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Propiedades de fibra de carbono y áreas de aplicación

December 14, 2024
Propiedades de fibra de carbono
Propiedades mecánicas
Las propiedades mecánicas de la fibra de carbono son uno de sus atributos más convincentes. Su peso liviano, alta resistencia y alta módulo lo hacen ampliamente utilizado en muchos campos.
Resistencia específica y módulo específico: ‍ La densidad de la fibra de carbono es de solo 1.5 a 2.0 gramos por centímetro cúbico, pero su resistencia a la tracción puede alcanzar más de 3.500 MPa, que es varias veces que el acero, y su módulo de tracción puede alcanzar más de 230 GPA, que es más de 7 veces mayor que la fuerza específica de la mayoría de los metales, y el módulo específico es más de 5 veces mayor que el de los metales. Esta excelente fuerza específica y módulo específico le dan a la fibra de carbono una ventaja significativa en la industria aeroespacial, automotriz, los equipos deportivos y otros campos.
Anisotropía: ‍ Las propiedades mecánicas de la fibra de carbono tienen una anisotropía significativa, es decir, la resistencia y el módulo a lo largo de la dirección del eje de fibra son mucho más altas que las perpendiculares al eje de fibra. Esta propiedad permite que los compuestos de fibra de carbono maximicen sus ventajas de rendimiento a través del diseño racional de la colocación.
Resistencia a la fatiga: los compuestos de fibra de carbono tienen una excelente resistencia a la fatiga, con una tasa de retención de resistencia del 60% después de millones de ciclos de fatiga de estrés, mucho más alta que la del acero y el aluminio.
Propiedades térmicas
Las propiedades térmicas de la fibra de carbono también son excelentes, lo que hace posible usarla en entornos de alta temperatura.
Conductividad térmica: ‍ La fibra de carbono generalmente tiene una conductividad térmica de 0.025-0.09 calorías/cm-sec-° C y una resistividad de 0.8-1.6 × 10^-3Ω-cm, que muestra buena conductividad eléctrica y térmica. Este rendimiento hace que la fibra de carbono tenga una amplia gama de aplicaciones en coleccionistas solares, materiales de concha térmicamente conductores, etc.
Coeficiente de expansión térmica: ‍ La fibra de carbono tiene un pequeño coeficiente de expansión térmica, negativo (-0.5 a -1.6) × 10^-6/k en el interior, cero a 200 a 400 ℃, y 1.5 × 10^-6/K de 1,000 ℃, que hace que los compuestos de fibra de carbono tienen una mejor estabilidad dimensional bajo el cambio de temperatura.
Resistencia a alta temperatura: ‍ La fibra de carbono es muy estable por debajo de 400 ° C, e incluso a 1000 ° C todavía no hay muchos cambios. Esta alta resistencia a la temperatura hace que los compuestos de fibra de carbono se utilicen ampliamente en la industria aeroespacial.
Estabilidad química básica
La estabilidad química de la fibra de carbono es otra propiedad importante que le permite mantener su rendimiento en entornos químicos hostiles.
Resistencia a la corrosión: ‍ La fibra de carbono es estable para ácidos, álcalis y productos químicos orgánicos, además de fuertes ácidos oxidantes, y puede convertirse en una amplia variedad de productos resistentes a la corrosión química. Este tipo de resistencia a la corrosión hace que la fibra de carbono tenga una amplia gama de perspectivas de aplicación en los campos de la industria química y la ingeniería oceánica.
Resistencia a la oxidación: ‍ En un entorno no oxidante, la fibra de carbono puede soportar temperaturas ultra altas, una característica que le da una ventaja en aplicaciones como revestimientos de hornos de alta temperatura y sistemas de protección térmica para cohetes y aviones.
Estabilidad ambiental: ‍ Las fibras de carbono se usan en temperaturas operativas normales ≤250 ° C entornos, y es difícil observar cambios químicos en las fibras de carbono, que muestra una excelente estabilidad ambiental.
Carbon fiber 1
Aplicaciones de fibra de carbono
Aeroespacial
La aplicación de fibra de carbono en el aeroespacial es uno de sus usos más notables. Debido a sus propiedades livianas y de alta resistencia, la fibra de carbono se usa ampliamente como material estructural en aviones y naves espaciales para reducir el peso y mejorar la eficiencia del combustible.
Estructuras de aeronaves: ‍ El uso de compuestos de fibra de carbono (CFRP) en estructuras de aeronaves puede reducir significativamente el peso de la aeronave y aumentar la capacidad y el rango de los pasajeros. Por ejemplo, las estructuras de rodamiento principal del fuselaje y el ala del Boeing 787 Dreamliner y Airbus A350XWB hacen un uso extenso de CFRP, lo que representa el 50% y el 53% del peso, respectivamente. Esta aplicación no solo reduce el peso de la aeronave, sino que también mejora la eficiencia de vuelo y la economía.
Nave espacial: ‍ En el campo de la nave espacial, la fibra de carbono se usa para fabricar componentes estructurales para cohetes y satélites debido a su alta resistencia y resistencia al calor. Se ha informado que el uso de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) en estructuras de cohetes y satélites reduce los costos de lanzamiento y aumenta las cargas útiles.
Artículos deportivos y de ocio
La fibra de carbono también se usa ampliamente en artículos deportivos y de ocio, especialmente en clubes de golf, bicicletas, raquetas de tenis y cañas de pesca, debido a su alta resistencia y propiedades livianas.
Clubes de golf: ‍ Los clubes de golf de fibra de carbono se usan ampliamente debido a su peso ligero y alta elasticidad. Según las estadísticas, puede golpear una pelota de golf 30 yardas más que un club de hierro con clubes de fibra de carbono.
Bicicleta: ‍ Las bicicletas de fibra de carbono son favorecidas por los ciclistas profesionales debido a su peso ligero y alta fuerza. Los marcos de bicicleta de fibra de carbono son más ligeros que los marcos de aleación de aluminio y ofrecen una mejor rigidez y absorción de choques.
Construcción industrial y civil
La aplicación de la fibra de carbono en el campo de la construcción industrial y civil se centra principalmente en el refuerzo estructural y el fortalecimiento, especialmente en el refuerzo de puentes, edificios e infraestructura.
Refuerzo estructural: ‍ Las telas o paneles de fibra de carbono se utilizan para reforzar las estructuras de concreto para mejorar su rendimiento sísmico y la capacidad de carga de carga. Se ha informado que las técnicas de refuerzo de fibra de carbono mejoran el rendimiento sísmico de las estructuras en más del 40%.
Nuevo construcción: ‍ La fibra de carbono también se usa en nuevas construcciones, como techos enmarcados con haz de armadura de tubos de fibra de carbono, que son aproximadamente un 50% más ligeros que el acero, y la eficiencia de la construcción y el rendimiento sísmico han mejorado sustancialmente.
Industria del automóvil
La aplicación de la fibra de carbono en la industria automotriz se centra principalmente en el peso ligero de vehículos de alto rendimiento y nuevos vehículos de energía.
Vehículos de alto rendimiento: ‍ La fibra de carbono se usa para fabricar cuerpo, chasis y otras partes de autos deportivos y autos de carreras por sus características livianas y de alta resistencia, para mejorar el rendimiento y el manejo del vehículo. Por ejemplo, los modelos BMW I3 e I8 hacen un uso extenso de los compuestos de fibra de carbono, lo que resulta en una reducción significativa en el peso del vehículo.
Nuevos vehículos de energía: ‍ En el campo de los nuevos vehículos de energía, la fibra de carbono se usa en cajas de baterías, estructuras corporales, etc. para reducir el peso de los vehículos y mejorar el rango. Se ha informado que el uso de compuestos de fibra de carbono puede reducir el peso del vehículo en un 30% a 60% y mejorar significativamente la eficiencia energética.
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Desafíos y limitaciones de las fibras de carbono Las barreras de producción y las dificultades técnicas de las fibras de carbono son uno de los principales factores que limitan su amplia aplicación.
Los siguientes son los principales desafíos que enfrentan la fibra de carbono en el proceso de producción:
Altas barreras técnicas: ‍ La producción de fibras de carbono tiene altas barreras técnicas e implica procesos químicos y físicos complejos, incluidos múltiples pasos como polimerización, hilado, preoxidación, carbonización y grafitización. Estos pasos requieren un control preciso de la temperatura, la presión y las condiciones ambientales para garantizar el rendimiento del producto final.
Gran inversión en equipos: ‍ El alto costo de inversión de los equipos de producción de fibra de carbono, especialmente los hornos de carbonización y grafitización de alta calidad, que son técnicamente exigentes y relativamente costosos de mantener, limita la capacidad de las pequeñas empresas para ingresar a la industria.
Costo de materia prima: ‍ El precio del monómero de acrilonitrilo, la materia prima principal para la fibra de carbono a base de sartén, fluctúa en gran medida, lo que afecta el costo de producción de la fibra de carbono. Además, la producción de filamentos crudos PAN de alta calidad es una de las dificultades técnicas, que requiere una polimerización precisa y tecnologías de hilado.
Consumo de energía: ‍ El proceso de producción de la fibra de carbono consume mucha energía, especialmente en las etapas de carbonización y grafitización, que deben procesarse a altas temperaturas durante mucho tiempo. Esto no solo aumenta los costos de producción, sino que también impone una carga para el medio ambiente.
Monopolio tecnológico: ‍ El mercado global de fibra de carbono ha sido monopolizado por algunas compañías, que poseen una gran cantidad de patentes técnicas y procesos de producción maduros, lo que dificulta que los nuevos participantes rompan las barreras tecnológicas en un corto período de tiempo.
Control de calidad del producto: ‍ El rendimiento de los productos de fibra de carbono es muy sensible a cada paso en el proceso de producción, y cualquier pequeño cambio puede afectar el rendimiento del producto final, por lo que el control de la calidad del producto presenta requisitos extremadamente altos.
En resumen, los desafíos ambientales y de salud en la producción y el uso de la fibra de carbono deben abordarse a través de la innovación tecnológica, las estrictas medidas de protección del medio ambiente y las estrategias efectivas de gestión de residuos. Con los avances tecnológicos y la mayor conciencia ambiental, la industria de la fibra de carbono está tomando medidas para reducir sus impactos ambientales y de salud.
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Autor:

Ms. Tina

Correo electrónico:

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