Tudo sobre fibra de carbono e como é feito

Também chamado de fibra de grafite ou grafite de carbono, fibra de carbono consiste em fios muito finos do elemento carbono. Essas fibras têm alta resistência à tração e são extremamente fortes para o seu tamanho. De fato, uma forma de fibra de carbono - a nanotubo de carbono—É considerado o material mais forte disponível. Fibra de carbono formulários incluem construção, engenharia, aeroespacial, veículos de alto desempenho, equipamentos esportivos e instrumentos musicais. No campo da energia, a fibra de carbono é usada na produção de pás de moinhos de vento, armazenamento de gás natural e células de combustível para transporte. Na indústria aeronáutica, tem aplicações em aeronaves militares e comerciais, bem como em veículos aéreos não tripulados. Para exploração de petróleo, é usado na fabricação de plataformas e tubos de perfuração em águas profundas.

Fatos rápidos: Estatísticas da fibra de carbono

A fibra de carbono é feita de polímeros orgânicos, que consistem em longas cadeias de moléculas mantidas juntas por átomos de carbono. A maioria das fibras de carbono (cerca de 90%) é feita a partir do processo de poliacrilonitrila (PAN). Uma pequena quantidade (cerca de 10%) é fabricada a partir de rayon ou do processo de petróleo.

Gases, líquidos e outros materiais usados ​​no processo de fabricação criam efeitos, qualidades e graus específicos de fibra de carbono. Fabricantes de fibra de carbono usam fórmulas proprietárias e combinações de matérias-primas para os materiais que produzem e, em geral, tratam essas formulações específicas como segredos comerciais.

A fibra de carbono de grau mais alto com o módulo mais eficiente (uma constante ou coeficiente usado para expressar um grau numérico para que uma substância possui uma propriedade específica, como elasticidade) são usadas em aplicações exigentes, como aeroespacial.

Criar fibra de carbono envolve processos químicos e mecânicos. As matérias-primas, conhecidas como precursores, são arrastadas para longas filas e, em seguida, aquecidas a altas temperaturas em um ambiente anaeróbico (livre de oxigênio). Em vez de queimar, o calor extremo faz com que os átomos de fibra vibrem com tanta violência que quase todos os átomos que não são de carbono são expelidos.

Após a conclusão do processo de carbonização, a fibra restante é composta por longas cadeias de átomos de carbono firmemente intertravadas, com poucos ou nenhum átomo não carbono restante. Estas fibras são subsequentemente tecidas em tecido ou combinadas com outros materiais que são então enrolados em filamentos ou moldados nas formas e tamanhos desejados.

Os cinco segmentos a seguir são típicos no processo PAN para a fabricação de fibra de carbono:

1. Fiação. O PAN é misturado com outros ingredientes e transformado em fibras, que são lavadas e esticadas.
2. Estabilizador. As fibras sofrem alteração química para estabilizar a ligação.
3. Carbonização. As fibras estabilizadas são aquecidas a temperaturas muito altas, formando cristais de carbono fortemente ligados.
4. Tratando a superfície. A superfície das fibras é oxidada para melhorar as propriedades de ligação.
5. Dimensionamento. As fibras são revestidas e enroladas em bobinas, que são carregadas em máquinas de fiação que torcem as fibras em fios de tamanhos diferentes. Ao invés de ser tecido em tecidos, as fibras também podem ser formadas em composto materiais, usando calor, pressão ou vácuo para unir fibras a um polímero plástico.

Os nanotubos de carbono são fabricados por um processo diferente das fibras de carbono padrão. Estimados em 20 vezes mais fortes que seus precursores, os nanotubos são forjados em fornos que empregam lasers para vaporizar partículas de carbono.

A fabricação de fibras de carbono acarreta uma série de desafios, incluindo:

• A necessidade de recuperação e reparo mais econômicos
• Custos de fabricação insustentáveis ​​para algumas aplicações: por exemplo, mesmo que a nova tecnologia esteja em desenvolvimento, devido a custos proibitivos, o uso de fibra de carbono na indústria automobilística está atualmente limitado a alto desempenho e luxo veículos.
• O processo de tratamento de superfície deve ser cuidadosamente regulado para evitar a criação de poços que resultem em fibras defeituosas.
• Controle rigoroso necessário para garantir qualidade consistente
• Problemas de saúde e segurança, incluindo irritação da pele e da respiração
• Arco e curtos em equipamentos elétricos devido à forte eletrocondutividade das fibras de carbono

À medida que a tecnologia de fibra de carbono continua evoluindo, as possibilidades de fibra de carbono apenas diversificam e aumentam. No Massachusetts Institute of Technology, vários estudos com foco em fibra de carbono já estão mostrando grande promessa para a criação de nova tecnologia e design de fabricação para atender à indústria emergente exigem.

O professor associado de engenharia mecânica do MIT John Hart, pioneiro em nanotubos, vem trabalhando com seus alunos para transformar a tecnologia de fabricação, incluindo a análise de novos materiais a serem usados ​​em conjunto com as impressoras 3D de nível comercial. "Pedi que pensassem completamente fora dos trilhos; se eles pudessem conceber uma impressora 3D que nunca foi fabricada antes ou um material útil que não possa ser impresso usando as impressoras atuais ", explicou Hart.

Os resultados foram protótipos de máquinas que imprimiam vidro derretido, sorvete suave e compósitos de fibra de carbono. De acordo com Hart, as equipes de estudantes também criaram máquinas que podiam lidar com “extrusão paralela de polímeros em grandes áreas” e realizar “digitalização óptica in situ” do processo de impressão.

Além disso, Hart trabalhou com o Professor Associado de Química Mircea Dinca do MIT em uma colaboração de três anos recentemente concluída com a Automobili Lamborghini investigar as possibilidades de novas fibras de carbono e materiais compósitos que um dia possam não apenas "permitir que a carroceria completa do carro seja usada como sistema de bateria ", mas levam a" corpos mais leves e mais fortes, conversores catalíticos mais eficientes, tinta mais fina e melhor transferência de calor do trem de força [geral] ".

Com essas inovações impressionantes no horizonte, não é de admirar que o mercado de fibra de carbono tenha sido projetado para crescer de US $ 4,7 bilhões em 2019 para US $ 13,3 bilhões até 2029, a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 11,0% (ou um pouco mais alta) no mesmo período de Tempo.

• McConnell, Vicki. "A fabricação de fibra de carbono." CompositeWorld. 19 de dezembro de 2008
• Sherman, Don. "Além da fibra de carbono: o próximo material inovador é 20 vezes mais forte." Carro e motorista. 18 de março de 2015
• Randall, Danielle. “Pesquisadores do MIT colaboram com a Lamborghini para desenvolver um carro elétrico do futuro. ” MITMECHE / Notícias: Departamento de Química. 16 de novembro de 2017
• "Mercado de fibra de carbono por matéria-prima (PAN, pitch, rayon), tipo de fibra (virgem, reciclada), tipo de produto, módulo, aplicação (Composto, não composto), setor de uso final (A & D, automotivo, energia eólica) e região - previsão global para 2029. " MarketsandMarkets ™. Setembro 2019