Tutto sulla fibra di carbonio

Sapere tutto sulla fibra di carbonio è molto importante per ogni persona moderna. Comprendendo la tecnologia della produzione di carbonio in Russia, la densità e altre caratteristiche della fibra di carbonio, sarà più facile comprendere l'ambito della sua applicazione e fare la scelta giusta. Inoltre, dovresti scoprire tutto sullo stucco e sul riscaldamento a pavimento con fibra di carbonio, sui produttori stranieri di questo prodotto e sui vari campi di applicazione.

I nomi fibra di carbonio e fibra di carbonio, e in un certo numero di fonti anche fibra di carbonio, sono molto comuni. Ma l'idea delle effettive caratteristiche di questi materiali e delle possibilità del loro utilizzo è abbastanza diversa per molte persone. Dal punto di vista tecnico, questo materiale è assemblato da fili con una sezione trasversale non inferiore a 5 e non superiore a 15 micron... Quasi tutta la composizione è costituita da atomi di carbonio, da cui il nome. Questi stessi atomi sono raggruppati in cristalli nitidi che formano linee parallele.

Questo design fornisce una resistenza alla trazione molto elevata. La fibra di carbonio non è un'invenzione completamente nuova. I primi campioni di un materiale simile sono stati ricevuti e utilizzati da Edison. Più tardi, a metà del ventesimo secolo, la fibra di carbonio ha conosciuto una rinascita e da allora il suo utilizzo è aumentato costantemente.

La più importante delle caratteristiche della fibra di carbonio rimane la sua eccezionale resistenza al calore... Anche se la sostanza viene riscaldata fino a 1600 - 2000 gradi, in assenza di ossigeno nell'ambiente, i suoi parametri non cambieranno. Anche la densità di questo materiale, insieme al solito, è lineare (misurata nel cosiddetto tex). Con una densità lineare di 600 tex, la massa di 1 km di rete sarà di 600 g.In molti casi, anche il modulo elastico del materiale, o, come si suol dire, il modulo di Young, è di fondamentale importanza.

Per la fibra ad alta resistenza, questa cifra varia da 200 a 250 GPa. La fibra di carbonio ad alto modulo realizzata su base PAN ha un modulo elastico di circa 400 GPa. Per le soluzioni a cristalli liquidi, questo parametro può variare da 400 a 700 GPa. Il modulo di elasticità viene calcolato in base alla valutazione del suo valore quando si allungano i singoli cristalli di grafite. L'orientamento dei piani atomici viene stabilito utilizzando l'analisi di diffrazione dei raggi X.

La tensione superficiale predefinita è 0,86 N/m. Quando si lavora il materiale per ottenere una fibra composita in metallo, questa cifra sale a 1,0 N / m. La misurazione con il metodo della risalita capillare aiuta a determinare il parametro corrispondente. La temperatura di fusione delle fibre a base di peci di petrolio è di 200 gradi. La filatura avviene a circa 250 gradi; il punto di fusione di altri tipi di fibre dipende direttamente dalla loro composizione.

La larghezza massima dei tessuti in carbonio dipende dai requisiti tecnologici e dalle sfumature. Per molti produttori, è 100 o 125 cm. Per quanto riguarda la resistenza assiale, sarà pari a:

• per prodotti ad alta resistenza a base di PAN da 3000 a 3500 MPa;
• per fibre con allungamento significativo, rigorosamente 4500 MPa;
• per materiale ad alto modulo da 2000 a 4500 MPa.

I calcoli teorici della stabilità di un cristallo sotto una forza di trazione verso il piano atomico del reticolo danno un valore stimato di 180 GPa.Il limite pratico previsto è 100 GPa. Tuttavia, gli esperimenti non hanno ancora confermato la presenza di un livello superiore a 20 GPa. La vera forza della fibra di carbonio è limitata dai suoi difetti meccanici e dalle sfumature del processo di fabbricazione. La resistenza alla trazione di una sezione con una lunghezza di 1/10 mm stabilita negli studi pratici sarà compresa tra 9 e 10 GPa.

La fibra di carbonio T30 merita un'attenzione particolare. Questo materiale viene utilizzato principalmente nella produzione di canne. Questa soluzione si distingue per la sua leggerezza e l'ottimo equilibrio. L'indice T30 denota un modulo di elasticità di 30 tonnellate.

La fibra di carbonio può essere prodotta da un'ampia varietà di tipi di polimeri. La modalità di elaborazione determina due tipi principali di tali materiali: tipi carbonizzati e grafitati. Esiste un'importante distinzione tra fibra derivata da PAN e diversi tipi di passo. Le fibre di carbonio di qualità, sia ad alta resistenza che ad alto modulo, possono avere diversi livelli di durezza e modulo. È consuetudine riferirli a marchi diversi.

Le fibre sono realizzate in formato filamento o fascio. Sono formati da 1000 a 10000 filamenti continui. Possono essere realizzati anche tessuti da queste fibre, come i tow (in questo caso, il numero di filamenti è ancora maggiore). La materia prima di partenza non sono solo semplici fibre, ma anche peci di cristalli liquidi, nonché poliacrilonitrile. Il processo produttivo prevede dapprima la produzione delle fibre originarie, che poi vengono riscaldate in aria a 200 - 300 gradi.

Nel caso del PAN, questo processo è chiamato pretrattamento o miglioramento della resistenza al fuoco. Dopo tale procedura, la pece ottiene una proprietà così importante come l'infusibilità. Le fibre sono parzialmente ossidate. La modalità di ulteriore riscaldamento determina se apparterranno al gruppo carbonizzato o grafitizzato. La fine del lavoro implica dare alla superficie le proprietà necessarie, dopo di che è finita o dimensionata.

L'ossidazione nell'aria aumenta la resistenza al fuoco non solo a causa dell'ossidazione. Il contributo è dato non solo dalla deidrogenazione parziale, ma anche dalla reticolazione intermolecolare e da altri processi. Inoltre, viene ridotta la suscettibilità del materiale alla fusione e alla volatilizzazione degli atomi di carbonio. La carbonizzazione (nella fase ad alta temperatura) è accompagnata dalla gassificazione e dalla fuga di tutti gli atomi estranei.

La loro successiva carbonizzazione viene effettuata in ambiente di azoto a 1000 - 1500 gradi. Il livello ottimale di riscaldamento, secondo un certo numero di tecnologi, è di 1200 - 1400 gradi. La fibra ad alto modulo dovrà essere riscaldata fino a circa 2500 gradi. Nella fase preliminare, PAN riceve una microstruttura a scala. La condensazione a livello intramolecolare, accompagnata dalla comparsa di una sostanza aromatica policiclica, è "responsabile" del suo verificarsi.

Più la temperatura aumenta, più grande sarà la struttura del tipo ciclico. Dopo la fine del trattamento termico secondo la tecnologia, la disposizione delle molecole o dei frammenti aromatici è tale che gli assi principali saranno paralleli all'asse della fibra. La tensione impedisce la caduta del grado di orientamento. Le caratteristiche specifiche della decomposizione PAN durante il trattamento termico sono determinate dalla concentrazione dei monomeri innestati. Ciascun tipo di tali fibre determina le condizioni di lavorazione iniziali.

La pece di petrolio a cristalli liquidi deve essere conservata a lungo a temperature comprese tra 350 e 400 gradi. Questa modalità porterà alla condensazione delle molecole policicliche. La loro massa aumenta e l'adesione si verifica gradualmente (con la formazione di sferuliti). Se il riscaldamento non cessa, le sferuliti crescono, il peso molecolare aumenta e il risultato è la formazione di una fase liquido cristallina continua. I cristalli sono occasionalmente solubili in chinolina, ma di solito non si dissolvono né in essa né in piridina (questo dipende dalle sfumature della tecnologia).

Le fibre ottenute dalla pece di cristalli liquidi con il 55 - 65% di cristalli liquidi scorrono plasticamente. La filatura viene eseguita a 350 - 400 gradi. Una struttura altamente orientata è formata dal riscaldamento iniziale in atmosfera d'aria a 200 - 350 gradi e successivo mantenimento in atmosfera inerte. Le fibre del marchio Thornel P-55 devono essere riscaldate fino a 2000 gradi, maggiore è il modulo di elasticità, maggiore dovrebbe essere la temperatura.

Negli ultimi tempi, le opere scientifiche e ingegneristiche stanno prestando sempre più attenzione alla tecnologia che utilizza l'idrogenazione. La produzione iniziale di fibre è spesso ottenuta mediante idrogenazione di una miscela di pece di catrame di carbone e gomma naftalica. In questo caso, dovrebbe essere presente la tetraidrochinolina. La temperatura di lavorazione è di 380 - 500 gradi. I solidi possono essere rimossi mediante filtrazione e centrifuga; quindi le piazzole vengono addensate a temperatura elevata. Per la produzione di carbonio, è necessario utilizzare (a seconda della tecnologia) una vasta gamma di attrezzature:

• strati che distribuiscono il vuoto;
• pompe;
• imbracature di tenuta;
• tavoli da lavoro;
• trappole;
• maglia conduttiva;
• pellicole sottovuoto;
• preimpregnati;
• autoclavi.

I seguenti produttori di fibra di carbonio sono leader nel mercato globale:

• Thornell, Fortafil e Celion (Stati Uniti);
• Grafil e Modmore (Inghilterra);
• Kureha-Lone e Toreika (Giappone);
• Cytec Industries;
• esadecimale;
• Gruppo SGL;
• industrie Toray;
• Zoltek;
• Mitsubishi Rayon.

Oggi il carbonio viene prodotto in Russia:

• impianto di Chelyabinsk di carbonio e materiali compositi;
• Balakovo produzione di carbonio;
• NPK Khimprominzhiniring;
• Impresa di Saratov "START".

La fibra di carbonio viene utilizzata per realizzare rinforzi compositi. È anche comune usarlo per ottenere:

• tessuti bidirezionali;
• tessuti firmati;
• tessuto biassiale e quadroassiale;
• tessuto non tessuto;
• nastro unidirezionale;
• preimpregnati;
• rinforzo esterno;
• fibra;
• imbracature.

Un'innovazione piuttosto seria ora è pavimento caldo a infrarossi. In questo caso il materiale viene utilizzato in sostituzione del tradizionale filo metallico. Può generare 3 volte più calore, inoltre, il consumo di energia è ridotto di circa il 50%. Gli amanti della modellazione di tecniche complesse utilizzano spesso tubi in carbonio ottenuti per avvolgimento. Questi prodotti sono richiesti anche dai produttori di automobili e altre attrezzature. La fibra di carbonio viene spesso utilizzata per i freni a mano, ad esempio. Inoltre, in base a questo materiale, ottieni:

• parti per modellini di aeroplani;
• cappe monopezzo;
• biciclette;
• parti per tuning auto e moto.

I pannelli in tessuto di carbonio sono il 18% più rigidi dell'alluminio e il 14% in più rispetto all'acciaio strutturale... I manicotti basati su questo materiale sono necessari per ottenere tubi e tubi di sezione variabile, prodotti a spirale di vari profili. Sono anche utilizzati per la produzione e la riparazione di mazze da golf. Vale anche la pena sottolineare il suo utilizzo. nella produzione di custodie particolarmente resistenti per smartphone e altri gadget. Tali prodotti sono generalmente di carattere premium e hanno qualità decorative migliorate.

Per quanto riguarda la polvere di tipo grafite dispersa, è necessario:

• quando si ricevono rivestimenti elettricamente conduttivi;
• quando si rilascia colla di vario tipo;
• quando si rinforzano stampi e alcune altre parti.

Lo stucco in fibra di carbonio è migliore dello stucco tradizionale in molti modi. Questa combinazione è apprezzata da molti esperti per la sua plasticità e resistenza meccanica. La composizione è adatta per coprire difetti profondi. Le canne o le canne in carbonio sono resistenti, leggere e di lunga durata. Tale materiale è necessario per:

• aviazione;
• l'industria missilistica;
• rilascio di attrezzature sportive.

Per pirolisi di sali di acidi carbossilici si possono ottenere chetoni e aldeidi.Le eccellenti proprietà termiche della fibra di carbonio ne consentono l'utilizzo in stufe e termofori. Tali riscaldatori:

• economico;
• affidabile;
• si distinguono per un'efficienza impressionante;
• non diffondere radiazioni pericolose;
• relativamente compatto;
• perfettamente automatizzato;
• operato senza problemi inutili;
• non diffondere rumori estranei.

I compositi carbonio-carbonio sono utilizzati nella produzione di:

• supporti per crogioli;
• parti coniche per forni fusori sottovuoto;
• parti tubolari per loro.

Ulteriori aree di applicazione includono:

• coltelli fatti in casa;
• utilizzare per una valvola a petalo sui motori;
• utilizzare in edilizia.

I costruttori moderni hanno utilizzato a lungo questo materiale non solo per il rinforzo esterno. È inoltre necessario rafforzare le case in pietra e le piscine. Lo strato di armatura incollato ripristina le qualità dei supporti e delle travi nei ponti. Viene anche utilizzato durante la creazione di fosse settiche e l'inquadratura di bacini artificiali naturali, quando si lavora con un cassone e un pozzo del silo.

Nel prossimo video troverai maggiori informazioni sulla produzione della fibra di carbonio.