Cum faci fibră de carbon puternică?
În primul rând, o foaie de fibre și alți polimeri este încălzită la o temperatură foarte ridicată într-un spațiu lipsit de oxigen. Deoarece nu există oxigen, fibra nu poate arde, ci devine atât de fierbinte încât atomii de carbon sunt tot ce rămâne.
Apoi, carbonul este stabilizat și carbonizat. Aceasta implică încălzirea carbonului rezistent la ardere la temperaturi ridicate în aer liber, apoi introducerea acestuia într-un cuptor umplut cu gaze chimice (dar nu oxigen) și gătirea și mai departe.
În al treilea rând, foaia este răcită și scufundată în diferite gaze chimice, inclusiv oxigen, pentru a-i oferi proprietăți de legare mai bune.
În cele din urmă, un strat de rășină epoxidică este aplicat pe foaie pentru a proteja fibrele de deteriorare atunci când sunt utilizate la fabricarea produselor. Compoziția acoperirii variază în funcție de materialele inițiale utilizate pentru fibră.
Acesta este procesul de realizare a unei singure foi de fibră de carbon, care este un material de construcție extrem de puternic, dar poate fi totuși fragil și ușor de spart în anumite privințe. Pentru mai multe informații despre modul în care foile din fibră de carbon devin aproape indestructibile, consultați secțiunea de mai jos despre „Fibra de carbon se sparge ușor?”
Este important de știut că fabricarea fibrei de carbon puternice este un proces extrem de complex care cu siguranță nu se poate face acasă.
De ce este fibra de carbon atât de puternică?
Fibra de carbon este printre cele mai puternice materiale de pe pământ datorită legăturilor în lanț ale moleculelor sale. Această structură este creată în timpul tuturor reacțiilor chimice și schimbărilor extreme de temperatură prin care trece fibra în timpul producerii.
Procesele leagă împreună mii de fire mici și le amestecă cu un epoxid. Aceste șuvițe formează un strat de fibră de carbon, a cărui rezistență este afectată de orientarea precisă a șuvițelor și de tipurile de țesături utilizate în strat.
Un singur strat de fibră de carbon are de obicei aproximativ 0,25 mm grosime și nu este deloc foarte rezistent. De fapt, la acea grosime, fibra de carbon este foarte ușor de spart. Acest lucru poate fi contraintuitiv față de ceea ce știți despre fibra de carbon că este puternică, dar rezistența este creată în procesul de stivuire a mai multor straturi, de asemenea, folosind orientarea și țesutura fibrelor, cunoscută și sub denumirea de „încărcare”.
Puritatea moleculară a fibrei de carbon o ajută, de asemenea, să dezvolte o structură strâns legată.
Fibra de carbon se sparge usor?
Răspunsul scurt este că se poate, așa cum este descris mai sus. Lucrul grozav despre fibra de carbon este că poți controla puterea și direcția rezistenței. De exemplu, dacă doriți să fie super puternică într-o direcție și mai flexibilă în cealaltă, puteți face acest lucru folosind un anumit tip de țesătură și layup.
Foi unidirecționale
Pentru a explica, imaginați-vă una dintre acele rogojini de lemn folosite pentru a face sushi. Covorașul este făcut dintr-o grămadă de tije înguste de lemn care merg paralele între ele și sunt legate între ele. Rezultatul este că este ușor să îndoiți covorașul dacă vă îndoiți împotriva firului. Dacă vă îndoiți cu boabele, totuși, covorașul nu se va îndoi deloc ușor, deoarece asta ar însemna să vă îndoiți suficient de greu pentru a rupe tijele de lemn.
Foile din fibră de carbon sunt compuse dintr-o serie de tije paralele, asemănătoare covorașului sushi. Dar în fibra de carbon, tijele sunt fabricate din fibră tratată și sunt mult mai rezistente decât lemnul. Din această cauză, este destul de dificil să spargi o foaie de fibră de carbon dacă aplici presiune în aceeași direcție cu tijele. O foaie de tije care rulează într-o singură direcție este similară cu un tip de țesătură din fibră de carbon numită „unidirecțională”, în care toate fibrele rulează în aceeași direcție.
Acum imaginați-vă că lipiți două covorașe sushi unul peste altul, cu tijele de lemn ale covorașului de jos mergând într-un sens și tijele covorașului de sus mergând în cealaltă direcție. Acum, covorașele se susțin unul pe celălalt și se împiedică să se îndoaie în orice direcție.
Cu fibră de carbon unidirecțională, pe măsură ce stivuiți straturile de material, puteți controla direcția rezistenței cu fiecare strat. Acest control al direcției forței este unul dintre beneficiile fibrei de carbon. Folosind mai multe straturi, puteți face produsul final cât de puternic aveți nevoie pentru aplicația dată.
Foi țesute
În foile țesute din fibră de carbon, filamentele sunt țesute împreună ca firele unui coș pentru a se ține mai bine împreună. Există o mulțime de tipuri diferite de țesături care sunt folosite din mai multe motive. Ar putea fi estetic sau ar putea fi mai ușor să prelucrați un anumit tip de material într-o matriță și/sau ar putea avea mai multă rezistență în mai multe direcții. Tipurile de țesături utilizate și orientarea în care sunt plasate pentru a controla rezistența, toate fac parte din dezvoltarea strategiei de întindere.
Indiferent de tipul de țesătură, totuși, o singură foaie de fibre țesute va fi totuși destul de slabă dacă nu sunt stratificate.
Stivele de foi din fibră de carbon (fie țesute, fie unidirecționale) cu orientări alternative sunt extrem de puternice --, de până la 18 ori rezistența oțelului, de fapt.
Poti arde fibra de carbon?
Ți-ar fi greu să arzi fibră de carbon.
Dacă îl încălziți până la 750 de grade, acesta va arde foarte lent atâta timp cât i se aplică o sursă de combustibil arzând. Dar chiar și în acel moment, arderea se va opri imediat ce sursa de combustibil este îndepărtată.
Această ardere limitată este cauzată de rășina combinată cu carbonul din fibră, deoarece carbonul în sine nu se va arde. Singurul motiv pentru care fibra se arde este că componentele care nu sunt carbonice din ea vor arde.
Există diferite tipuri de rășini care pot suporta diferite tipuri de căldură. O rășină epoxidică tipică este bună până la aproximativ 200 de grade Fahrenheit, dar o rășină cu căldură ridicată va rezista de obicei la căldură până la 400 de grade. Verificați întotdeauna specificațiile rășinii utilizate.
Deoarece fibra de carbon este atât de rezistentă la căldură, dar totuși atât de puternică, este folosită în multe aplicații de inginerie, cum ar fi siding din interiorul motoarelor.
Fibra de carbon poate rugini?
Nu. Legăturile strânse din fibra de carbon sunt imune la oxidare datorită proceselor chimice complexe utilizate în timpul producției. Rășinile epoxidice folosite pentru a proteja fibra de carbon de deteriorare sunt inerte, ceea ce înseamnă că este ferită de rugină și alte tipuri de coroziune.
Cât de puternic este filamentul din fibră de carbon?
Un filament din fibră de carbon este șirul individual utilizat pe o țesătură din fibră de carbon. Aceste fire sunt de obicei legate între ele folosind o rășină, care este RP în CFRP (plastic ranforsat cu fibră de carbon). Prin împerecherea materialului folosit cu compoziția chimică exactă a fibrei de carbon, inginerii pot crea ceva și mai durabil, mai puternic și mai ușor decât piesele sale.
Într-o țesătură, fiecare fir de fibră de carbon va avea în mod normal undeva între 1,000 și 12,000 filamente individuale, mai puțin decât lățimea unui păr uman.
Deci cât de puternică este fibra de carbon? Să spunem așa: nu există multe materiale în lume mai puternice decât fibra de carbon --, în special cele care nu sunt disponibile comercial.