Con il continuo sviluppo di materiali compositi, oltre alla plastica rinforzata con fibra di vetro, sono apparse plastiche rinforzate con fibra di carbonio, plastiche rinforzate con fibra di boro, ecc.I compositi polimerici rinforzati con fibra di carbonio (CFRP) sono materiali leggeri e resistenti utilizzati per fabbricare molti prodotti che utilizziamo nella nostra vita quotidiana.È un termine usato per descrivere materiali compositi rinforzati con fibre che utilizzano fibre di carbonio come componente strutturale principale.
Tabella dei contenuti:
1. Struttura in polimero rinforzato con fibra di carbonio
2. Il metodo di stampaggio della plastica rinforzata con fibra di carbonio
3. Proprietà del polimero rinforzato con fibra di carbonio
4. Vantaggi del CFRP
5. Svantaggi del CFRP
6. Usi di plastica rinforzata con fibra di carbonio
Struttura in polimero rinforzato con fibra di carbonio
La plastica rinforzata con fibra di carbonio è un materiale formato disponendo materiali in fibra di carbonio in una determinata direzione e utilizzando materiali polimerici legati.Il diametro della fibra di carbonio è estremamente sottile, circa 7 micron, ma la sua resistenza è estremamente elevata.
L'unità costitutiva più elementare del materiale composito rinforzato con fibra di carbonio è il filamento di fibra di carbonio.La materia prima di base del filamento di carbonio è il prepolimero poliacrilonitrile (PAN), il rayon o la pece di petrolio.I filamenti di carbonio vengono quindi trasformati in tessuti in fibra di carbonio mediante metodi chimici e meccanici per le parti in fibra di carbonio.
Il polimero legante è solitamente una resina termoindurente come quella epossidica.Talvolta vengono utilizzati altri materiali termoindurenti o polimeri termoplastici, come l'acetato di polivinile o il nylon.Oltre alle fibre di carbonio, i compositi possono contenere anche aramide Q, polietilene ad altissimo peso molecolare, alluminio o fibre di vetro.Le proprietà del prodotto finale in fibra di carbonio possono essere influenzate anche dal tipo di additivi introdotti nella matrice legante.
Il metodo di stampaggio della plastica rinforzata con fibra di carbonio
I prodotti in fibra di carbonio sono principalmente diversi a causa di processi diversi.Esistono molti metodi per formare materiali polimerici rinforzati con fibra di carbonio.
1. Metodo di lay-up manuale
Diviso in metodo a secco (negozio pre-preparato) e metodo bagnato (tessuto in fibra e resina incollata all'uso).La stratificazione manuale viene utilizzata anche per preparare i preimpregnati da utilizzare nei processi di stampaggio secondario come lo stampaggio a compressione.Questo metodo prevede la laminazione di fogli di tessuto in fibra di carbonio su uno stampo per formare il prodotto finale.Le proprietà di resistenza e rigidità del materiale risultante vengono ottimizzate selezionando l'allineamento e la trama delle fibre del tessuto.Lo stampo viene quindi riempito con resina epossidica e polimerizzato con calore o aria.Questo metodo di produzione viene spesso utilizzato per parti non sollecitate, come le coperture del motore.
2. Metodo di formatura sotto vuoto
Per il prepreg laminato, è necessario applicare pressione attraverso un determinato processo per avvicinarlo allo stampo e polimerizzarlo e modellarlo a una determinata temperatura e pressione.Il metodo del sacco a vuoto utilizza una pompa a vuoto per evacuare l'interno del sacco di formatura in modo che la pressione negativa tra il sacco e lo stampo formi una pressione tale che il materiale composito sia vicino allo stampo.
Sulla base del metodo del sacco a vuoto è stato successivamente derivato il metodo di formatura del sacco a vuoto in autoclave.Le autoclavi forniscono pressioni più elevate e polimerizzano la parte a caldo (invece della polimerizzazione naturale) rispetto ai metodi basati esclusivamente sul sacco a vuoto.Tale parte ha una struttura più compatta, una migliore qualità della superficie, può eliminare efficacemente le bolle d'aria (le bolle influenzeranno notevolmente la resistenza della parte) e la qualità complessiva è superiore.In effetti, il processo di confezionamento sottovuoto è simile a quello dell'incollaggio della pellicola del telefono cellulare.L'eliminazione delle bolle d'aria è un compito importante.
3. Metodo di stampaggio a compressione
Stampaggio a compressioneè un metodo di stampaggio che favorisce la produzione in serie e la produzione in serie.Gli stampi sono solitamente costituiti da una parte superiore e da una inferiore, che chiamiamo stampo maschio e stampo femmina.Il processo di stampaggio consiste nel mettere il tappetino costituito da preimpregnati nel controstampo metallico e, sotto l'azione di determinate temperature e pressioni, il tappetino viene riscaldato e plastificato nella cavità dello stampo, scorre sotto pressione e riempie la cavità dello stampo, quindi E modellare e curare per ottenere prodotti.Tuttavia, questo metodo ha un costo iniziale maggiore rispetto ai precedenti, poiché lo stampo richiede una lavorazione CNC ad altissima precisione.
4. Stampaggio di avvolgimento
Per le parti con forme complesse o a forma di corpo di rivoluzione, è possibile utilizzare un avvolgitore di filamento per realizzare la parte avvolgendo il filamento su un mandrino o un'anima.Una volta completato l'avvolgimento, polimerizzare e rimuovere il mandrino.Ad esempio, con questo metodo è possibile realizzare bracci articolari tubolari utilizzati nei sistemi di sospensione.
5. Stampaggio a trasferimento di resina
Lo stampaggio a trasferimento di resina (RTM) è un metodo di stampaggio relativamente popolare.I suoi passaggi fondamentali sono:
1. Posizionare il tessuto in fibra di carbonio difettoso preparato nello stampo e chiudere lo stampo.
2. Iniettare la resina termoindurente liquida, impregnare il materiale di rinforzo e polimerizzare.
Proprietà del polimero rinforzato con fibra di carbonio
(1) Elevata resistenza e buona elasticità.
La resistenza specifica (ovvero il rapporto tra resistenza alla trazione e densità) della fibra di carbonio è 6 volte quella dell'acciaio e 17 volte quella dell'alluminio.Il modulo specifico (ovvero il rapporto tra il modulo di Young e la densità, che è un segno dell'elasticità di un oggetto) è più di 3 volte quello dell'acciaio o dell'alluminio.
Con un'elevata resistenza specifica, può sopportare un carico di lavoro elevato.La sua pressione massima di esercizio può raggiungere i 350 kg/cm2.Inoltre, è più comprimibile e resistente del puro F-4 e della sua treccia.
(2) Buona resistenza alla fatica e resistenza all'usura.
La sua resistenza alla fatica è molto superiore a quella della resina epossidica e superiore a quella dei materiali metallici.Le fibre di grafite sono autolubrificanti e hanno un piccolo coefficiente di attrito.La quantità di usura è 5-10 volte inferiore a quella dei prodotti generici in amianto o delle trecce F-4.
(3) Buona conduttività termica e resistenza al calore.
La plastica rinforzata con fibra di carbonio ha una buona conduttività termica e il calore generato dall'attrito viene facilmente dissipato.L'interno non è facile da surriscaldare e immagazzinare calore e può essere utilizzato come materiale di tenuta dinamico.Nell'aria può funzionare stabilmente nell'intervallo di temperatura compreso tra -120 e 350°C.Con la riduzione del contenuto di metalli alcalini nella fibra di carbonio, la temperatura di servizio può essere ulteriormente aumentata.In un gas inerte, la sua temperatura adattabile può raggiungere circa 2000°C e può sopportare bruschi cambiamenti di freddo e caldo.
(4) Buona resistenza alle vibrazioni.
Non è facile risuonare o svolazzare ed è anche un materiale eccellente per la riduzione delle vibrazioni e del rumore.
Vantaggi del CFRP
1. Leggero
Le tradizionali plastiche rinforzate con fibra di vetro utilizzano fibre di vetro continue e il 70% di fibre di vetro (peso del vetro/peso totale) e in genere hanno una densità di 0,065 libbre per pollice cubo.Un composito CFRP con lo stesso peso della fibra del 70% ha tipicamente una densità di 0,055 libbre per pollice cubo.
2. Alta resistenza
Sebbene i polimeri rinforzati con fibra di carbonio siano leggeri, i compositi CFRP hanno una resistenza e una rigidità più elevate per unità di peso rispetto ai compositi in fibra di vetro.Rispetto ai materiali metallici, questo vantaggio è più evidente.
Svantaggi del CFRP
1. Costo elevato
Il costo di produzione della plastica rinforzata con fibra di carbonio è proibitivo.I prezzi della fibra di carbonio possono variare notevolmente a seconda delle attuali condizioni di mercato (domanda e offerta), del tipo di fibra di carbonio (di qualità aerospaziale o commerciale) e delle dimensioni del fascio di fibre.Su base libbra per libbra, la fibra di carbonio vergine può essere da 5 a 25 volte più costosa della fibra di vetro.Questa differenza è ancora maggiore se si confronta l’acciaio con il CFRP.
2. Conduttività
Questo è il vantaggio e lo svantaggio dei materiali compositi in fibra di carbonio.Dipende dall'applicazione.Le fibre di carbonio sono estremamente conduttive mentre le fibre di vetro sono isolanti.Molti prodotti utilizzano fibra di vetro anziché fibra di carbonio o metallo perché richiedono un isolamento rigoroso.Nella produzione di servizi di pubblica utilità, molti prodotti richiedono l'utilizzo di fibre di vetro.
Usi di plastica rinforzata con fibra di carbonio
Le applicazioni del polimero rinforzato con fibra di carbonio sono ampie nella vita, dalle parti meccaniche ai materiali militari.
(1)come guarnizione di tenuta
Il materiale PTFE rinforzato con fibra di carbonio può essere trasformato in anelli di tenuta o guarnizioni resistenti alla corrosione, all'usura e alle alte temperature.Se utilizzato per la sigillatura statica, la durata è più lunga, oltre 10 volte più lunga di quella delle guarnizioni generali in amianto immerse nell'olio.Può mantenere le prestazioni di tenuta in caso di variazioni di carico e raffreddamento e riscaldamento rapidi.E poiché il materiale non contiene sostanze corrosive, sul metallo non si verificherà alcuna corrosione per vaiolatura.
(2)come parti di macinazione
Utilizzando le sue proprietà autolubrificanti, può essere utilizzato come cuscinetti, ingranaggi e fasce elastiche per scopi speciali.Come cuscinetti lubrificati senza olio per strumenti aeronautici e registratori a nastro, ingranaggi lubrificati senza olio per locomotive diesel a trasmissione elettrica (per evitare incidenti causati da perdite di olio), fasce elastiche lubrificate senza olio su compressori, ecc. Inoltre, può può essere utilizzato anche come cuscinetto radente o guarnizione nell'industria alimentare e farmaceutica sfruttando le sue caratteristiche di atossicità.
(3) Come materiali strutturali per il settore aerospaziale, dell'aviazione e dei missili.È stato utilizzato per la prima volta nella produzione di aeromobili per ridurre il peso dell'aereo e migliorare l'efficienza del volo.Viene utilizzato anche nell'industria chimica, petrolifera, elettrica, dei macchinari e in altri settori come tenuta dinamica rotativa o alternativa o vari materiali di tenuta statica.
Zhengxi è un professionistafabbrica di presse idrauliche in Cina, fornendo alta qualitàpressa idraulica compositaper la formazione di prodotti CFRP.
Orario di pubblicazione: 25 maggio 2023
