Totul despre fibra de carbon și modul în care este fabricat

Numită și fibră de grafit sau grafit de carbon, fibra de carbon constă din șuvițe foarte subțiri ale elementului carbon. Aceste fibre au o rezistență mare la tracțiune și sunt extrem de puternice pentru dimensiunea lor. De fapt, o formă de fibră de carbon - nanotub de carbon- este considerat cel mai puternic material disponibil. Fibra de carbon aplicații include construcții, inginerie, aerospațial, vehicule de înaltă performanță, echipamente sportive și instrumente muzicale. În domeniul energiei, fibra de carbon este utilizată la producerea de lamele morilor de vânt, depozitarea gazelor naturale și a celulelor de combustibil pentru transport. În industria aeronavelor, are aplicații atât în ​​avioane militare și comerciale, cât și în vehicule aeriene fără pilot. Pentru explorarea petrolului, este utilizat la fabricarea platformelor și conductelor de foraj în ape adânci.

Fapte rapide: statistici despre fibre de carbon

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%) sunt obținute prin procedeul de poliacrilonitril (PAN). O cantitate mică (aproximativ 10%) 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. Producători de fibre de carbon folosesc formule proprii și combinații de materii prime pentru materialele pe care le produc și, în general, tratează aceste formulări specifice ca secrete comerciale.

Fibra de carbon de cea mai înaltă calitate, cu cel mai eficient modul (o constantă sau un coeficient utilizat pentru a exprima un grad numeric la care o substanță posedă o proprietate particulară, cum ar fi elasticitatea) proprietăți sunt utilizate în aplicații solicitante, cum ar fi industria aerospațială.

Crearea fibrei de carbon implică atât procese chimice, cât și mecanice. Materiile prime, cunoscute sub numele de precursori, sunt atrase în catene lungi și apoi încălzite la temperaturi ridicate într-un mediu anaerob (fără oxigen). În loc să ardă, căldura extremă face ca atomii de fibre să vibreze atât de violent încât aproape toți atomii non-carbonici sunt expulzați.

După finalizarea procesului de carbonizare, fibra rămasă este formată din lanțuri lungi, strâns legate de atomii de carbon, cu puține sau deloc atomi de carbon rămase. Aceste fibre sunt ulterior țesute în țesătură sau combinate cu alte materiale care sunt apoi filate sau modelate în formele și dimensiunile dorite.

Următoarele cinci segmente sunt tipice în procesul PAN pentru fabricarea fibrei de carbon:

1. Spinning. PAN este amestecat cu alte ingrediente și turnat în fibre, care sunt apoi spălate și întinse.
2. Stabilizarea. Fibrele suferă modificări chimice pentru a stabiliza lipirea.
3. carbonizare. Fibrele stabilizate sunt încălzite la temperaturi foarte ridicate formând cristale de carbon strâns legate.
4. Tratarea suprafeței. Suprafața fibrelor este oxidată 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. Decât să fii țesute în țesături, fibrele pot fi, de asemenea, formate în compozit materiale, folosind căldură, presiune sau un vid pentru a lega fibrele împreună cu un polimer din plastic.

Nanotuburile de carbon sunt fabricate printr-un proces diferit de fibrele de carbon standard. Se estimează a fi de 20 de ori mai puternice decât precursorii lor, nanotuburile sunt forjate în cuptoare care folosesc lasere pentru vaporizarea particulelor de carbon.

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

• Necesitatea unei recuperări și reparații mai rentabile
• Costuri de producție nesustenabile pentru unele aplicații: De exemplu, chiar dacă tehnologia nouă este în curs de dezvoltare, din cauza costuri prohibitive, utilizarea fibrei de carbon în industria auto este în prezent limitată la performanțe ridicate și lux vehicule.
• Procesul de tratare a suprafeței trebuie reglementat cu atenție pentru a evita crearea de gropi care duc la fibre defecte.
• Control strâns necesar pentru a asigura o calitate constantă
• Probleme de sănătate și siguranță, inclusiv iritarea pielii și a respirației
• Arcuire și pantaloni scurți din echipament electric datorită electro-conductivității puternice a fibrelor de carbon

Pe măsură ce tehnologia fibrelor de carbon continuă să evolueze, posibilitățile pentru fibra de carbon nu vor decât să se diversifice și să crească. La Massachusetts Institute of Technology, mai multe studii axate pe fibra de carbon arată deja un mare promisiune pentru crearea de noi tehnologii de fabricație și design pentru a satisface industria emergentă cerere.

Profesor asociat de MIT, inginerie mecanică John Hart, un pionier al nanotubului, a lucrat cu elevii săi pentru a se transforma tehnologia de fabricație, inclusiv examinarea materialelor noi care vor fi utilizate împreună cu imprimantele 3D de calitate comercială. „I-am rugat să se gândească complet pe șine; dacă ar putea concepe o imprimantă 3-D care nu a fost niciodată fabricată sau un material util care nu poate fi tipărit cu ajutorul imprimantelor actuale ", a explicat Hart.

Rezultatele au fost prototipuri care imprimau sticlă topită, înghețată cu servire moale și compozite din fibră de carbon. Potrivit lui Hart, echipele de studenți au creat, de asemenea, mașini care ar putea gestiona „extinderea paralelă a suprafețelor mari de polimeri” și să efectueze „scanarea optică in situ” a procesului de imprimare.

În plus, Hart a colaborat cu profesorul asociat de chimie MIT, Mircea Dinca, la o colaborare recent încheiată de trei ani cu Automobili Lamborghini să investigheze posibilitățile noilor fibre de carbon și a materialelor compozite care ar putea doar într-o zi să „permită utilizarea corpului complet al mașinii ca sistem de baterii ", dar duce la" corpuri mai ușoare, mai puternice, convertoare catalitice mai eficiente, vopsea mai subțire și transfer de căldură tren-putere îmbunătățit [în general]. "

Cu astfel de descoperiri uimitoare la orizont, nu este de mirare că piața fibrelor de carbon a fost proiectată să crească de la 4,7 USD miliarde în 2019 până la 13,3 miliarde USD până în 2029, cu o rată anuală de creștere (CAGR) de 11,0% (sau puțin mai mare) în aceeași perioadă de timp.

• McConnell, Vicki. "Fabricarea fibrei de carbon." CompositeWorld. 19 decembrie 2008
• Sherman, Don. "Dincolo de fibra de carbon: următorul material descoperitor este de 20 de ori mai puternic." Mașină și șofer. 18 martie 2015
• Randall, Danielle. “Cercetătorii MIT colaborează cu Lamborghini pentru a dezvolta o mașină electrică a viitorului.“ MITMECHE / În Știri: Departamentul de Chimie. 16 noiembrie 2017
• "Piața fibrelor de carbon după materii prime (PAN, Pitch, Rayon), Tip fibră (Virgin, Reciclat), Tip produs, Modulus, Aplicație (Compozit, non-compozit), industrie de utilizare finală (A & D, automobil, energie eoliană) și regiune - Prognoză globală pentru 2029. " MarketsandMarkets ™. Septembrie 2019