¿Qué es la fibra de carbono? ¿De qué maneras se utiliza?
La fibra de carbono (CF) es un nuevo tipo de material de fibra de alta resistencia y alto módulo que contiene más del 95% de carbono. Es un material de grafito microcristalino que se obtiene apilando fibras orgánicas, como microcristales de grafito en escamas, a lo largo de la dirección axial de la fibra y sometiéndolas a tratamientos de carbonización y grafitización. La fibra de carbono es "flexible por fuera y rígida por dentro". Es más ligera que el aluminio metálico pero más resistente que el acero. Es resistente a la corrosión y tiene un alto módulo. Es un material importante en aplicaciones civiles y de defensa. No solo tiene las características inherentes de los materiales de carbono, sino que también tiene la suave procesabilidad de las fibras textiles. Es una nueva generación de fibra de refuerzo.
La fibra de carbono tiene muchas propiedades excelentes. La fibra de carbono tiene alta resistencia y módulo axial, baja densidad, alto rendimiento específico, sin fluencia, resistencia a temperaturas ultra altas en ambientes no oxidantes, buena resistencia a la fatiga y calor específico. y La conductividad eléctrica es entre metales y no metales, el coeficiente de expansión térmica es pequeño y anisotrópico, la resistencia a la corrosión es buena y la transmitancia de rayos X es buena. Buena conductividad eléctrica y térmica, buen blindaje electromagnético, etc.
En comparación con la fibra de vidrio tradicional, el módulo de Young de la fibra de carbono es más de 3 veces; en comparación con la fibra de Kevlar, el módulo de Young es aproximadamente 2 veces y es resistente a solventes y ácidos orgánicos. No se disuelve ni se hincha en álcali y tiene una excelente resistencia a la corrosión.
Campos de aplicación
La fibra de carbono es un material estratégico importante para el desarrollo de la industria de defensa nacional y la economía nacional. Es un material clave de uso intensivo de tecnología en la investigación académica a corto plazo. Desde fibra de carbono hasta fibra de carbono de fibra larga, las tecnologías y productos que utilizan fibra de carbono para fabricar materiales calefactores también se están volviendo populares gradualmente. En el contexto de la rápida industrialización actual en el mundo, los usos de la fibra de carbono se están diversificando. China ya ha utilizado fibras largas como un tipo de fibra de alto rendimiento en situaciones que requieren altas temperaturas y alta estabilidad física, los materiales compuestos de fibra de carbono tienen ventajas irremplazables. Cuanto mayor es la resistencia específica del material, menor es el peso propio del componente y cuanto mayor es el módulo específico, mayor es la rigidez del componente. Precisamente por sus excelentes propiedades, la fibra de carbono tiene amplias perspectivas de aplicación en ambos países. ámbitos civil y de defensa.
Los materiales de fibra de carbono se han utilizado ampliamente en diversos campos de las industrias militares y civiles. Desde aeroespacial, aviación, automóviles, electrónica, maquinaria, productos químicos, textiles y otras industrias civiles hasta equipamiento deportivo y productos de ocio. Los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono se pueden utilizar en campos militares como la fabricación de aviones, campos industriales como palas de energía eólica, materiales antiestáticos de blindaje electromagnético, ligamentos artificiales y otros materiales sustitutos del cuerpo, así como en la fabricación de proyectiles de cohetes, barcos de motor, Robots industriales, ballestas de automóviles y ejes de transmisión, etc. Campos de béisbol y otros deportes. La fibra de carbono es un nuevo material industrial típico en los campos de alta tecnología.
Materiales compuestos
Las fibras de carbono se utilizan tradicionalmente además de utilizarse como materiales aislantes térmicos. Se utiliza principalmente como material de refuerzo y se añade a resina, metal, cerámica, hormigón y otros materiales para formar materiales compuestos. La fibra de carbono se ha convertido en el material de refuerzo más importante para los materiales compuestos avanzados. Debido a que los materiales compuestos de fibra de carbono tienen las características de ser livianos y fuertes, livianos y rígidos, resistencia a altas temperaturas, resistencia a la corrosión, resistencia a la fatiga, buena estabilidad estructural y dimensional, buen diseño y pueden formarse integralmente en grandes áreas, se han utilizado ampliamente. en las industrias aeroespacial, de defensa nacional y civil se utilizan ampliamente en diversos campos. La fibra de carbono se puede transformar en telas, fieltros, esteras, cintas, papel y otros materiales. La fibra de carbono de alto rendimiento es el material de refuerzo más importante para la fabricación de materiales compuestos avanzados.
Construcción civil
Ámbito de la construcción civil: La fibra de carbono también se utiliza en el refuerzo de edificios industriales y civiles, puentes de ferrocarriles y carreteras, túneles, chimeneas, estructuras de torres, etc. En ferrocarril La construcción, los grandes sistemas de techos y las paredes de aislamiento acústico tendrán buenas aplicaciones en el futuro, y estas también serán aplicaciones prometedoras de la fibra de carbono. Tiene las características de baja densidad, alta resistencia, buena durabilidad, fuerte resistencia a la corrosión, resistencia a la corrosión ácida, alcalina y otras sustancias químicas, buena flexibilidad y gran adaptabilidad. El techo con armazón hecho de tubos de fibra de carbono es aproximadamente un 50% más liviano que el acero, lo que lleva las estructuras grandes a un nivel práctico y la eficiencia de la construcción y el rendimiento sísmico se han mejorado considerablemente. Además, cuando se utiliza fibra de carbono para reforzar estructuras de hormigón, no es necesario agregar pernos ni remaches para la fijación, lo que provoca menos alteraciones en la estructura de hormigón original y el proceso de construcción es sencillo.
Aeroespacial
La fibra de carbono es un material básico estratégico esencial para armas y equipos de última generación como cohetes, satélites, misiles, aviones de combate y barcos.
La aplicación de materiales compuestos de fibra de carbono al cuerpo y a la carcasa del motor de misiles estratégicos puede reducir en gran medida el peso y mejorar el alcance y la capacidad de asalto del misil. Por ejemplo, las carcasas de tres etapas de los misiles intercontinentales desarrollados por Estados Unidos en los años 1980. Todos están hechos de materiales compuestos de fibra de carbono y resina epoxi. Los materiales compuestos de fibra de carbono también han comenzado a usarse ampliamente en los aviones de combate de nueva generación. Por ejemplo, el caza estadounidense F22 de cuarta generación utiliza aproximadamente un 24% de materiales compuestos de fibra de carbono, lo que permite que el avión de combate tenga un crucero supersónico, más allá del alcance visual del combate. y características de alta maniobrabilidad e invisibilidad. Boeing en Estados Unidos ha lanzado el Sonic Cruiser, una nueva generación de avión de pasajeros de fuselaje ancho y alta velocidad. Alrededor del 60% de sus componentes estructurales estarán hechos de materiales compuestos plásticos reforzados con fibra de carbono, incluidas las alas. El rendimiento de las piezas prefabricadas de frenos compuestas de fibra de carbono de desarrollo propio de China ha alcanzado los estándares internacionales. Los discos de freno de carbono y de carbono nacionales preparados con esta tecnología prefabricada se han equipado en lotes en aviones militares clave de defensa nacional y se utilizan en aviones de aviación civil B757. Su uso en otros modelos de aviones también está bajo evaluación experimental y se promoverá. tanques, trenes de alta velocidad, limusinas, coches de carreras, etc. La fibra de carbono es más ligera que el aluminio pero tiene una resistencia similar. La fibra de carbono también tiene un valor de aplicación importante en los barcos. Puede reducir el peso estructural del barco, aumentar la carga útil del barco y mejorar así la capacidad de transportar materiales de combate. La fibra de carbono no tiene problemas de corrosión ni óxido. Dado que el uso de materiales de fibra de carbono puede reducir significativamente el peso estructural, la eficiencia del combustible se puede mejorar significativamente. Los aviones y naves espaciales como satélites y cohetes fabricados con materiales compuestos de fibra de carbono y plástico tienen poco ruido y consumen menos energía debido a su pequeña masa, lo que puede ahorrar mucho combustible. Según los informes, por cada reducción de 1 kg en la masa de una nave espacial, el vehículo de lanzamiento se puede reducir en 500 kg.
La fibra de carbono también es el material perfecto para conseguir "ligereza" en el transporte moderno como grandes aviones civiles, coches y trenes de alta velocidad. La demanda de fibra de carbono en aplicaciones de aviación está aumentando. La nueva generación de grandes aviones civiles Airbus A380 y Boeing 787 utiliza aproximadamente un 50% de materiales compuestos de fibra de carbono. El avión Boeing 777 utiliza fibra de carbono como materiales estructurales, incluidas vigas y aletas de cola horizontales y verticales, que se denominan materiales estructurales importantes, por lo que sus requisitos de calidad son extremadamente estrictos. El fuselaje del Boeing 787 también utiliza fibra de carbono, lo que hace que el avión vuele más rápido y consuma menos combustible. También aumenta la humedad en la cabina y hace que los pasajeros se sientan más cómodos. Airbus también utiliza una gran cantidad de fibra de carbono en sus aviones, y la fibra de carbono se utilizará ampliamente en el nuevo avión de pasajeros A380. Esto reduce el peso estructural de la carrocería del avión en un 20% y ahorra un 20% de combustible en comparación con aviones similares, reduciendo así significativamente los costes operativos y las emisiones de dióxido de carbono.
Materiales para automóviles
Los materiales de fibra de carbono también se han convertido en un material preferido por los fabricantes de automóviles.
Ha comenzado a ser ampliamente utilizado en la decoración interior y exterior de los automóviles. . Como material para automóviles, las mayores ventajas de la fibra de carbono son su peso ligero y su alta resistencia. Su peso sólo equivale al 20% o 30% del acero, pero su dureza es más de 10 veces mayor que la del acero. Por lo tanto, el uso de materiales de fibra de carbono en la fabricación de automóviles puede hacer que los automóviles sean más livianos, lograr avances revolucionarios y generar beneficios sociales de ahorro de energía. La industria cree que aumentará el uso de fibra de carbono en la fabricación de automóviles.
Un automóvil de fibra de carbono desarrollado por la Academia de Ciencias de China se encuentra principalmente en la capa exterior: si golpeas el capó de un automóvil hecho de materiales comunes con un martillo, es probable que se produzcan abolladuras en la cubierta de pintura. , pero el capó de este automóvil El caparazón es muy fuerte y rebotará rápidamente después de recibir un fuerte golpe contra la cubierta del automóvil sin dañar la superficie. Los investigadores dicen que la característica más importante de los automóviles fabricados con materiales compuestos de fibra de carbono es que son más ligeros y rápidos que los automóviles fabricados con acero común. Los coches de fibra de carbono abandonan la estructura de acero tradicional y utilizan una gran cantidad de materiales de fibra de carbono, lo que puede reducir el peso en un 60% en comparación con los coches de acero normales. Con el mismo consumo de combustible, este coche puede recorrer 50 kilómetros más por hora.
Aunque la fibra de carbono es liviana, tiene mayor seguridad. Aunque la fibra de carbono parece plástico, en realidad este material es más resistente a los impactos que el acero, especialmente los volantes hechos de fibra de carbono, mayor resistencia mecánica e impacto. resistencia. Con la cooperación de materiales compuestos, los coches de fibra de carbono se han convertido en vehículos blindados entre los coches familiares. Este material de fibra de carbono se ha utilizado en los faldones de los trenes de alta velocidad.
Refuerzo de fibra
El refuerzo de fibra de carbono incluye refuerzo de tela de fibra de carbono y refuerzo de placa de fibra de carbono. La investigación sobre el uso de materiales de fibra de carbono para refuerzo y reparación de estructuras de hormigón comenzó en la década de 1980 en países desarrollados como Estados Unidos y Japón.
Esta tecnología comenzó muy tarde en China, pero con el rápido desarrollo de la construcción económica y el transporte en China, un número considerable de edificios existentes han causado problemas históricos debido a los bajos estándares de carga de diseño en ese momento. Algunos edificios son difíciles de cumplir con los requisitos. cambios en las funciones de uso. La demanda actual de un uso estandarizado requiere urgente reparación y refuerzo. Existen muchos métodos de refuerzo de uso común, como: método de ampliación de la sección transversal, método de refuerzo de acero envolvente, método de refuerzo de acero adherido, método de refuerzo de fibra de carbono, etc. La tecnología de refuerzo y reparación de estructuras de fibra de carbono es otro nuevo tipo de tecnología de refuerzo estructural después de ampliar la sección de hormigón y unir el acero.
China comenzó a introducir materiales compuestos de fibra de carbono para fortalecer la investigación en tecnología de estructuras de concreto desde el extranjero en 1997. Se ha convertido en un punto caliente en aplicaciones de investigación e ingeniería. Decenas de universidades e institutos de investigación en China han llevado a cabo este trabajo de investigación y han logrado una serie de resultados de investigación cercanos al nivel avanzado internacional. Dado que China tiene el mercado de construcción civil más grande del mundo, la aplicación de estructuras de construcción reforzadas con fibra de carbono mostrará una tendencia creciente.
Artículos deportivos
La fibra de carbono se utiliza en el ámbito del deporte y el ocio, como palos, cañas de pescar, raquetas de tenis, raquetas de bádminton, bicicletas, bastones de esquí, tablas de snowboard, mástiles de windsurf. y cascos de vela Los equipos deportivos y otros equipos deportivos son uno de los principales usuarios de fibra de carbono. La fibra de carbono se utiliza en las necesidades diarias, como electrodomésticos como parlantes, calentadores de baño, calentadores y productos electrónicos como teléfonos móviles y computadoras portátiles.
Tres aplicaciones importantes en aplicaciones deportivas son los marcos de bates y raquetas. Se estima que anualmente se producen 34 millones de murciélagos. El 40% de los murciélagos de fibra de carbono del mundo están hechos de fibra de carbono. La producción mundial de cañas de pescar de fibra de carbono es de aproximadamente 20 millones de pares al año. La capacidad de mercado de marcos de raquetas de tenis es de aproximadamente 6 millones de pares por año. Otras aplicaciones deportivas incluyen palos de hockey sobre hielo, bastones de esquí, etc. La fibra de carbono también se utiliza en otros deportes marinos como el remo y el remo.