Hawn tqassim tekniku komprensiv tal-materjali tal-fibra tal-karbonju-li jkopru l-istruttura atomika, il-proċess tal-manifattura, il-proprjetajiet mekkaniċi, u l-applikazzjonijiet primarji tagħhom.
Arkitettura Strutturali tal-Fibra tal-Karbonju. Minn: VectorMine / Getty Images
1. X'inhi l-Fibra tal-Karbonju?
Fibra tal-Karbonju(jew Fibra tal-Graphite) tikkonsisti fi linji rqaq ta 'atomi tal-karbonju li jkejlu 5 sa 10 mikrometri fid-dijametru. Fibri tal-karbonju ta'-prestazzjoni għolja huma mill-inqas 90% karbonju bil-piż, magħqudin flimkien fi kristalli mikroskopiċi allinjati paralleli mal-assi twila tal-fibra.
Fatt Strutturali Ewlenin:L-allinjament direzzjonali tas-saffi tal-grafita jagħti lill-fibra tal-karbonju l-proporzjon eċċezzjonalment għoli ta' saħħa-għall--tul l-assi lonġitudinali tagħha, u jaqbeż il-prestazzjoni tal-metalli tradizzjonali bħall-azzar u l-aluminju.
2. Struttura u Klassifikazzjoni Molekulari
Is-saħħa tal-fibra tal-karbonju ġejja minn $sp^2$ atomi tal-karbonju ibridizzati li jiffurmaw folji planari eżagonali b'żewġ -dimensjonali (simili għall-grafene). Dawn il-folji jintwew flimkien biex jiffurmaw struttura mikrokristallina.
Tipi ta' Materjal Prekursur
Il-fibri tal-karbonju huma kklassifikati primarjament mill-materjal prekursur użat biex jinħolqu:
Ibbażat -PAN (Polyacrylonitrile):Jirrappreżenta aktar minn 90% tal-produzzjoni kummerċjali. Joffri saħħa tensili għolja u affidabbiltà strutturali eċċellenti.
Pitch-bbażat:Prodott minn żift taż-żejt mhux raffinat jew tal-qatran tal-faħam. Jagħti ebusija estremament għolja (modulu tat-tensjoni) u konduttività termali, għalkemm ġeneralment saħħa tat-tensjoni aktar baxxa.
Ibbażat fuq Rayon-:Storikament sinifikanti, iżda rarament użat illum minħabba rendiment baxx tal-karbonju (~20–25%).
3. Proċess ta 'Manifattura
It-trasformazzjoni tal-polimeru prekursur likwidu f'fibra tal-karbonju strutturali tinvolvi ħames stadji ewlenin:
1.Spinning:Formazzjoni ta' Prekursur.
Trab tal-polyacrylonitrile (PAN) jitħallat ma 'solventi u mibrum f'filamenti kontinwi (irmonk), imbagħad jiġġebbed biex jallinja l-ktajjen interni tal-polimeru.
2.Stabilizzazzjoni:Thermal Cross-linking (200 grad – 300 grad).
Il-fibri prekursuri jissaħħnu fl-arja. Il-bonds ta' l-ossiġnu jikkonvertu l-katina molekulari lineari fi sellum-bħal struttura ta' ċirku, li jipprevjenu t-tidwib matul il-passi sussegwenti.
3. Karbonizzazzjoni:Tisħin mhux-ossidant (1,000 grad – 1,500 grad ).
Il-fibri jissaħħnu f'atmosfera inerta (nitroġenu). Atomi mhux tal--karbonju (idroġenu, nitroġenu, ossiġnu) jitkeċċew, u jħallu ċrieki tal-karbonju magħqudin sewwa.
4.Trattament tal-wiċċ:Titjib tal-Adeżjoni.
Il-wiċċ tal-fibra huwa ossidizzat permezz ta 'l-għawm elettrolitiku biex jinħolqu siti ta' ankrar kimiċi, li jiżguraw twaħħil mekkaniku qawwi ma 'matriċi tar-reżina.
5.Daqs:Kisi Protettiv.
Kisja protettiva tal-polimeru (daqs) hija applikata biex tipprevjeni l-ħsara tal-fergħa waqt l-immaniġġjar qabel l-insiġ jew l-impregnazzjoni bl-epossi.
4. Tqabbil tal-Proprjetajiet Mekkaniċi
Biex tiġi evalwata l-prestazzjoni strutturali, il-fibra tal-karbonju hija tipikament inkorporata f'matriċi epoxy biex tifformaPolimeru Rinfurzat bil-Fibra tal-Karbonju (CFRP).
| Proprjetà | Fibra tal-Karbonju Standard (PAN) | Azzar Strutturali (A36) | Liga tal-Aluminju (7075-T6) |
| Densità (g/cm3) | 1.75 - 1.80 | 7.85 | 2.81 |
| Qawwa tat-tensjoni (GPa) | 3.5 - 4.9 | 0.40 | 0.57 |
| Modulu Tensili (GPa) | 230 - 300 | 200 | 71 |
| Qawwa Speċifika (kN.m/kg) | ~2,400 | ~50 | ~200 |
5. Vantaġġi & Limitazzjonijiet ewlenin
Vantaġġi
Ultra-ħfief:Bejn wieħed u ieħor 1/5th id-densità tal-azzar u 2/3rds dik tal-aluminju.
Reżistenza għall-Korrużjoni Għolja:Kimikament inerti għal ħafna aċidi, bażijiet, u solventi organiċi.
Espansjoni Termika Baxxa:Kważi -Koeffiċjent ta' Espansjoni Termali (CTE), li jagħmilha ideali għal applikazzjonijiet ottiċi u spazjali ta' preċiżjoni.
Ħajja ta' Għeja Għolja:Iżomm l-integrità strutturali taħt miljuni ta 'tagħbijiet ċikliċi.
Limitazzjonijiet
Anisotropija:Is-saħħa mekkanika teżisti primarjament tul it-tul tal-fibra; is-saħħa barra-l-assi teħtieġ insiġ jew laminar multidirezzjonali.
Nuqqas fraġli:Jesibixxi rispons elastiku qrib-lineari sa falliment katastrofiku mingħajr deformazzjoni plastika minn qabel.
Spiża Għolja u Kumplessità tar-Riċiklaġġ:Manifattura-intensiva tal-enerġija u riċiklaġġ diffiċli tal-matriċi termoset post-tal-konsumatur.