizar a unión.
  • Carbonizando. As fibras estabilizadas quéntanse a unha temperatura moi elevada formando cristais de carbono estreitamente unidos.
  • Tratando a Superficie. A superficie das fibras está oxidada para mellorar as propiedades de unión.
  • Talla. As fibras están recubertas e enroladas en bobinas, que se cargan en máquinas de fiar que retorcen as fibras en fíos de diferentes tamaños. En lugar de tecerse en tecidos, as fibras tamén se poden formar en materiais compostos, usando calor, presión ou baleiro para unir as fibras cun polímero plástico.

Os nanotubos de carbono son fabricados mediante un proceso diferente ao das fibras de carbono estándar. Estímase que son 20 veces máis fortes que os seus precursores, os nanotubos fórxanse en fornos que empregan láseres para vaporizar partículas de carbono.

Retos de Manufactura
A fabricación de fibras de carbono supón unha serie de retos, entre eles:

  • A necesidade dunha recuperación e reparación máis rendibles
  • Custos de fabricación insostibles para algunhas aplicacións: por exemplo, aínda que a nova tecnoloxía está en desenvolvemento, debido a custos prohibitivos, o uso da fibra de carbono na industria do automóbil está limitado actualmente a vehículos de alto rendemento e de luxo.
  • O proceso de tratamento da superficie debe estar coidadosamente regulado para evitar a creación de fosas que dean como resultado fibras defectuosas.
  • Requírese un estreito control para garantir unha calidade consistente
  • Problemas de saúde e seguridade, incluíndo irritación da pel e da respiración
  • Arcos e curtos en equipos eléctricos debido á forte electrocondutividade das fibras de carbono

Futuro da fibra de carbono
A medida que a tecnoloxía da fibra de carbono segue evolucionando, as posibilidades da fibra de carbono só se diversificarán e aumentarán. No Massachusetts Institute of Technology, varios estudos centrados na fibra de carbono xa mostran unha gran promesa para crear novas tecnoloxías de fabricación e deseño para satisfacer a demanda da industria emerxente.

O profesor asociado de Enxeñaría Mecánica do MIT John Hart, un pioneiro de nanotubos, estivo traballando cos seus estudantes para transformar a tecnoloxía de fabricación, incluíndo novos materiais que se empregarán xunto con impresoras 3D de calidade comercial. “Pedinlles que pensasen completamente fóra dos carrís; se puidesen concibir unha impresora 3D que nunca se fixera antes ou un material útil que non se poida imprimir coas impresoras actuais", explicou Hart.

Os resultados foron prototipos de máquinas que imprimían vidro fundido, xeados suaves e compostos de fibra de carbono. Segundo Hart, os equipos de estudantes tamén crearon máquinas que poderían xestionar a "extrusión paralela de polímeros de gran área" e realizar "escaneado óptico in situ" do proceso de impresión.

Ademais, Hart traballou co profesor asociado de Química do MIT Mircea Dinca nunha colaboración de tres anos recentemente concluída con Automobili Lamborghini para investigar as posibilidades de novos materiais compostos e fibra de carbono que algún día poderían non só "permitir que a carrocería completa do coche se usado como sistema de baterías", pero conducen a "corpos máis lixeiros e fortes, conversores catalíticos máis eficientes, pintura máis fina e transferencia de calor mellorada do tren de potencia [en xeral]".

Con avances tan abraiantes no horizonte, non é de estrañar que o mercado da fibra de carbono pase de 4.700 millóns de dólares en 2019 a 13.300 millóns de dólares en 2029, cunha taxa de crecemento anual composta (CAGR) do 11,0% (ou lixeiramente superior) o mesmo período de tempo.

Fontes

  • McConnell, Vicki. "A fabricación de fibra de carbono". CompositeWorld. 19 de decembro de 2008
  • Sherman, Don. "Máis alá da fibra de carbono: o seguinte material innovador é 20 veces máis forte". Coche e Condutor. 18 de marzo de 2015
  • Randall, Danielle. "Os investigadores do MIT colaboran con Lamborghini para desenvolver un coche eléctrico do futuro". MITMECHE/In The News: Departamento de Química. 16 de novembro de 2017
  • "Mercado de fibra de carbono por materia prima (PAN, pitch, rayón), tipo de fibra (virxe, reciclada), tipo de produto, módulo, aplicación (composto, non composto), industria de uso final (A e D, automoción, enerxía eólica). ) e Rexión: Previsión global para 2029. MarketsandMarkets™. Setembro 2019

Hora de publicación: 28-Xul-2021