Propriedades de fibra de carbono
Propriedades mecânicas
As propriedades mecânicas da fibra de carbono são um dos seus atributos mais atraentes. Seu peso leve, alta resistência e alto módulo o tornam amplamente utilizado em muitos campos.
Força específica e módulo específico: A densidade da fibra de carbono é de apenas 1,5 a 2,0 gramas por centímetro cúbico, mas sua resistência à tração pode atingir mais de 3.500 MPa, o que é várias vezes o de aço, e seu módulo de tração pode atingir mais de 230 O GPA, que é mais de 7 vezes maior que a força específica da maioria dos metais, e o módulo específico é mais de 5 vezes o dos metais. Esse excelente força específica e módulo específico oferecem à fibra de carbono uma vantagem significativa na indústria aeroespacial, automotiva, equipamentos esportivos e outros campos.
Anisotropia: As propriedades mecânicas da fibra de carbono têm anisotropia significativa, ou seja, a força e o módulo ao longo da direção do eixo da fibra são muito maiores que os perpendiculares ao eixo da fibra. Essa propriedade permite que os compósitos de fibra de carbono maximizem suas vantagens de desempenho através do design racional de layup.
Resistência à fadiga: Os compósitos de fibra de carbono têm excelente resistência à fadiga, com uma taxa de retenção de força de 60% após milhões de ciclos de fadiga do estresse, muito mais altos que a de aço e alumínio.
Propriedades térmicas
As propriedades térmicas da fibra de carbono também são excelentes, o que possibilita usá-lo em ambientes de alta temperatura.
Condutividade térmica: A fibra de carbono geralmente possui uma condutividade térmica de 0,025-0,09 calorias/cm-seg-° C e uma resistividade de 0,8-1,6 × 10^-3Ω-cm, que mostra boa condutividade elétrica e térmica. Esse desempenho faz com que a fibra de carbono tenha uma ampla gama de aplicações em coletores solares, materiais de concha termicamente condutiva e assim por diante.
Coeficiente de expansão térmica: A fibra de carbono possui um pequeno coeficiente de expansão térmica, negativo (-0,5 a -1,6) × 10^-6/k em ambientes fechados, zero a 200 a 400 ℃ e 1,5 × 10^-6/k em menos de 1.000 ℃, que faz com que os compósitos de fibra de carbono tenham uma melhor estabilidade dimensional sob a mudança de temperatura.
Resistência de alta temperatura: A fibra de carbono é muito estável abaixo de 400 ° C e, mesmo a 1000 ° C, ainda não há muita alteração. Essa resistência à alta temperatura torna os compósitos de fibra de carbono amplamente utilizados na indústria aeroespacial.
Estabilidade química básica
A estabilidade química da fibra de carbono é outra propriedade importante que permite manter seu desempenho em ambientes químicos severos.
Resistência à corrosão: A fibra de carbono é estável a ácidos, álcalis e produtos químicos orgânicos, além de ácidos oxidantes fortes, e pode ser transformada em uma ampla variedade de produtos resistentes à corrosão química. Esse tipo de resistência à corrosão faz com que a fibra de carbono tenha uma ampla gama de perspectivas de aplicação nos campos da indústria química e da engenharia oceânica.
Resistência a oxidação: Em um ambiente não oxidante, a fibra de carbono é capaz de suportar temperaturas ultra-altas, uma característica que lhe dá uma vantagem em aplicações, como revestimentos de forno de alta temperatura e sistemas de proteção térmica para foguetes e aeronaves.
Estabilidade ambiental: As fibras de carbono são usadas em temperaturas operacionais normais ≤250 ° C, e é difícil observar alterações químicas nas fibras de carbono, mostrando excelente estabilidade ambiental.
Aplicações de fibra de carbono
Aeroespacial
A aplicação de fibra de carbono no aeroespacial é um dos seus usos mais notáveis. Devido às suas propriedades leves e de alta resistência, a fibra de carbono é amplamente utilizada como material estrutural em aeronaves e naves espaciais para reduzir o peso e melhorar a eficiência do combustível.
Estruturas de aeronaves: O uso de compósitos de fibra de carbono (CFRP) em estruturas de aeronaves pode reduzir significativamente o peso da aeronave e aumentar a capacidade e o alcance dos passageiros. Por exemplo, as estruturas de rolamento principal da fuselagem e da asa do Boeing 787 Dreamliner e Airbus A350xwb fazem uso extensivo do CFRP, representando 50% e 53% do peso, respectivamente. Esse aplicativo não apenas reduz o peso da aeronave, mas também melhora a eficiência e a economia de voo.
Spacecraft: No campo da espaçonave, a fibra de carbono é usada para fabricar componentes estruturais para foguetes e satélites devido à sua alta resistência e resistência ao calor. Foi relatado o uso de plástico reforçado com fibra de carbono (CFRP) em estruturas de foguete e satélite para reduzir os custos de lançamento e aumentar as cargas úteis.
Esportes e bens de lazer
A fibra de carbono também é amplamente utilizada em esportes e produtos de lazer, especialmente em tacos de golfe, bicicletas, raquetes de tênis e hastes de pesca, devido à sua alta resistência e propriedades leves.
Clubes de golfe: Os tacos de golfe de fibra de carbono são amplamente utilizados devido ao seu peso leve e alta elasticidade. De acordo com as estatísticas, você pode acertar uma bola de golfe a 30 metros de um clube de ferro com clubes de fibra de carbono.
Bicicleta: As bicicletas de fibra de carbono são favorecidas por pilotos profissionais devido ao seu peso leve e alta resistência. Os quadros de bicicleta de fibra de carbono são um quarto mais leve que os quadros de liga de alumínio e oferecem melhor rigidez e absorção de choque.
Construção industrial e civil
A aplicação de fibra de carbono no campo da construção industrial e civil se concentra principalmente no reforço e fortalecimento estrutural, especialmente no reforço de pontes, edifícios e infraestrutura.
Reforço estrutural: Tecidos ou painéis de fibra de carbono são usados para reforçar estruturas de concreto para melhorar seu desempenho sísmico e capacidade de carga de carga. Técnicas de reforço de fibra de carbono foram relatadas para melhorar o desempenho sísmico das estruturas em mais de 40%.
Nova construção: A fibra de carbono também é usada em novas construções, como telhados emoldurados de feixe de treliça feitos de tubos de fibra de carbono, que são cerca de 50% mais leves que o aço, e a eficiência da construção e o desempenho sísmico foram substancialmente melhorados.
Indústria automobilística
A aplicação de fibra de carbono na indústria automotiva se concentra principalmente no leve peso de veículos de alto desempenho e novos veículos de energia.
Veículos de alto desempenho: A fibra de carbono é usada para fabricar corpo, chassi e outras partes de carros esportivos e carros de corrida para suas características leves e de alta resistência, a fim de melhorar o desempenho e o manuseio do veículo. Por exemplo, os modelos BMW i3 e i8 fazem uso extensivo de compósitos de fibra de carbono, resultando em uma redução significativa no peso do veículo.
Veículos de energia novos: No campo de novos veículos de energia, a fibra de carbono é usada em caixas de bateria, estruturas corporais etc. para reduzir o peso dos veículos e melhorar a faixa. Foi relatado que o uso de compósitos de fibra de carbono pode reduzir o peso do veículo em 30% a 60% e melhorar significativamente a eficiência energética.
Desafios e limitações das fibras de carbono As barreiras de produção e as dificuldades técnicas das fibras de carbono são um dos principais fatores que limitam sua ampla aplicação.
A seguir, são apresentados os principais desafios enfrentados pela fibra de carbono no processo de produção:
Altas barreiras técnicas: A produção de fibras de carbono possui altas barreiras técnicas e envolve processos químicos e físicos complexos, incluindo múltiplas etapas, como polimerização, rotação, pré-oxidação, carbonização e grafitização. Essas etapas requerem controle preciso da temperatura, pressão e condições ambientais para garantir o desempenho do produto final.
Grande investimento em equipamentos: O alto custo de investimento dos equipamentos de produção de fibra de carbono, especialmente os fornos de carbonização e grafitização de alta qualidade, que são tecnicamente exigentes e relativamente caros para manter, limita a capacidade das pequenas empresas de entrar no setor.
Custo da matéria-prima: O preço do monômero de acrilonitrila, a principal matéria-prima para a fibra de carbono à base de panela, varia bastante, afetando o custo de produção da fibra de carbono. Além disso, a produção de filamentos PAN de pan de alta qualidade é uma das dificuldades técnicas, exigindo tecnologias precisas de polimerização e spinning.
Consumo de energia: O processo de produção de fibra de carbono consome muita energia, especialmente nos estágios de carbonização e grafitização, que precisam ser processados em altas temperaturas por um longo tempo. Isso não apenas aumenta os custos de produção, mas também coloca um ônus ao meio ambiente.
Monopólio Tecnológico: O mercado global de fibra de carbono tem sido monopolizado por algumas empresas, que possuem um grande número de patentes técnicas e processos de produção maduros, dificultando os novos participantes nas barreiras tecnológicas em um curto período de tempo.
Controle da qualidade do produto: O desempenho dos produtos de fibra de carbono é muito sensível a cada etapa do processo de produção, e quaisquer pequenas alterações podem afetar o desempenho do produto final; portanto, o controle da qualidade do produto apresenta requisitos extremamente altos.
Em resumo, os desafios ambientais e de saúde na produção e uso de fibra de carbono precisam ser abordados por meio de inovação tecnológica, medidas estritas de proteção ambiental e estratégias eficazes de gerenciamento de resíduos. Com os avanços tecnológicos e o aumento da conscientização ambiental, a indústria de fibra de carbono está gradualmente tomando medidas para reduzir seus impactos ambientais e à saúde.
