Fibra de carbon – avantaje si dezavantaje in industria auto

In ultimul secol masinile si camioanele au fost predominant fabricate dintr-un singur material: otelul. Nu este greu sa iti dai seama si de ce: este un material relativ ieftin, se gaseste din abundenta si este usor de modelat in forme complexe, care sa poate fi reparate si cu cele mai rudimentare unelte.

Kevlar-ul

Fibra si tehnologia Kevlar au fost inventate in 1965 de catre compania DuPont (SUA) si introduse pe piata in 1970. Kevlar-ul este o poliamida cu proprietati mecanice deosebite, fiind de 5 ori mai rezistenta decat otelul, considerat la o greutate egala.

Pentru aceste considerente, Kevlar-ul a fost prima fibra polimerica organica adecvata utilizarii in compozite avansate, fiind totodata una dintre cele mai importante fibre sintetice dezvoltate pana in prezent.  Kevlar-ul este un polimer inalt cristalin care datorita formei de bagheta a moleculelor de para-aramid si a procesului de obtinere prin filarea precursorului produc anizotropia fibrelor, asemanator fibrelor de carbon.

Criteriul Tsai-Wu

Pentru a prezice incarcarea la care o structura din material compozit cedeaza, se folosesc teorii care au la baza tensiunile straturilor de material. Aceste teorii pot fi rezumate astfel:

Fibra de Carbon

Fibra de carbon este considerata fibra cu un continut de cel putin 90% carbon. Pentru descrierea fibrei cu un continut mai mare de 99% carbon se foloseste termenul de fibra grafitica.

Scurt istoric

Fibra de carbon a aparut in 1957 cand, pentru a imbunatatii panza de bumbac si de matase care erau singurele disponibile pentru fabricarea ajutajelor pentru rachete, Barneby-Cheney si National Carbon au produs o cantitate mica de fibre. In 1961, A Shindo, de la Japanese Governement Industrial Research Institute, Osaka a produs fibre de carbon din fibre poliacronitrilice (PAN). In 1967, Rolls Royce, in Anglia, a anuntat proiectul utilizatii fibrelor de carbon la componentele motorului cu reactie.

Autoclava

Majoritatea pieselor realizate din compozite cu matrice termorigide folosite in industria aerospatiala sunt polimerizate la temperaturi inalte pentru a asigura temperaturi de lucru suficient de mari. De exemplu, un compozit carbon/epoxy polimerizat la 180°C timp de 2 ore ar putea avea o temperatura de tranzitie (Tg – glass transition temperature) de 200°C in atmosfera uscata si de numai 160°C in conditii de umezeala. Acest lucru ar permite compozitului sa aiba o temperatura de lucru de maxim 135°C.

O modalitate de a polimeriza materialul compozit ar putea fi intr-un cuptor, aplicand vid asupra lui. Cele mai bune rezultate insa, se obtin folosind o presiune de compactare mai mare de o atmosfera. Aceasta se obtine de obicei folosind autoclava.

Testarea Epruvetelor din Fibra de Carbon

In functie de tipul solicitarii, ruptura unei structuri din fibra de carbon poate surveni in diferite moduri:

• Ruptura fibrelor (fiber fracture) – apare in momentul in care asupra laminatului actioneaza o forta de intindere sau compresiune pe directia principala a laminatului

• Ruptura intre fibre (inter-fiber fracture) – reprezinta o fisura in matrice sau la interfata dintre fibra si matrice, paralela cu fibrele ce apare in urma unei solicitari de intindere sau compresiune perpendiculare pe directia principala a fibrleor

Fibra de Carbon – Vidarea

In materialul urmator este prezentat schematic modul in care fibra de carbon se  poate vida.

Materialele consumabile necesare in procesul de vidare sunt:

• demulantul (release agant)   – faciliteaza  desprinderea piesei finale de matrita

Fibra de Carbon – Tipuri de Tesaturi

Tesatura este una din cele mai raspandite forme in care se pot gasesc materialele compozite textile. Principalele tipuri de tesaturi de carbon sunt:

1. Plane

Acest mod de tesere utilizeaza o alternanta simpla. Fiecare fir de urzeala trece alternative peste si pe sub fiecare fir de batatura. Orice tip de fir alcatuit din orice tip de fibra poate fi utilizat pentru o astfel de tesatura.

Materiale Compozite Textile – Terminologie

Majoritatea termenilor pentru descrierea  fibrelor si tesaturilor din carbon provin din industria textila, astfel ca aceeasi termini sunt folositi pentru orice tip de fibra.

Fibrele (filamentele) rareori sunt utilizate singure. De obicei se formeaza inca de la filare un manunchi primar de filament continue, constituind o unitate singular compacta, fara rasucire, numita strand sau end.

Pentru fibrele de carbon se mai intalneste si termenul tow. Un paramentru important pentru un tow este numarul filamentelor ce il formeaza. De obicei acesta este 1000, 3000, 6000 sau 12000 si se noteaza 1K, 3K, 6K, 12K.

Materiale Compozite cu Matrice Metalica

Matricea materialelor compozite cu fibre poate fi:

• matricea polimerica: cu temperatura de lucru < 200 °C;
• matricea metalica: cu temperatura de lucru < 600 °C;
• matricea ceramica: cu temperatura de lucru > 2500 °C.

In comparaţie cu metalele monolitice MCM-urile prezintă următoarele avantaje: