Amb el desenvolupament continu dels materials compostos, a més dels plàstics reforçats amb fibra de vidre, han aparegut plàstics reforçats amb fibra de carboni, plàstics reforçats amb fibra de bor, etc. Els compostos de polímer reforçats amb fibra de carboni (CFRP) són materials lleugers i resistents que s'utilitzen per fabricar molts productes que fem servir a la nostra vida diària. És un terme que s'utilitza per descriure els materials compostos reforçats amb fibra que utilitzen fibres de carboni com a principal component estructural.
Taula de continguts:
1. Estructura de polímer reforçat amb fibra de carboni
2. El mètode de modelat de plàstic reforçat amb fibra de carboni
3. Propietats del polímer reforçat amb fibra de carboni
4. Avantatges del CFRP
5. Desavantatges del CFRP
6. Usos del plàstic reforçat amb fibra de carboni
Estructura de polímer reforçat amb fibra de carboni
El plàstic reforçat amb fibra de carboni és un material format disposant materials de fibra de carboni en una direcció determinada i utilitzant materials polimèrics enllaçats. El diàmetre de la fibra de carboni és extremadament prim, d'uns 7 micres, però la seva resistència és extremadament alta.
La unitat constituent més bàsica del material compost reforçat amb fibra de carboni és el filament de fibra de carboni. La matèria primera bàsica del filament de carboni és el prepolímer de poliacrilonitril (PAN), el raió o la brea de petroli. Els filaments de carboni es converteixen en teixits de fibra de carboni mitjançant mètodes químics i mecànics per a peces de fibra de carboni.
El polímer d'unió sol ser una resina termoestable com l'epoxi. De vegades s'utilitzen altres polímers termoestables o termoplàstics, com ara l'acetat de polivinil o el niló. A més de les fibres de carboni, els compostos també poden contenir aramida Q, polietilè de pes molecular ultra alt, alumini o fibres de vidre. Les propietats del producte final de fibra de carboni també es poden veure afectades pel tipus d'additius introduïts a la matriu d'unió.
El mètode de modelat de plàstic reforçat amb fibra de carboni
Els productes de fibra de carboni són principalment diferents a causa dels diferents processos. Hi ha molts mètodes per formar materials polimèrics reforçats amb fibra de carboni.
1. Mètode de col·locació manual
Dividit en mètode sec (taller prepreparat) i mètode humit (teixit de fibra i resina enganxats per utilitzar). La capa manual també s'utilitza per preparar preimpregnats per al seu ús en processos de modelat secundari, com ara el modelat per compressió. Aquest mètode consisteix en la laminació de làmines de tela de fibra de carboni en un motlle per formar el producte final. Les propietats de resistència i rigidesa del material resultant s'optimitzen seleccionant l'alineació i el teixit de les fibres del teixit. A continuació, el motlle s'omple amb epoxi i es cura amb calor o aire. Aquest mètode de fabricació s'utilitza sovint per a peces no sotmeses a tensions, com ara les cobertes del motor.
2. Mètode de conformació al buit
Per al prepreg laminat, cal aplicar pressió mitjançant un cert procés per apropar-lo al motlle i curar-lo i modelar-lo sota una temperatura i pressió determinades. El mètode de la bossa de buit utilitza una bomba de buit per evacuar l'interior de la bossa de conformació de manera que la pressió negativa entre la bossa i el motlle formi una pressió perquè el material compost estigui a prop del motlle.
A partir del mètode de la bossa de buit, posteriorment es va derivar el mètode de formació de bosses de buit-autoclau. Les autoclaus proporcionen pressions més altes i curen la peça per calor (en lloc del curat natural) que els mètodes només amb bosses de buit. Aquesta peça té una estructura més compacta, una millor qualitat superficial, pot eliminar eficaçment les bombolles d'aire (les bombolles afectaran molt la resistència de la peça) i la qualitat general és més alta. De fet, el procés d'embossat al buit és similar al d'enganxar pel·lícules de telèfons mòbils. Eliminar les bombolles d'aire és una tasca important.
3. Mètode de modelat per compressió
Moldeig per compressióés un mètode de modelat que afavoreix la producció en massa i la producció en massa. Els motlles solen estar fets de parts superiors i inferiors, que anomenem motlle mascle i motlle femella. El procés de modelat consisteix a col·locar la mata feta de preimpregnats al motlle metàl·lic contra, i sota l'acció d'una determinada temperatura i pressió, la mata s'escalfa i es plastifica a la cavitat del motlle, flueix sota pressió i omple la cavitat del motlle, i després es modela i es cura per obtenir productes. Tanmateix, aquest mètode té un cost inicial més elevat que els anteriors, ja que el motlle requereix un mecanitzat CNC de molt alta precisió.
4. Moldeig per bobinatge
Per a peces amb formes complexes o en forma de cos de revolució, es pot utilitzar una bobinadora de filaments per fabricar la peça enrotllant el filament en un mandril o nucli. Després de l'enrotllament, s'endureix completament i es retira el mandril. Per exemple, els braços d'unió tubular utilitzats en sistemes de suspensió es poden fabricar mitjançant aquest mètode.
5. Moldeig per transferència de resina
El modelat per transferència de resina (RTM) és un mètode de modelat relativament popular. Els seus passos bàsics són:
1. Col·loqueu el teixit de fibra de carboni dolent preparat al motlle i tanqueu el motlle.
2. Injecteu-hi resina termoestabilitzable líquida, impregneu-hi el material de reforç i cureu-lo.
Propietats del polímer reforçat amb fibra de carboni
(1) Alta resistència i bona elasticitat.
La resistència específica (és a dir, la relació entre la resistència a la tracció i la densitat) de la fibra de carboni és 6 vegades la de l'acer i 17 vegades la de l'alumini. El mòdul específic (és a dir, la relació entre el mòdul de Young i la densitat, que és un signe de l'elasticitat d'un objecte) és més de 3 vegades el de l'acer o l'alumini.
Amb una alta resistència específica, pot suportar una gran càrrega de treball. La seva pressió màxima de treball pot arribar als 350 kg/cm2. A més, és més compressible i resistent que l'F-4 pur i la seva trena.
(2) Bona resistència a la fatiga i al desgast.
La seva resistència a la fatiga és molt més alta que la de la resina epoxi i més alta que la dels materials metàl·lics. Les fibres de grafit són autolubricants i tenen un petit coeficient de fricció. La quantitat de desgast és de 5 a 10 vegades menor que la dels productes d'amiant generals o les trenes F-4.
(3) Bona conductivitat tèrmica i resistència a la calor.
Els plàstics reforçats amb fibra de carboni tenen una bona conductivitat tèrmica i la calor generada per la fricció es dissipa fàcilment. L'interior no és fàcil de sobreescalfar ni emmagatzemar calor i es pot utilitzar com a material de segellat dinàmic. A l'aire, pot funcionar de manera estable en un rang de temperatura de -120 a 350 °C. Amb la reducció del contingut de metalls alcalins en la fibra de carboni, la temperatura de servei pot augmentar encara més. En un gas inert, la seva temperatura adaptable pot arribar a uns 2000 °C i pot suportar canvis bruscos de fred i calor.
(4) Bona resistència a les vibracions.
No és fàcil que ressoni ni tremoli, i també és un material excel·lent per a la reducció de vibracions i soroll.
Avantatges del CFRP
1. Pes lleuger
Els plàstics tradicionals reforçats amb fibra de vidre utilitzen fibres de vidre contínues i un 70% de fibres de vidre (pes del vidre/pes total) i solen tenir una densitat de 0,065 lliures per polzada cúbica. Un compost CFRP amb el mateix 70% de pes de fibra sol tenir una densitat de 0,055 lliures per polzada cúbica.
2. Alta resistència
Tot i que els polímers reforçats amb fibra de carboni són lleugers, els compostos CFRP tenen una resistència i una rigidesa per unitat de pes més elevades que els compostos de fibra de vidre. En comparació amb els materials metàl·lics, aquest avantatge és més evident.
Desavantatges del CFRP
1. Cost elevat
El cost de producció del plàstic reforçat amb fibra de carboni és prohibitiu. Els preus de la fibra de carboni poden variar dràsticament depenent de les condicions actuals del mercat (oferta i demanda), el tipus de fibra de carboni (aeroespacial vs. grau comercial) i la mida del feix de fibres. En termes de lliura per lliura, la fibra de carboni verge pot ser de 5 a 25 vegades més cara que la fibra de vidre. Aquesta diferència és encara més gran quan es compara l'acer amb el CFRP.
2. Conductivitat
Aquest és l'avantatge i el desavantatge dels materials compostos de fibra de carboni. Depèn de l'aplicació. Les fibres de carboni són extremadament conductores i les fibres de vidre són aïllants. Molts productes utilitzen fibra de vidre en lloc de fibra de carboni o metall perquè requereixen un aïllament estricte. En la producció de serveis públics, molts productes requereixen l'ús de fibres de vidre.
Usos del plàstic reforçat amb fibra de carboni
Les aplicacions del polímer reforçat amb fibra de carboni són àmplies, des de peces mecàniques fins a materials militars.
(1)com a embalatge de segellat
El material de PTFE reforçat amb fibra de carboni es pot convertir en anells de segellat o empaquetatges resistents a la corrosió, al desgast i a les altes temperatures. Quan s'utilitza per al segellat estàtic, la vida útil és més llarga, més de 10 vegades més llarga que la de l'embalatge general d'amiant immers en oli. Pot mantenir el rendiment de segellat sota canvis de càrrega i refredament ràpid i escalfament ràpid. I com que el material no conté substàncies corrosives, no es produirà corrosió per picadura al metall.
(2)com a peces de mòlta
Aprofitant les seves propietats autolubricants, es pot utilitzar com a coixinets, engranatges i anells de pistó per a finalitats especials. Com ara coixinets lubricats sense oli per a instruments d'aviació i gravadores de cinta, engranatges lubricats sense oli per a locomotores dièsel de transmissió elèctrica (per evitar accidents causats per fuites d'oli), anells de pistó lubricats sense oli en compressors, etc. A més, també es pot utilitzar com a coixinets lliscants o segells en les indústries alimentària i farmacèutica aprofitant les seves característiques no tòxiques.
(3) Com a materials estructurals per a la indústria aeroespacial, l'aviació i els míssils. Es va utilitzar per primera vegada en la fabricació d'avions per reduir el pes de l'avió i millorar l'eficiència del vol. També s'utilitza en la indústria química, petroliera, elèctrica, de maquinària i altres indústries com a segell dinàmic rotatiu o alternatiu o diversos materials de segell estàtics.
Zhengxi és un professionalfàbrica de premses hidràuliques a la Xina, proporcionant alta qualitatpremsa hidràulica compostaper a la formació de productes CFRP.
Data de publicació: 25 de maig de 2023
