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Fibras de carbono picadas são feitas picando filamentos de fibra de carbono, e suas propriedades básicas dependem principalmente das propriedades de sua matéria-prima - os filamentos de fibra de carbono. Devido à sua aparência como uma felpa de certo comprimento, em comparação com filamentos longos, as fibras curtas têm as vantagens de dispersão uniforme, vários métodos de alimentação e processamento simples, de modo que podem ser aplicadas em campos onde filamentos longos não são adequados.

A fibra de carbono tem as características de ser leve, de alta resistência (sua densidade específica é inferior a 1/4 da do aço, mas sua resistência à tração é superior a 3500 Mpa, que é 7-9 vezes a do aço), alto módulo, resistência à corrosão, condutividade elétrica, bom desempenho de blindagem, absorção de ondas, etc. É usada principalmente em campos de alta tecnologia, como indústria militar, aeroespacial e materiais especiais civis.

Tabela de Parâmetros de Desempenho de Fibra de Carbono

fibra de carbono

A fibra de carbono (CF) é um novo tipo de material de fibra com fibra de alta resistência e alto módulo, com teor de carbono superior a 95%. É um material de grafite microcristalino obtido pelo empilhamento de fibras orgânicas, como microcristais de grafite em flocos, ao longo da direção axial da fibra e submetido a tratamento de carbonização e grafitização. A fibra de carbono é “macia por fora e dura por dentro”. É mais leve que o metal alumínio, mas mais forte que o aço. Também possui características de resistência à corrosão e alto módulo. É um material importante na defesa nacional, na indústria militar e no uso civil. Não só possui as propriedades intrínsecas inerentes aos materiais de carbono, mas também possui a suavidade e processabilidade das fibras têxteis. É uma nova geração de fibra de reforço.
A fibra de carbono tem muitas propriedades excelentes, incluindo alta resistência axial e módulo, baixa densidade, alto desempenho específico, sem fluência, resistência a temperaturas ultra-altas em ambiente não oxidante, boa resistência à fadiga, calor específico e condutividade entre não-metal e metal, pequeno coeficiente de expansão térmica e anisotropia, boa resistência à corrosão, boa transmitância de raios X, boa condutividade elétrica e térmica, boa blindagem eletromagnética, etc.
Comparado com a fibra de vidro tradicional, o módulo de Young da fibra de carbono é mais de três vezes maior que o da fibra de vidro tradicional; comparado com a fibra de Kevlar, o módulo de Young da fibra de carbono é cerca de duas vezes maior que o da fibra de vidro tradicional. É insolúvel e não incha em solventes orgânicos, ácidos e álcalis, e tem excelente resistência à corrosão.
Em 15 de fevereiro de 2016, a China rompeu o bloqueio regulatório do Japão e desenvolveu fibra de carbono de alto desempenho.
estrutura de composição

fibra de carbono
A fibra de carbono é uma fibra de polímero inorgânico com um teor de carbono de mais de 90%. Entre elas, o teor de carbono de mais de 99% é chamado de fibra de grafite. A microestrutura da fibra de carbono é semelhante à grafite artificial, que é uma estrutura de grafite de camada caótica. O espaçamento entre cada camada de fibra de carbono é de cerca de 3,39 a 3,42A. O arranjo de cada átomo de carbono entre cada camada paralela não é tão regular quanto o do grafite. As camadas são conectadas pela força de van der Waals.
A estrutura da fibra de carbono é geralmente considerada composta de cristais e poros ordenados bidimensionais, entre os quais o conteúdo, o tamanho e a distribuição dos poros têm um impacto maior no desempenho da fibra de carbono.
Quando a porosidade é menor que um certo valor crítico, a porosidade não tem efeito óbvio na resistência ao cisalhamento interlaminar, resistência à flexão e resistência à tração de materiais compostos de fibra de carbono. Alguns estudos apontaram que a porosidade crítica que faz com que as propriedades mecânicas dos materiais diminuam é de 1% a 4%. Quando o conteúdo do volume de poros está na faixa de 0 a 4%, para cada aumento de 1% no conteúdo do volume de poros, a resistência ao cisalhamento interlaminar diminui em aproximadamente 7%. Por meio de pesquisas sobre laminados de resina epóxi de fibra de carbono e resina bismaleimida de fibra de carbono, pode-se observar que quando a porosidade excede 0,9%, a resistência ao cisalhamento interlaminar começa a diminuir. Sabe-se por experimentos que os poros são distribuídos principalmente entre feixes de fibras e na interface entre camadas. E quanto maior o conteúdo de poros, maior o tamanho dos poros e reduz significativamente a área da interface intercamada no laminado. Quando o material é estressado, é fácil ser danificado ao longo das camadas, razão pela qual a resistência ao cisalhamento entre camadas é relativamente sensível aos poros. Além disso, os poros são áreas de concentração de estresse com fraca capacidade de suporte de carga. Quando estressados, os poros se expandem para formar longas rachaduras e são destruídos.
Mesmo dois laminados com a mesma porosidade (usando diferentes métodos de pré-impregnação e métodos de fabricação no mesmo ciclo de cura) mostram comportamentos mecânicos completamente diferentes. Os valores específicos nos quais as propriedades mecânicas diminuem com o aumento da porosidade são diferentes, o que mostra que o efeito da porosidade nas propriedades mecânicas é altamente discreto e tem baixa repetibilidade. O efeito da porosidade nas propriedades mecânicas de laminados compostos é uma questão muito complexa devido ao grande número de variáveis ​​envolvidas. Esses fatores incluem: a forma, o tamanho e a localização dos poros; as propriedades mecânicas das fibras, matriz e interfaces; cargas estáticas ou dinâmicas.
Em comparação com a porosidade e a proporção dos poros, o tamanho e a distribuição dos poros têm um impacto maior nas propriedades mecânicas. Verifica-se que poros grandes (área > 0,03 mm2) têm um efeito adverso nas propriedades mecânicas, o que é atribuído ao efeito dos poros na propagação de fissuras na zona intercalar rica em cola.
propriedades físicas

A fibra de carbono tem duas características: forte resistência à tração dos materiais de carbono e suave processabilidade das fibras.
É um novo material com excelentes propriedades mecânicas. A resistência à tração da fibra de carbono é de cerca de 2 a 7 GPa, e o módulo de tração é de cerca de 200 a 700 GPa. A densidade é de cerca de 1,5 a 2,0 gramas por centímetro cúbico, o que está relacionado à estrutura original da seda e depende principalmente da temperatura do tratamento de carbonização. Geralmente, após o tratamento de grafitização de alta temperatura a 3000 ℃, a densidade pode atingir 2,0 gramas por centímetro cúbico. Além disso, é muito leve, sua gravidade específica é mais leve que o alumínio, menos de 1/4 do aço, e sua resistência específica é 20 vezes maior que a do ferro. O coeficiente de expansão térmica da fibra de carbono é diferente do de outras fibras e tem características anisotrópicas. A capacidade térmica específica da fibra de carbono é geralmente 7,12. A condutividade térmica diminui com o aumento da temperatura. É negativo (0,72 a 0,90) paralelo à direção da fibra e positivo (32 a 22) perpendicular à direção da fibra. A resistividade específica da fibra de carbono está relacionada ao tipo de fibra. A 25℃, o alto módulo é 775 e a fibra de carbono de alta resistência é 1500 por centímetro. Isso faz com que a fibra de carbono tenha a maior resistência específica e módulo específico entre todas as fibras de alto desempenho. Comparada com materiais metálicos como titânio, aço e alumínio, a fibra de carbono tem as características de alta resistência, alto módulo, baixa densidade e pequeno coeficiente de expansão linear em propriedades físicas. Pode ser chamada de rei dos novos materiais.
Além das propriedades dos materiais de carbono em geral, a fibra de carbono
Seu formato é significativamente anisotrópico e macio, e pode ser processado em vários tecidos. Devido à sua pequena gravidade específica, ele mostra alta resistência ao longo do eixo da fibra. Os materiais compostos de resina epóxi reforçados com fibra de carbono têm uma resistência específica abrangente e módulo específico. O índice é o mais alto entre os materiais estruturais existentes. A resistência à tração dos compostos de resina de fibra de carbono é geralmente acima de 3500 MPa, que é de 7 a 9 vezes a do aço. O módulo elástico de tração é de 230 a 430 GPa, que também é maior do que o do aço; portanto, a resistência específica do CFRP é a razão entre a resistência do material e sua densidade. A resistência específica pode atingir mais de 2000 MPa, enquanto a resistência específica do aço A3 é de apenas cerca de 59 MPa, e seu módulo específico também é maior do que o do aço. Comparado com a fibra de vidro tradicional, o módulo de Young (referindo-se à quantidade física que caracteriza a resistência à tração ou compressão de um material dentro do limite elástico) é mais de três vezes o da fibra de vidro; comparado com a fibra de Kevlar, não apenas o módulo de Young é cerca de 2 vezes maior. Testes em laminados epóxi de fibra de carbono mostraram que tanto a resistência quanto o módulo diminuem conforme a porosidade aumenta. A porosidade tem grande influência na resistência ao cisalhamento entre camadas, resistência à flexão e módulo de flexão; a resistência à tração diminui relativamente lentamente com o aumento da porosidade; o módulo de tração é menos afetado pela porosidade.
A fibra de carbono também tem excelente finura (uma das maneiras de expressar finura é o número de gramas de 9000 metros de fibra), geralmente apenas cerca de 19 gramas, e a força de tração é tão alta quanto 300 kg por mícron. Quase nenhum outro material tem tantas propriedades excelentes quanto a fibra de carbono, por isso é estritamente necessário no campo de propósito, rigidez, peso, propriedades de fadiga, etc. Quando não está em contato com o ar e oxidantes, a fibra de carbono pode suportar altas temperaturas acima de 3000 graus e tem excelente resistência ao calor. Comparado com outros materiais, a resistência da fibra de carbono começa a diminuir quando a temperatura é superior a 1500℃, e quanto maior a temperatura, maior a resistência da fibra. A resistência radial da fibra de carbono não é tão boa quanto a resistência axial, então a fibra de carbono evita a resistência radial (ou seja, não pode ser atada) e o desempenho do bigode de outros materiais há muito foi bastante reduzido. Além disso, a fibra de carbono também tem boa resistência a baixas temperaturas, como não ser quebradiça na temperatura do nitrogênio líquido.
As propriedades químicas da fibra de carbono são semelhantes às do carbono. Além de ser oxidada por oxidantes fortes, ela é inerte à alcalinidade geral. Quando a temperatura do ar é superior a 400 °C, ocorre oxidação óbvia, gerando CO e CO2. A fibra de carbono tem boa resistência à corrosão a solventes orgânicos em geral, ácidos e álcalis. É insolúvel e não incha, e sua resistência à corrosão é excelente. Não há nenhum problema de ferrugem. Em 1981, alguns estudiosos embeberam a fibra de carbono à base de PAN em uma solução forte de hidróxido de sódio alcalino. Mais de 30 anos se passaram e ela ainda mantém sua forma de fibra. No entanto, sua resistência ao impacto é baixa e é fácil de ser danificada. Ela é oxidada sob a ação de ácido forte. A força eletromotriz da fibra de carbono é positiva, enquanto a força eletromotriz da liga de alumínio é negativa. Quando materiais compostos de fibra de carbono são combinados com ligas de alumínio, ocorrerão carbonização de metal, carburação e corrosão eletroquímica. Portanto, a fibra de carbono deve ter a superfície tratada antes do uso. A fibra de carbono também possui características de resistência ao óleo, resistência à radiação, resistência à radiação, absorção de gases tóxicos e desaceleração de nêutrons.