Fibra de carbon
Las fibras de carbono - en el lenguaje común también abreviado fibras de carbono o (del inglés, fibras de carbono lehn traducido) llamadas carbono o fibras de carbono - son fibras fabricadas industrialmente a partir de materias primas que contienen carbono, que se convierten en carbono arreglado similar al grafito a través de reacciones químicas adaptadas a la materia prima . Se distingue entre tipos isotrópicos y anisotrópicos : las fibras isotrópicas tienen solo resistencias bajas y menor importancia técnica, las fibras anisotrópicas muestran resistencias y rigideces elevadas con, al mismo tiempo, un alargamiento bajo a la rotura en la dirección axial.
La propiedad más importante de las fibras de carbono como componente de refuerzo para la construcción ligera es el módulo de elasticidad ; el módulo de elasticidad de las mejores fibras está cerca del módulo de elasticidad teórico del grafito en la dirección a .
Una fibra o filamento de carbono tiene un diámetro de aproximadamente 5-9 micrómetros . Por lo general, se combinan de 1.000 a 24.000 filamentos en un hilo multifilamento ( mecha ), que se enrolla. El procesamiento posterior de productos textiles semiacabados tales. B. Los tejidos , trenzas o tejidos multiaxiales se realizan en máquinas de tejer , trenzadoras o máquinas de tricotar multiaxiales o, en el ámbito de la producción de plásticos reforzados con fibras, directamente en plantas de preimpregnados , plantas de pultrusión o bobinadoras.
Como fibras de corte corto, pueden agregarse a polímeros y procesarse en componentes plásticos utilizando extrusoras y sistemas de moldeo por inyección . Además de estos tipos de filamentos bajos, también existen los llamados tipos HT con 120.000 a 400.000 fibras individuales, que se procesan principalmente en fibras de corte corto, pero también en tejidos textiles. También es posible combinar este tipo de remolques pesados con subtows, p. Ej. B. en forma de siete veces 60.000 filamentos individuales.
Las fibras se utilizan principalmente para la producción de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP = plástico reforzado con fibra C). También se utiliza la abreviatura en inglés CFRP ( plástico reforzado con fibra de carbono en inglés americano ).
propiedades
| Propiedades típicas de las fibras de carbono HT | |
|---|---|
| densidad | 1,8 g / cm³ |
| Diámetro del filamento | 6 µm |
| resistencia a la tracción | 3530 MPa (N / mm²) |
| Módulo de tracción | 230 GPa |
| Alargamiento a la rotura | 1,5% |
| Propiedades típicas de las fibras de carbono UMS | |
|---|---|
| densidad | 1,8 g / cm³ |
| Diámetro del filamento | 6 µm |
| resistencia a la tracción | 4560 MPa (N / mm²) |
| Módulo de tracción | 395 GPa |
| Alargamiento a la rotura | 1,1% |
| Electronegatividad (EN) χ | 2,50 |
Las fibras de carbono son muy conductoras eléctrica y térmicamente , la electronegatividad EN tiene un valor muy alto de 2,50. La diferencia con el hierro (EN = 1,64) es muy alta en 0,86, que ya es considerablemente corrosivo en presencia de un electrolito. A modo de comparación, la diferencia en el material que empareja el hierro con el aluminio (EN = 1,47) es de solo 0,17. Las fibras de carbono también tienen un coeficiente negativo de expansión térmica en la dirección longitudinal a temperaturas más bajas . Por lo tanto, cuando se calientan, inicialmente se vuelven más cortos y más gruesos.
Las dos propiedades mencionadas anteriormente hacen imperativo aislar los componentes a base de fibra de carbono tanto mecánica como eléctricamente de otros componentes metálicos si, durante el uso, fluctuaciones de temperatura y contacto con el aire exterior, el agua y, en particular, con el agua de mar y otros electrolitos (por ejemplo, derretir agua con sal para carreteras en el tráfico por carretera). La tasa de electrocorrosión del hierro, que está en contacto directo con las fibras de carbono, es alta con un electrolito adecuado.
- Capacidad calorífica específica : 710 J / ( kgK )
- Conductividad térmica : 17 W / (m K )
- Coeficiente de expansión térmica : −0,1 · 10 −6 / K
- Resistencia eléctrica específica : 1,6 10 −5 Ohm m (= 16 Ω mm 2 / m)
Tipos de fibra de carbono:
- HT - alta resistencia ( alta tenacidad )
- UHT - muy alta resistencia ( ultra alta tenacidad )
- LM - Módulo bajo
- IM - intermedio ( módulo intermedio )
- HM - extremadamente rígido ( módulo alto )
- UM - ( Ultra módulo )
- UHM - ( módulo ultra alto )
- UMS - ( Resistencia de módulo ultra )
- HMS: alta rigidez / alta resistencia ( alto módulo / alta deformación )
Según esta lista, el espectro de propiedades es amplio: las resistencias a la tracción disponibles están en el rango de alrededor de 3500 MPa a 7000 MPa, las rigideces a la tracción entre 230 GPa y casi 600 GPa y los alargamientos a la rotura a veces están por debajo del 1% en altas temperaturas. rigideces, mientras que están en rigideces bajas combinadas con resistencias más altas pueden llegar hasta el 2%.
Fabricación
Thomas Alva Edison recibió una patente ya en 1881 para la lámpara incandescente de fibra de carbono que desarrolló con filamentos hechos de fibras de bambú pirolizadas .
En 1963 se dio un gran paso con la producción de fibras con estructuras cristalinas orientadas en el British Royal Aircraft Establishment .
Las fibras de carbono están hechas de materias primas orgánicas . En primer lugar, se cuestionan aquellos compuestos que primero pueden convertirse en una etapa intermedia infusible y luego carbonizarse a carbono en un proceso de pirólisis manteniendo su forma. Al estirar (aplicando una tensión de tracción ) durante esta etapa de tratamiento de temperatura, la orientación de la estructura atómica en las fibras se puede cambiar de tal manera que se logren mayores resistencias y rigideces de las fibras durante la carbonización.
Con este tratamiento de carbonización, todos los elementos, excepto la parte principal del carbono, se separan en forma gaseosa. El contenido relativo de carbono aumenta con el aumento de la temperatura, que suele oscilar entre 1300 y 1500 ° C. Esto logra un contenido de carbono del 96 al 98 por ciento en peso.
La grafitización se utiliza por encima de 1800 ° C. Sobre todo, la estructura de las capas de carbono grafítico se perfecciona cada vez más. La distancia entre estas capas de carbono, sin embargo, permanece por encima del valor conocido del grafito real . Es por eso que el término " fibra de grafito (fibra) " que se usa en el mundo de habla inglesa es estrictamente hablando incorrecto. Esto también se aplica a los términos "fibra de grafito" y "fibra de carbono" utilizados en los países de habla alemana.
El tratamiento de recocido aumenta el módulo de elasticidad debido al acercamiento estructural a la celosía de grafito, pero esto reduce la resistencia.
La diversidad estructural de las fibras con la amplia gama de propiedades resulta de la anisotropía de las capas de grafito que se puede controlar a través de los parámetros de fabricación . Con fibras continuas, dependiendo del tipo de fibra, se alcanza casi el valor de rigidez teórico, pero generalmente solo el 2–4% de la resistencia teórica. En el caso de fibras que, a diferencia del método descrito anteriormente, se depositan a partir de la fase gaseosa (los llamados bigotes con una longitud muy corta), se pueden lograr resistencias significativamente más altas.
Hoy en día existen tres materiales de partida establecidos para fibras de carbono continuas:
Rayón / viscosa (celulosa)
Las fibras de viscosa a base de celulosa producidas mediante el proceso de la viscosa son el material de partida para las fibras de carbono. Debido a la materia prima, estos no presentan una estructura de carbono perfecta. Por tanto, tienen una conductividad térmica y eléctrica comparativamente baja. (Sin embargo, cuando se usa como filamento, la alta resistencia óhmica fue favorable). Por lo tanto, se usan principalmente como materiales aislantes que pueden soportar altas cargas térmicas (en ausencia de aire / oxígeno) , por ejemplo, en la construcción de hornos.
Poliacrilonitrilo (PAN)
La mayoría de las fibras de alto rendimiento (HT / IM) que se utilizan hoy en día se fabrican a partir de poliacrilonitrilo mediante reacciones de estabilización en el aire y la posterior pirólisis bajo gas protector . Su principal característica es su alta resistencia a la tracción. Una distinción en los hilos Niederfilament- y multifilament ( English HeavyTow ). Para estos últimos, se utilizan las tecnologías de producción más baratas de la industria textil, por lo que son las más rentables.
Mala suerte (diferentes orígenes)
Como materia prima, la brea es mucho más barata que el PAN, pero los costos de limpieza y procesamiento son tan altos que las fibras hechas de PAN siguen siendo más baratas.
Si la brea simplemente se funde, hila y carboniza, se obtienen fibras de carbono isotrópicas con valores de resistencia más bajos. Solo la conversión a la denominada mesofase mediante un tratamiento de hidrogenación permite una orientación de los planos de la red de carbono a lo largo del eje de la fibra mediante estiramiento durante el proceso de fabricación.
Esto también permite la producción de fibras con alta rigidez (HM). Con alta resistencia a la tracción (HMS) al mismo tiempo, estas fibras solo se utilizan en aplicaciones especiales por razones de costo.
Su posterior procesamiento
Para su posterior procesamiento, las fibras se combinan en los llamados hilos de filamentos. Los tipos con 67 tex (1 K), 200 tex (3 K), 400 tex (6 K), 800 tex (12 K) y 1600 tex (24 K), las mechas con un número de filamentos de más de 24 K son comunes. , p.ej B. 50 K, 100 K o 400 K se denominan remolques pesados . La especificación 200 tex significa un peso de (200 g) / (1000 m) y 1 K significa que 1000 filamentos se combinan en un hilo.
Los hilos más gruesos ( llamados " mechas " para el vidrio textil ) se utilizan, por ejemplo, como fibras de refuerzo para estructuras planas. En la construcción de aviones, se utilizan láminas de hilo o tejidos, los denominados preimpregnados, que están preimpregnados con resina, con un peso bajo o medio por unidad de superficie. El producto más utilizado en la ingeniería automotriz es un tejido multiaxial.
solicitud
Para poder utilizar las propiedades mecánicas de las fibras, se procesan adicionalmente en la producción de compuestos de fibra , en particular compuestos de fibra y plástico , y durante algún tiempo también en compuestos de fibra cerámica . La importancia de los plásticos reforzados con fibra de carbono en la ingeniería mecánica de alto rendimiento ha aumentado significativamente durante varios años; incluso antes de eso, se utilizaban en la construcción de aviones. En el uso común, especialmente en equipos deportivos para todos los deportes, términos como carbono , grafito (s) y fibra de carbono suelen significar plásticos termoestables reforzados con fibra de carbono .
En comparación con las fibras de vidrio, las fibras de carbono se caracterizan por un menor peso y un precio más alto. Por lo tanto, se encuentran particularmente en la aviación y aeroespacial , así como en equipos deportivos (como cañas de pescar, bicicletas de carrera, bicicletas de montaña, raquetas de tenis, patines de velocidad usados, botes de remos, equipos de windsurf). Por lo tanto, también se producen los llamados, por ejemplo monocasco y otras partes de la Fórmula 1 - coches de carreras de plástico reforzado con fibra de carbono .
Ejemplos de la aviación son el estabilizador vertical del Airbus A380 o el fuselaje del Boeing 787 .
En Inglaterra, un puente está hecho de hormigón reforzado con fibra de carbono que puede soportar enormes fuerzas de tracción y compresión.
El carbono reforzado con fibra de carbono se utiliza principalmente en viajes espaciales como material para escudos térmicos o boquillas de refuerzo , pero también se utiliza en la industria del vidrio hueco como sustituto del amianto o como revestimiento para reactores de fusión .
Los componentes de plástico reforzado con fibra de carbono ahora se utilizan ampliamente en algunas bicicletas , como B. bicicletas de carrera / bicicletas de montaña. Mientras tanto, aquí no solo se venden los cuadros, sino también otros componentes como manivelas, ruedas, manillares, tijas de sillín y otros. hecho de CFRP.
Las fibras de carbono también se utilizan en tiro con arco . Las varillas de flechas deportivas modernas están fabricadas con refuerzo de fibra de carbono, que son ideales para largas distancias debido a su bajo peso.
En la micromecánica del esquí acuático , en cañas de pescar de alta calidad y arcos para instrumentos de cuerda e incluso en instrumentos del propio violín las fibras de carbono son otra posible aplicación.
En odontología, las fibras de carbono se pegan en las raíces para ferulizar los dientes, pero también en forma de alfileres para lograr la retención de los pilares en los dientes destruidos.
La conductividad eléctrica y el pequeño tamaño (diámetro) de las fibras de carbono en las bombas de grafito se utilizan con fines militares . Las secciones cortas de fibra de carbono colocadas en una bomba se distribuyen sobre el objeto respectivo mediante una carga en descomposición . Las fibras se distribuyen en sistemas y dispositivos eléctricos por flujo de aire, así como asistidas por ventiladores o sistemas de ventilación y refrigeración, e incluso llegan a lugares inaccesibles dentro de las computadoras. Los cortocircuitos causados conducen al fallo incluso de sistemas grandes si los dispositivos de control se ven afectados.
Ensayos de materiales reforzados con fibras de carbono
Se utilizan métodos de prueba tanto destructivos como no destructivos para probar materiales reforzados con fibra de carbono. Se utiliza una prueba destructiva (por ejemplo, prueba de impacto de muesca) para probar la carga de rotura del material o el comportamiento de rotura, por ejemplo. Los métodos de prueba no destructivos, como las pruebas ultrasónicas o acústicas, se utilizan principalmente para probar defectos en el componente polimérico del compuesto (delaminaciones, cavidades, burbujas).
Los efectos en la estructura de la fibra en sí (callejones, grietas, ondulaciones, pliegues, superposiciones, acumulaciones de fibras o desorientaciones) se miden utilizando métodos de corrientes parásitas de alta frecuencia.
Se utilizan métodos de corrientes parásitas similares para la determinación local del peso por unidad de área en componentes y textiles de CFRP.
Fabricante
Los mayores fabricantes por capacidad de producción en 1000 t (a partir de 2018) son:
| Fabricante | capacidad |
|---|---|
| Toray (con Zoltek ) | 47,5 |
| Carbono SGL | 15 |
| MCCFC | 14.3 |
| TohoTenax | 12,6 |
| Hexcel | 12,5 |
| Plásticos Formosa | 8.8 |
| Solvay ( Cytec ) | 7.0 |
| Zhongfu-Shenying | Sexto |
| Material de fibra Hengshen | 5 |
| DowAksa | 3.6 |
Eliminación y reciclaje
La eliminación y el reciclaje de materiales que contienen fibra de carbono aún se están desarrollando y no se han resuelto finalmente. Se están siguiendo varios enfoques, desde la reutilización de la fibra en componentes reforzados con fibra hasta el reciclaje térmico. The Fiber Institute Bremen e. En 2008–2010, V. experimentó con una técnica en la que se aplicaban fibras dirigidas con una longitud de fibra de alrededor de 60 mm a una película de polipropileno termoplástico y, por lo tanto, se comprimían en esteras de alta resistencia (la llamada película orgánica ). Con esta tecnología, al igual que con otros métodos de reciclaje (por ejemplo, en la producción de las llamadas láminas orgánicas ), el primer paso es triturar los residuos. Para ello se pueden utilizar métodos mecánicos convencionales. Sin embargo, se crean pequeñas cantidades de polvo a partir de fibras y material de matriz. Estos polvos son indeseables porque no son aptos para el reciclaje, las fibras que contienen son conductoras de electricidad y pueden provocar fallos en los sistemas eléctricos. Además, los polvos son nocivos para la salud, por lo que se debe usar ropa protectora adecuada. Sin embargo, el procesamiento mecánico de CFRP no crea ninguna “fibra de la OMS” (fibras que se consideran potencialmente cancerígenas). En el caso del reciclado térmico en plantas de incineración de residuos para residuos municipales, el tiempo de residencia de los residuos en la zona caliente de las plantas suele ser demasiado corto para que las fibras incrustadas en una matriz se quemen por completo. Esto puede provocar problemas técnicos con los precipitadores electrostáticos . En las plantas incineradoras de residuos peligrosos el tiempo de residencia de los materiales es mayor y las temperaturas más elevadas, sin embargo, se encontraron fibras en la escoria que se vierte, por lo que no se produce un reciclaje completo mediante plantas incineradoras de residuos.
Actualmente se está investigando una recuperación de material térmico en el reciclaje de acero y una recuperación puramente de material en la producción de carburo de calcio en un horno de arco eléctrico y, por lo tanto, a temperaturas significativamente más altas. En las pruebas piloto apropiadas, las fibras se descompusieron por completo y no se pudo detectar ninguna descarga de fibra.
Al reciclar z. B. en plantas comerciales de pirólisis a partir de fibras trituradas, fibras cortas o no tejidos producidos. Dado que las propiedades de las fibras casi continuas se obtienen a partir de longitudes de fibra de 3 a 4 cm, se pueden producir de nuevo productos de alta calidad con vellones de fibra y fibras discontinuas.
Con una matriz termoplástica, los componentes se pueden triturar directamente y reutilizar en el moldeo por inyección; no es necesaria una separación de la matriz de fibras.
enlaces web
Evidencia individual
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literatura
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