Ce sunt compușii CFRP și de ce sunt utili?

Polimerii ranforsați cu fibră de carbon sau CFRP sunt o clasă de materiale compozite cu densitate foarte scăzută și de înaltă rezistență, care găsesc aplicații într-o gamă largă de industrii, inclusiv de la echipamente pentru sporturi extrem de competitive până la industria aerospațială. În ciuda denumirii sale tehnice fiind compozite polimerice armate cu fibră de carbon, majoritatea oamenilor se referă la această clasă de materiale pur și simplu ca fibră de carbon .

După cum sugerează și numele, acești compuși sunt formați dintr-o matrice polimerică sau plastică întărită cu o țesătură din fibră de carbon de înaltă rezistență. Proprietățile finale ale compozitului depind atât de tipul de rășină utilizată, cât și de caracteristicile particulare ale fibrelor, precum și de modul în care fibrele sunt împletite în matrice și de direcția pe care o au în material. Pe de altă parte, se adaugă de obicei diferiți aditivi pentru a modifica în continuare proprietățile piesei rezultate.

Matricea polimerică

Matricea polimerică îndeplinește funcția de a menține fibrele de carbon împreună și într-o poziție fixă; de asemenea modelează piesa care se face.Aceasta constă aproape întotdeauna dintr-o rășină epoxidice întărită la căldură, deși există cazuri în care se folosesc în schimb rășini polimerizate la aer sau un polimer termoplastic sau alt polimer.

În procesul de fabricare a pieselor, rășina epoxidică poate fi inclusă în diferite moduri. În unele cazuri, foile de fibră de carbon sunt deja înmuiate în rășină înainte de a fi stivuite una peste alta; în alte cazuri, sunt așezate straturi de rășină neîntărită, urmate de o foaie de fibră de carbon, apoi un alt strat de rășină și așa mai departe.

fibre de carbon

Procesul de fabricare a fibrei de carbon

Procesul de fabricație al fibrelor de carbon este foarte ingenios. În esență, constă în fabricarea și filarea mai întâi a unei fibre polimerice sintetice, adică a unui plastic. Acesta poate fi preparat sub formă de fibre, fie prin topirea unui plastic deja sintetizat și apoi întinzându-l cât este încă fierbinte, fie trăgându-l pe măsură ce se polimerizează. În orice caz, rezultatul final este un fir de polimer alcătuit din lanțuri cu mii de atomi de carbon, plus hidrogen, oxigen și, eventual, alt element.

Odată obținută structura de bază a fibrei, următorul pas este carbonizarea materialului, adică toți ceilalți atomi ai structurii sunt eliminați. Acest lucru se realizează în general prin încălzirea bobinelor din fibre sintetice la o temperatură ridicată, fie sub vid, fie într-o atmosferă inertă (adică în absența oxigenului).

Procesul de fabricație pentru aceste fibre variază foarte mult de la un producător la altul. Calitatea și proprietățile chimice și mecanice depind în mare măsură de metoda de sinteză și fabricație, pe lângă modul în care fibrele sunt împletite la pregătirea foilor care vor forma ulterior compozitul. Din acest motiv, compozitele din fibra de carbon pot fi gasite in diferite prezentari si cu game de pret foarte variate.

Laminat din fibre de carbon

Fibrele de carbon pot fi introduse în matricea plastică sub formă de foi care conțin fibre unidirecționale, care sunt orientate strategic pentru a întări piesa finală în anumite direcții. Rezistența mecanică a fibrelor are loc fundamental de-a lungul axei sale, așa că dacă doriți să fabricați o piesă rezistentă la îndoire în diferite direcții, fibrele care străbat piesa în direcțiile menționate trebuie neapărat introduse în material.

Acesta din urmă se realizează în general într-unul din două moduri. Primul, care este cel mai puțin costisitor, este de a lua foi în care fibrele sunt toate orientate în aceeași direcție și de a le stivui în orientări diferite. O selecție foarte comună și eficientă este stivuirea a trei foi plasate la unghiuri de 0°, +60° și -60° una față de cealaltă. Această configurație permite o rezistență relativ uniformă în toate direcțiile, cu un minim de strate de fibră de carbon.

O alta varianta foarte comuna, desi mult mai costisitoare, este aceea de a folosi foi de fibre de carbon tesute perpendicular, adica in acelasi mod in care se tesute firele pentru a face o carpa. Conținerea fibrelor în două direcții perpendiculare întărește deja materialul în două direcții, dar țesutura adaugă marele beneficiu de a reduce drastic tendința foilor de a se separa unele de altele atunci când materialul este supus la tensiune și îndoire, care este un tip foarte comun. de cedare la acest tip de materiale laminate.

Fabricarea de piese cu compuși CFRP cu raport rezistență-greutate ridicat ;

După cum am menționat anterior, piesele sunt realizate prin laminarea fibrelor de carbon intercalate cu un anumit tip de rășină, dar forma generală a piesei este dată cu ajutorul matrițelor. Într-adevăr, procesul de fabricație constă în începerea cu un strat de rășină pe suprafața internă a matriței, apoi se așează o foaie de fibră de carbon care va fi vizibilă din exterior, apoi un alt strat de rășină și procesul se repetă.

În cazul fabricării pieselor care nu necesită forțe deosebit de mari, de obicei este suficient să presați matrițele în timp ce rășina se întărește și, în unele cazuri, este de obicei încălzită. Cu toate acestea, când vine vorba de părți critice care trebuie să aibă rezistența maximă posibilă, cum ar fi părți ale fuselajului unui avion sau aripile unei mașini de Formula 1, piesele trebuie supuse vidului pentru a elimina eventualele bule din structură. care i-ar putea afecta performanța.

În plus, în aceste cazuri piesele sunt de obicei recoapte într-o autoclavă pentru a întări rășina mai rapid. Această cerință face ca fabricarea pieselor din fibră de carbon să fie foarte costisitoare; Nu mai vorbim de faptul că foile din fibră de carbon sunt deja considerabil de scumpe.

Acest dezavantaj, precum și altele asociate cu conductivitatea materialului și multiplele moduri de defectare care sunt dificil de modelat în fazele de proiectare a piesei, înseamnă că compozitele CFRP nu pot fi utilizate la întregul potențial în multe aplicații cheie. Un exemplu în acest sens a fost văzut atunci când SpaceX și-a abandonat intenția de a construi următoarea sa navă spațială emblematică, Starship, din fibră de carbon. Era pur și simplu prea costisitor și nepractic să construiești o autoclavă suficient de mare pentru a construi diferitele componente ale navei spațiale, așa că au decis să folosească oțel inoxidabil, care este o alegere neortodoxă în industria aerospațială.

Proprietățile compozitelor CFRP

Există multe proprietăți unice ale compozitelor CFRP care sunt exploatate într-o varietate de aplicații. Unii dintre ei sunt:

• Este un material foarte usor si foarte rezistent. Are un raport rezistență-greutate mult mai mare decât oțelul și chiar titanul.
• Au un modul foarte mare al raportului elasticitate-greutate, de asemenea mai mare decât orice metal.
• Este un material cu o rezistență ridicată la oboseală.
• Atât matricea polimerică, cât și fibrele de carbon pe care le conține sunt inerte din punct de vedere chimic, ceea ce conferă compozitelor CFRP o rezistență foarte bună la coroziune.
• Coeficientul său de dilatare termică este foarte scăzut, ceea ce înseamnă că piesele din compozite CFRP suferă foarte puține distorsiuni atunci când sunt încălzite sau răcite.
• Au conductivitate electrică. Grafitul este un foarte bun conductor, iar fibrele de carbon sunt în esență grafit, astfel încât compușii care le conțin conduc electricitatea, în special în direcția fibrelor. În funcție de aplicație, acest lucru poate fi atât bun, cât și rău.

Pe lângă aceste proprietăți, compozitele CFRP posedă și unele proprietăți suplimentare care pot fi dezavantajoase în funcție de aplicația particulară:

• Sunt sensibili la lumina ultravioletă (UV). Lumina UV este capabilă să promoveze o mare varietate de reacții chimice de către radicalii liberi care degradează atât majoritatea rășinilor polimerice, cât și a fibrelor de carbon, distrugându-le proprietățile mecanice. Acest lucru este de obicei rezolvat cu un strat de vopsea care absoarbe radiația înainte de a ajunge la compus.
• În general, compozitele CFRP au o rezistență scăzută la impact.
• În ceea ce privește deteriorarea materialului, atunci când compozitele CFRP sunt împinse la limita rezistenței lor, defectarea este adesea catastrofală, deoarece fibrele de carbon sunt casante. Modurile de eșec includ delaminarea (când foile de fibre se separă unele de altele) și ruperea fibrei.

Proprietățile compozitelor CFRP sunt anizotrope.

Trebuie remarcat faptul că majoritatea proprietăților menționate mai sus ale compozitelor CFRP sunt anizotrope, ceea ce înseamnă că nu sunt uniforme pe tot materialul și că depind de direcția în care sunt măsurate. Aceasta este o consecință a faptului că sunt alcătuite din fibre ordonate care urmează direcții bine definite. În consecință, caracteristicile materialului de-a lungul acestor direcții sunt foarte diferite de caracteristicile de-a lungul diferitelor direcții.

De exemplu, modulul de tracțiune al unui compozit CFRP cu 70% fibre de carbon într-o rășină epoxidică are o valoare de doar 10,3 GPa pe direcția perpendiculară pe fibre, în timp ce pe direcția axială sau longitudinală același modul valorează 181 GPa. Diferența de rezistență la tracțiune sau la tracțiune este și mai dramatică, prezentând o valoare de 40 MPa pe direcția perpendiculară pe fibre în timp ce pe direcția longitudinală este de 1.500 MPa, de aproape 40 de ori mai mare. În cele din urmă, coeficientul de dilatare al acestui compus este de 112,5 ori mai mic de-a lungul fibrelor decât în ​​direcția perpendiculară.

Aplicații comune ale compozitelor CFRP

În ciuda faptului că compozitele CFRP sunt utilizate într-o serie de produse de ultimă generație (deoarece este un material mult mai scump decât majoritatea celorlalte opțiuni), compozitele CFRP sunt utilizate în principal în patru industrii:

în industria aerospațială

Prima dată când acești compuși au fost utilizați în producția de avioane a fost în anii 1950, iar utilizarea lor în industrie a crescut. Modelele de avioane Boeing 767 și 777 conțin 3% și, respectiv, 7% compuși CFRP. În acele cazuri au fost utilizate în unele componente structurale. Pe de altă parte, în cazul noului model Boeing 787 Dreamliner, întregul fuselaj și aripile sunt realizate din fibră de carbon, iar acest material reprezintă 50% din greutatea și 80% din volumul aeronavei menționate; această tendință se observă și la alți producători de avioane.

Pe de altă parte, în ciuda faptului că SpaceX a abandonat fibra de carbon pentru Starship, o altă companie aerospațială privată numită Rocket Lab tocmai a anunțat construirea noii sale rachete, Neutron, care va fi o rachetă reutilizabilă realizată în întregime din fibră de carbon.

În industria auto

De ani de zile, cele mai rapide mașini de curse din lume au fost construite folosind fibră de carbon. Acesta nu face doar parte din exterior, fiind principalul material care formează caroseria și aripile care țin mașinile lipite de sol pe măsură ce accelerează, dar și în șasiu. De fapt, între 60% și 70% din greutatea structurală a unei mașini de Formula 1 McLaren este alcătuită din fibră de carbon (aceasta nu ia în calcul motorul, roțile și transmisia).

În cazul mașinilor de uz privat, doar mașinile de ultimă generație, cum ar fi mașinile sport de lux, folosesc fibră de carbon în anumite părți ale caroseriei sau structurii lor.

Industria navală

Atât greutatea redusă, cât și rezistența mare la coroziune fac din compozitele CFRP ideale pentru construirea de bărci ușoare și ambarcațiuni super-viteze. Cu toate acestea, astăzi ele sunt folosite din ce în ce mai mult în construcția de nave mai mari, inclusiv iahturi și nave pentru uz profesional.

Pe lângă rezistența chimică care necesită mai puțină întreținere, reducerea greutății este unul dintre principalele motive pentru care acest material pătrunde în această industrie, înlocuind alte opțiuni precum aluminiul, oțelul și chiar alți compuși polimerici precum fibra de sticlă.

În sporturile extrem de competitive

Una dintre cele mai comune și vizibile aplicații ale fibrei de carbon în sport este în construcția cadrelor bicicletelor de înaltă performanță. Indiferent de ce ramură a ciclismului este vorba, fie că este ciclism montan, biciclete de coborâre sau de drum pentru Turul Franței, cele mai bune biciclete sunt fabricate aproape în întregime din fibră de carbon.

Pe de altă parte, fibra de carbon este omniprezentă și în elementele structurale subțiri care trebuie să fie foarte rezistente precum crose de golf high-end, undițe de pescuit de competiție, rachete de tenis și chiar rachete de tenis de masă sau tenis de masă.

Referințe

Boeing 787 Dreamliner – o prezentare generală . (nd). Science Direct. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boeing-787-dreamliner

Barta, C. (2018, 15 octombrie). Fibra de carbon: informații, structură și proprietăți . CarboSystem. https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/

Gardiner, G. (2010, 30 noiembrie). De ce CFRP? CompositesWorld. https://www.compositesworld.com/articles/why-cfrp

Giurgiutiu, V. (2016, 1 ianuarie). Monitorizarea sănătății structurale a compozitelor aerospațiale . Science Direct. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015

Kopeliovich, D. (2012a, 2 iunie). Compozite polimerice armate cu fibră de carbon [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites

Gomez, JL (2021, 23 septembrie). Ce este fibra de carbon, acel material care în sine nu are valoare și care cu rășină merită totul . Diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/

Kopeliovich, D. (2012b, 3 iunie). Compozit cu matrice epoxidică armat cu 70% fibre de carbon [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers

McLaren. (2020, 5 iunie). O poveste fascinantă a fibrei de carbon . McLaren Racing. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/

López, JC (2019, 30 iunie). Fibra de carbon: ce este și de ce este atât de atractivă pentru electronicele de larg consum, precum este pentru aeronautică sau. . . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/fibra-carbono-que-que-atractiva-para-electronica-consumo-como-para-aeronautica-automocion

Zhao, Q., Zhang, K., Zhu, S., Xu, H., Cao, D., Zhao, L., Zhang, R. și Yin, W. (2019). Revizuire privind rezistența electrică/conductibilitatea polimerului armat cu fibră de carbon. Applied Sciences , 9 (11), 2390. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm