Fibra de carbon este un material format din filamente subțiri cu un diametru de 5 până la 10 microni , formate în principal din atomi de carbon . Atomii de carbon sunt combinați în cristale microscopice aliniate paralel între ele; alinierea cristalelor conferă fibrei o rezistență mai mare la tracțiune. Fibrele de carbon se caracterizează prin rezistență ridicată la tracțiune, greutate specifică scăzută, coeficient scăzut de dilatare termică și inerție chimică.
Pentru prima dată, producția și utilizarea fibrelor de carbon a fost propusă și brevetată în 1880 de către inventatorul american Edison pentru filamentele incandescente în lămpile electrice . Aceste fibre au fost obținute prin piroliza fibrelor de bumbac sau de viscoză și s-au caracterizat prin porozitate ridicată și fragilitate.
Un interes secundar pentru fibrele de carbon a venit atunci când se căutau materiale adecvate pentru a fi utilizate ca componente pentru fabricarea motoarelor de rachete . Din punct de vedere al calităților, fibrele de carbon s-au dovedit a fi unul dintre cele mai potrivite materiale de armare pentru acest rol, deoarece au stabilitate termică ridicată, proprietăți bune de izolare termică, rezistență la coroziune la medii gazoase și lichide, rezistență și rigiditate specifică ridicate.
În 1958, fibrele de carbon pe bază de fibre de viscoză au fost obținute în SUA . La fabricarea fibrelor de carbon de nouă generație, a fost utilizat tratamentul treptat la temperatură înaltă a fibrelor de celuloză hidratată (GTZ) (900 °C, 2500 °C), ceea ce a făcut posibilă atingerea unor valori de rezistență la tracțiune de 330–1030 M Pa . și un modul elastic de 40 G Pa . Ceva mai târziu (în 1960), a fost propusă o tehnologie pentru producerea de fibre scurte monocristaline („muștați”) de grafit cu o rezistență de 20 GPa și un modul elastic de 690 GPa. Mustații au fost crescute într-un arc electric la o temperatură de 3600°C și o presiune de 0,27 MPa (2,7 atm). S-a dedicat mult timp și atenție îmbunătățirii acestei tehnologii de-a lungul anilor, dar acum este rar folosită din cauza costului său ridicat în comparație cu alte metode de producere a fibrelor de carbon.
Aproape în același timp în URSS și ceva mai târziu, în 1961, în Japonia , s-au obținut fibre de carbon pe bază de fibre de poliacrilonitril (PAN). Caracteristicile primelor fibre de carbon pe bază de PAN nu au fost ridicate, dar tehnologia a fost îmbunătățită treptat și după 10 ani (până în 1970) s-au obținut fibre de carbon pe bază de fibre PAN cu o rezistență la tracțiune de 2070 MPa și un modul elastic de 480 GPa. . Totodată, s-a demonstrat și posibilitatea obținerii fibrelor de carbon folosind această tehnologie cu caracteristici mecanice și mai mari: un modul elastic de până la 800 GPa și o rezistență la tracțiune de peste 3 GPa. HC pe bază de smoală de petrol au fost obținute în 1970 și în Japonia.
Chen și Chun[ cine? ] a investigat efectul fibrei de carbon cu adăugarea de silice asupra contracției de uscare a betonului și a concluzionat că raportul de volum al fibrei de carbon în cantitate de 0,19% (cu o lungime medie a fibrei de 5 mm și un diametru de 10 μm) cu un microsilice raport de 15% în greutate ciment, a determinat o scădere a contracției prin uscare până la 84%. Cercetătorii au descoperit că utilizarea fibrei de carbon cu microsilice poate îmbunătăți proprietăți precum rezistența la compresiune și rezistența chimică [1] .
Alhadisi Abdul Kadeer și alții au investigat efectul aditivilor din fibre de carbon asupra proprietăților mecanice ale betonului ușor . S-au adăugat fibre într-un raport de 0,5%, 0,1%, 1,5% în volum. Toate compozițiile au fost caracterizate prin rezistență crescută la compresiune și rezistență la tracțiune, precum și rezistență la încovoiere de aproximativ 30%, 58% și, respectiv, 35%, comparativ cu amestecul de referință [2] .
CF este de obicei obținut prin tratarea termică a fibrelor chimice sau organice naturale, în care în materialul fibros rămân în principal atomi de carbon. Această prelucrare constă din mai multe etape. Prima dintre ele este oxidarea fibrei originale ( poliacrilonitril , viscoză) în aer la o temperatură de 250 ° C timp de 24 de ore. Oxidarea are ca rezultat formarea structurilor de scară prezentate în Fig. unu.[ clarifica ] Oxidarea este urmată de o etapă de carbonizare - încălzirea fibrei în azot sau argon la temperaturi de la 800 la 1500 ° C. Ca rezultat al carbonizării, se formează structuri asemănătoare grafitului. Procesul de tratare termică se încheie cu grafitizare la o temperatură de 1600-3000 °C, care are loc și într-un mediu inert. Ca urmare a grafitizării, cantitatea de carbon din fibră este adusă la 99%. Pe lângă fibrele organice obișnuite (cel mai adesea viscoză și poliacrilonitril), fibre speciale din rășini fenolice, lignină, cărbune și smoală de petrol pot fi folosite pentru a produce hidrocarburi .
Fibrele de carbon pot fi produse într-o varietate de forme: filamente tocate (tăiate, scurte) , filamente continue, materiale țesute și nețesute. Cele mai comune tipuri de produse sunt câlți, fire , roving , pânze nețesute. Fabricarea tuturor tipurilor de produse textile se realizează folosind tehnologii convenționale, la fel ca și pentru alte tipuri de fibre. Tipul de produs textil este determinat de utilizarea intenționată a hidrocarburilor într-un material compozit, la fel ca metoda de obținere a unui compozit în sine.
Principalele metode de obținere a compozitelor armate cu fibre de carbon sunt comune pentru materialele fibroase: așezarea, turnarea prin injecție , pultruziunea și altele. În prezent, sunt produse o serie de tipuri de hidrocarburi și hidrocarburi, dintre care principalele sunt enumerate mai jos.
CF-urile au o rezistență la căldură excepțional de mare : sub expunere termică până la 1600-2000 ° C în absența oxigenului, proprietățile mecanice ale fibrei nu se modifică. Acest lucru determină posibilitatea utilizării hidrocarburilor ca scuturi termice și material termoizolant în tehnologia de temperatură înaltă. Compozitele carbon-carbon sunt realizate pe bază de hidrocarburi , care se caracterizează printr -o rezistență ridicată la ablație .
Hidrocarburile sunt rezistente la medii chimice agresive, cu toate acestea, se oxidează atunci când sunt încălzite în prezența oxigenului. Temperatura lor maximă de funcționare în aer este de 300-370 °C. Depunerea unui strat subțire de carburi, în special SiC sau nitrură de bor , pe hidrocarburi face posibilă eliminarea în mare măsură a acestui dezavantaj. Datorită rezistenței sale chimice ridicate, hidrocarburile sunt folosite pentru filtrarea mediilor agresive, purificarea gazelor, fabricarea costumelor de protecție etc.
Prin modificarea condițiilor de tratament termic, este posibil să se obțină hidrocarburi cu proprietăți electrofizice diferite ( rezistivitate electrică volumetrică de la 2⋅10 −3 la 10 6 Ohm/cm) și să le utilizeze ca elemente electrice de încălzire de diverse scopuri , pentru fabricarea de termocupluri . , etc.
Activarea hidrocarburilor produce materiale cu o suprafață activă mare (300-1500 m²/g), care sunt absorbanți excelente . Aplicarea catalizatorilor pe fibră face posibilă crearea unor sisteme catalitice cu o suprafață dezvoltată.
În mod obișnuit, CF-urile au o rezistență de ordinul 0,5–1 GPa și un modul de 20–70 GPa, în timp ce cei supuși desenului de orientare au o rezistență de 2,5–3,5 GPa (pentru ce grosime a fibrei?) și un modul de 200– 450 GPa. Datorită densității scăzute (1,7–1,9 g/cm³) în ceea ce privește valoarea specifică (raportul rezistenței și modulului la densitate) a proprietăților mecanice, cele mai bune hidrocarburi depășesc toate materialele fibroase rezistente la căldură cunoscute. Rezistența specifică a CF este inferioară rezistenței specifice a fibrei de sticlă și a fibrelor aramide . Materialele plastice carbonice structurale sunt obținute pe baza hidrocarburilor de înaltă rezistență și modul înalt, folosind lianți polimerici . Au fost dezvoltate materiale compozite pe bază de hidrocarburi și lianți ceramici, hidrocarburi și o matrice de carbon, precum și hidrocarburi și metale, care pot rezista la efecte de temperatură mai severe decât materialele plastice convenționale .
HC este folosit pentru a consolida materiale compozite, de protecție termică, rezistente la substanțe chimice și alte materiale ca materiale de umplutură în diferite tipuri de materiale plastice armate cu fibră de carbon . Cea mai încăpătoare piață a hidrocarburilor în prezent este producția de structuri primare și secundare în aeronave ale diverșilor producători, inclusiv companii precum Boeing și Airbus (până la 30 de tone per produs). Datorită creșterii puternice a cererii în perioada 2004-2006. a existat un deficit mare de fibre pe piață, ceea ce a dus la creșterea bruscă a prețului acesteia.
Electrozii , termocuplurile , ecranele care absorb radiațiile electromagnetice, produsele pentru inginerie electrică și radio sunt fabricate din hidrocarburi . Pe baza HC se obțin încălzitoare electrice rigide și flexibile, inclusiv așa-numitele încălzitoare populare. „Incalzitoare de carbon” care incalzesc hainele si incaltamintea. Pâsla de carbon este singura izolație termică posibilă în cuptoarele cu vid care funcționează la temperaturi de 1100 °C și peste. Datorită inerției chimice, materialele din fibră de carbon sunt folosite ca straturi filtrante pentru curățarea lichidelor și gazelor agresive de impuritățile dispersate, precum și a etanșărilor și a garniturilor. Schimbătoarele de ioni UVA și fibră de carbon sunt folosite pentru purificarea aerului, precum și pentru procesarea gazelor și lichidelor, extragerea din ultimele componente valoroase și fabricarea echipamentelor personale de protecție respiratorie.
UVA (în special actylene ) este utilizat pe scară largă în medicină pentru purificarea sângelui și a altor fluide biologice. În șervețele speciale pentru tratarea rănilor purulente, arsurilor și ulcerelor diabetice, țesătura AUT-M, dezvoltată la începutul anilor 80 și testată în timpul operațiunilor de luptă din Afganistan, este indispensabilă [3] . Ca medicament, este utilizat pentru otrăvire (datorită capacității mari de a absorbi otrăvuri (de exemplu, Belosorb sau AUT-MI pe bază de sorbent Svetlogorsk ), ca purtători de substanțe medicinale și biologic active .
Catalizatorii HC sunt utilizați în procesele la temperatură înaltă de sinteză anorganică și organică, precum și pentru oxidarea impurităților conținute în gaze (CO la CO 2 , SO 2 la SO 3 etc.). Este utilizat pe scară largă în fabricarea de părți ale caroseriei în sporturile cu motor, precum și în producția de echipamente sportive (bâte, vâsle, schiuri, cadre și componente pentru biciclete, pantofi) etc.
Fibra de carbon este utilizată în construcții în diverse sisteme de armătură exterioară (EAS) - cu ajutorul acesteia, elementele structurale din beton armat, metal, piatră și lemn ale clădirilor și structurilor sunt armate pentru a elimina consecințele distrugerii materialelor și coroziunii armăturii ca rezultat al expunerii prelungite la factori naturali și medii agresive în timpul funcționării, precum și pentru amplificarea seismică . Esența acestei metode este creșterea rezistenței elementelor care percep sarcini în timpul funcționării clădirilor și structurilor, folosind țesături de carbon, lamele și grile. Întărirea structurilor clădirii cu fibră de carbon mărește capacitatea portantă fără a modifica schema structurală a obiectului.
| Fibre textile | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| natural (natural) |
| ||||||
| Chimic |
| ||||||