PRFC

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Fibra de carbono ( CFRP , Carbon fibre , del inglés  carbon - carbon) - materiales compuestos de polímeros a partir de filamentos de fibra de carbono entrelazados ubicados en una matriz de resinas poliméricas (por ejemplo, epoxi ). Densidad  - de 1450 kg/m³ a 2000 kg/m³.

Los materiales se caracterizan por su alta resistencia, rigidez y bajo peso, a menudo más fuertes que el acero , y mucho más ligeros. En cuanto a las características específicas, supera al acero de alta resistencia, por ejemplo, el acero estructural aleado 25KhGSA.

Por su elevado coste, con ahorro de costes y sin necesidad de obtener las máximas prestaciones, este material se utiliza como refuerzo del material principal de la estructura.

Información básica

El componente principal de la fibra de carbono son los filamentos de fibra de carbono , que consisten principalmente en átomos de carbono . Dichos hilos son muy delgados (aproximadamente 0,005-0,010 mm de diámetro [1] ), es muy fácil romperlos, pero es bastante difícil romperlos. Las telas se tejen con estos hilos. Pueden tener un patrón de tejido diferente (espiga, estera , etc.).

Para dar aún mayor resistencia a la tela, los hilos de carbono se colocan en capas, cambiando cada vez el ángulo de la dirección del tejido. Las capas se mantienen unidas con resinas epoxi .

Los filamentos de carbono se obtienen generalmente mediante tratamiento térmico de fibras orgánicas naturales o químicas, en las que principalmente los átomos de carbono permanecen en el material de fibra. El tratamiento térmico consta de varias etapas:

1. El primero de ellos es la oxidación de la fibra original ( poliacrilonitrilo , viscosa ) en aire a una temperatura de 250°C durante 24 horas. Como resultado de la oxidación, se forman estructuras de escalera.
2. A la oxidación le sigue la etapa de carbonización  : calentamiento de la fibra en nitrógeno o argón a temperaturas de 800 a 1500 °C. Como resultado de la carbonización, se forman estructuras similares al grafito.
3. El proceso de tratamiento térmico finaliza con la grafitización a una temperatura de 1600-3000 °C, que también tiene lugar en un ambiente inerte. Como resultado de la grafitización, la cantidad de carbono en la fibra se lleva al 99%.

Además de las fibras orgánicas convencionales (la mayoría de las veces viscosa y poliacrilonitrilo), se pueden usar fibras especiales de resinas fenólicas, lignina , carbón y brea de petróleo para producir filamentos de carbono . Además, las piezas de fibra de carbono son más resistentes que las de fibra de vidrio , pero al mismo tiempo son mucho más caras.

El alto costo del carbono se debe, en primer lugar, a una tecnología de producción más compleja y al mayor costo de los materiales derivados. Por ejemplo, para el apresto de las capas se utilizan resinas más caras y de mayor calidad que cuando se trabaja con fibra de vidrio, y se requieren equipos más caros para la producción de las piezas (por ejemplo, como un autoclave ).

Desventajas

En la producción de plásticos de fibra de carbono, es necesario cumplir estrictamente con los parámetros tecnológicos, en violación de los cuales las propiedades de resistencia de los productos se reducen drásticamente. Se necesitan medidas de control de calidad complejas y costosas para los productos (incluida la detección ultrasónica de fallas , rayos X, holografía óptica e incluso pruebas acústicas).

Otra seria desventaja de los CFRP es su baja resistencia al impacto . Los daños estructurales causados ​​por impactos de objetos extraños (incluso cuando una herramienta cae sobre ellos) en forma de grietas internas y delaminaciones pueden ser invisibles a la vista, pero conducen a una disminución de la resistencia; la destrucción de una estructura dañada por impactos puede ocurrir ya a una deformación relativa igual al 0,5% [2] .

Producción

• Presionando _ La fibra de carbono se reviste en un molde previamente lubricado con un antiadherente (por ejemplo, jabón, cera , cera en gasolina, Cyatim-221 , lubricantes de silicona ). Impregnado con resina. El exceso de resina se elimina al vacío (moldeo al vacío) o bajo presión. La resina polimeriza, a veces cuando se calienta. Después de la polimerización de la resina, el producto está listo.

• moldeo por contacto . En el ejemplo de la fabricación de un parachoques: se toma un parachoques original de metal, lubricado con una capa de separación. Luego se rocía espuma de montaje ( yeso , alabastro ) . Eliminado después del endurecimiento. Esta es una matriz. Luego se unta con una capa de separación y se coloca la tela. El tejido puede estar preimpregnado, o bien puede impregnarse con brocha o regando directamente en la matriz. Luego, la tela se enrolla con rodillos para compactar y eliminar las burbujas de aire. Luego polimerización (si el endurecedor se cura en caliente , luego en el horno, si no, entonces a temperatura ambiente - 25 ° C). Luego se quita el parachoques, si es necesario, se lija y se pinta.
• Infusión al vacío . Se coloca un tejido de carbono (sin impregnación) sobre la matriz preparada , luego se colocan capas tecnológicas para la distribución uniforme del aglutinante. Se aplica un vacío bajo el paquete tecnológico. Posteriormente, la válvula de suministro de ligante se abre y, bajo la acción del vacío, llena los vacíos e impregna el tejido de carbono.
• Formación de vacío. Este es un cambio en la forma de los espacios en blanco planos (láminas o películas) de un material de polímero termoplástico a temperaturas elevadas y exposición al vacío en productos moldeados tridimensionales. Debido al costo relativamente bajo de los equipos tecnológicos, esta tecnología es extremadamente atractiva en la fabricación de lotes de productos de 10 a 5000 piezas y, en ocasiones, hasta 30 000 piezas.
• Pultrusión . Tecnología de fabricación de piezas compuestas altamente cargadas de fibra con una estructura transversal constante. Actualmente, se usa activamente en la producción de materiales compuestos de polímeros, por ejemplo, para la producción de láminas de carbono (placas).
• bobinado _ La esencia de la tecnología radica en el bobinado continuo de roving / s preimpregnados (vidrio, carbono, basalto, combinado) o cinta en una forma preparada previamente: un mandril. Después de enrollar el número requerido de capas, el mandril con las capas enrolladas se coloca en un horno de calentamiento para una mayor polimerización.
• RTM. El material de refuerzo seco se coloca entre dos partes del equipo rígido sellado herméticamente. Un ligante de baja viscosidad se inyecta bajo presión en el molde, forzando el aire hacia los canales de drenaje hasta que el molde esté completamente lleno. Los moldes para esta tecnología generalmente están hechos de metal de bajo CTE. Esta tecnología es muy adecuada para series de pequeño y mediano volumen de 500 a 20.000 artículos por año.
• LFI . La tecnología LFI (Long Fiber Injection) fue desarrollada por la empresa alemana Krauss Maffei en 1995. Características de Producción: Inyección de Fibra Larga, proceso utilizado para la producción de componentes interiores y exteriores de automóviles, cuya estructura tiene una forma compleja, grandes dimensiones y superficie pintada clase A. En este proceso, la fibra cortada del roving ensamblado se rocía a una temperatura -Molde controlado (matriz). Al mismo tiempo, el isocianato líquido y el poliol se mezclan y se alimentan junto con la fibra cortada en la matriz. Todos estos componentes se pulverizan en un molde (matriz), el molde se cierra y se rellena mediante la expansión de espuma de poliuretano como resultado de una reacción química de los componentes introducidos. Unos minutos más tarde, se completa la polimerización y el producto se puede retirar de la matriz.
• SMC/BMC. El material se corta, de acuerdo con el esquema de corte, y se transfiere a un molde calentado a la temperatura de funcionamiento. El molde se cierra, haciendo que el material fluya bajo presión hacia la cavidad del molde y se cure. Al final del ciclo, el producto se desmoldea y se realiza su mecanizado final y pintado (si es necesario).

Los tubos y otros productos cilíndricos se fabrican mediante bobinado. Forma de la fibra: hilo, cinta, tejido. Resina: epoxi o poliéster . Es posible fabricar moldes de fibra de carbono en casa, con experiencia y equipo.

Aplicación

Los CFRP se utilizan ampliamente en la fabricación de piezas ligeras pero resistentes, en sustitución de metales, en muchos productos, desde piezas de naves espaciales hasta cañas de pescar, incluidos:

• tecnología espacial y de cohetes;
• ingeniería aeronáutica ( construcción de aeronaves, construcción de helicópteros (por ejemplo, rotores));
• construcción naval ( barcos , construcción naval deportiva );
• industria automotriz ( automóviles deportivos (por ejemplo , parachoques , umbrales, puertas, cubiertas de capó), motocicletas, prototipos de MotoGP, autos de Fórmula 1 ( cabinas y carenados), así como en el diseño de salones;
• ciencia e investigación;
• refuerzo de estructuras de hormigón armado ;
• material deportivo ( patines , bicicletas , botas de fútbol, ​​palos de hockey , tablas de snowboard, esquís , bastones y botas de esquí, raquetas de tenis , palas de tenis de mesa, palas de patines , flechas , material de windsurf , monoaletas), remos;
• Equipo medico;
• prótesis
• aparejos de pesca (cañas);
• trípodes profesionales para fotografía y vídeo;
• electrodomésticos (acabado de carcasas de teléfonos, portátiles , mangos de cuchillos plegables, etc.);
• modelado;
• cuerdas para instrumentos musicales;
• producción de soportes de empeine individuales (especialmente para deportes);
• herramientas de costura (agujas de tejer);
• El carbono absorbe débilmente los rayos X, por lo que se fabrican ventanas de rayos X y detectores gamma de amplio rango (a través de los cuales la radiación ingresa al detector).

Polímeros reforzados con nanotubos de carbono (CNRP)

Los nanotubos de carbono , como base de la fibra de carbono, son varias veces más resistentes, más flexibles que el caucho e incluso más ligeros que el O 2 . El material es muy diferente a la fibra de carbono convencional . Este tipo de fibra de carbono se utiliza, en particular, en el diseño del avión Lockheed Martin F-35 Lightning II .

Notas

1. ↑ Fibra de carbono en la industria automotriz: pros y contras . AutoRelease.ru . Consultado el 15 de septiembre de 2009. Archivado desde el original el 23 de agosto de 2011. (indefinido)
2. ↑ Filippov V. El uso de materiales compuestos en la industria aeronáutica // Foreign Military Review. - 1988. - Nº 2 . - S. 49-50 . — ISSN 0134-921X .

Literatura

• Libro de referencia de J. Lubin "Materiales compuestos", M., 1988