1. Els compostos de fibra de carboni es componen principalment de fibres de carboni basades en poliacrilonitril i matrius basades en resina, amb avantatges de rendiment importants
La fibra de carboni és un material de carboni filamentària, fabricat en fibres de matriu orgànica com el poliacrilonitril (o l’asfalt, viscosa) mitjançant un mètode de descomposició a alta temperatura sota gas inert a una temperatura superior a 1000 graus centígrad 90%
La fibra de carboni té excel·lents propietats mecàniques i la seva gravetat específica és inferior a 1/4 de l’acer. La resistència a la tracció dels compostos de fibra de carboni se situa generalment per sobre dels 3500mpa, que és de 7-9 vegades la de l’acer. Es tracta de la fibra amb més força específica i mòdul específic més alt entre les fibres d’alt rendiment actualment produïdes en grans quantitats i té una densitat baixa, resistència a la corrosió, alta resistència a la temperatura, resistència a la fricció, resistència a la fatiga, atenuació de vibracions elevades, elevada elèctrica i tèrmica conductivitat, baixa coeficient d’expansió tèrmica i humitat, coeficient elevat de la penetració x Efecte de blindatge electromagnètic i és un material estratègic important per al desenvolupament de la defensa nacional i la indústria militar i l’economia nacional. S'utilitza àmpliament en la indústria militar, aeroespacial, productes esportius, indústria de l'automòbil, equipament energètic, equipament mèdic, maquinària d'enginyeria, transport, construcció i el seu reforç estructural.
La fibra de carboni es pot classificar segons diferents dimensions com ara el tipus precursor, el mètode de fabricació i el rendiment. Segons el tipus de precursor, la fibra de carboni es pot classificar en fibra de carboni basada en poliacrilonitril (PAN), basada en asfalt i de carboni a base de viscosa. Entre ells, la fibra de carboni basada en poliacrilonitril té els avantatges d’una excel·lent qualitat del producte acabat, procés senzill i excel·lents propietats mecàniques del producte. Des de la seva advent a la dècada de 1960, ha ocupat ràpidament la posició principal, representant més del 90% del total de fibra de carboni. Actualment, la fibra de carboni es refereix generalment a la fibra de carboni basada en pan.
Segons el nombre de fibres, la fibra de carboni es pot dividir en TOWs petites i Tows grans i, segons propietats mecàniques, la fibra de carboni basada en poliacrilonitril es pot dividir en quatre categories: tipus de gran resistència, model mitjà de gran resistència, model d’alta resistència alta. La fibra de carboni de remolc petit era inicialment 1K, 3K i 6K, i es va desenvolupar gradualment en 12K i 24K. S'utilitza principalment en camps d'alta tecnologia com la defensa nacional i la indústria militar, així com productes esportius i de lleure, com ara avions, míssils, coets, satèl·lits, equips de pesca, clubs de golf, raquetes de tennis, etc. Electromecànic, Enginyeria Civil, Transport i Energia, etc.
Els materials compostos de fibra de carboni estan compostos per materials matrius i materials de reforç de fibra de carboni. Mitjançant la complementació mútua de materials de matriu i fibra de carboni en el rendiment, es produeix un efecte sinèrgic. El rendiment integral dels materials compostos de fibra de carboni és millor que el dels materials de components originals i compleix diversos requisits. Els materials compostos de fibra de carboni tenen les característiques del pes lleuger, les bones propietats mecàniques, el disseny estructural flexible, el rendiment regulable, les fonts àmplies i el baix cost. Tenen un paper important en el desenvolupament de la defensa nacional i dels militars i s’han utilitzat àmpliament en diversos avions, drons, míssils, vehicles de llançament i satèl·lits.
En materials compostos de fibra de carboni, el material de la matriu es basa principalment en resina, representant més del 90% de la quota de mercat. El material de la matriu es divideix en dues categories: metall i no metall. La matriu metàl·lica d’ús comú és l’alumini, el magnesi, el coure, el titani i els seus aliatges, i la matriu no metall és principalment resina sintètica, cautxú, ceràmica, grafit, carboni, etc.
2. Després de dues ones de desenvolupament, el camp de l'aplicació continua expandint -se
El desenvolupament de la fibra de carboni es va originar als anys cinquanta i seixanta. Els Estats Units, el Japó i el Regne Unit van ser els primers a desenvolupar processos de producció de fibra de carboni. El 1958, Roger Bacon de Union Carbide Corporation als Estats Units va escalfar Rayon a Argon i va produir accidentalment fibra de carboni. Des d’aleshores, s’ha reconegut gradualment el potencial de materials de fibra de carboni. El 1960, Richard Millington, de Hithompson Fibrass Company (EUA), va desenvolupar un mètode per augmentar el contingut de carboni en fibres de Rayon fins al 99WT%. A la dècada de 1960, les empreses japoneses i britàniques van dirigir el desenvolupament tecnològic de laboratori de la producció de fibra de carboni basada en poliacrilonitril (PAN). El 1959, Akio Shindo de l'Institut Osaka de Tecnologia d'Enginyeria del Japó va produir amb èxit fibra de carboni amb un contingut de carboni d'aproximadament un 55% de% mitjançant un mètode de baix cost; La fibra de carboni de Pan de Toray Industries of Japan va produir la fibra de carboni de prova i va signar un acord de llicència per al procés PAN amb l'Institut Osaka de Tecnologia d'Enginyeria el 1970. W. Watt, LN Phillips i W. Johnson de la Royal Aircraft Corporation del Regne Unit va sol·licitar una patent per al procés de fabricació de fibres de carboni mitjançant fibres PAN el 1963; Posteriorment, la Corporació Nacional de Recerca i Desenvolupament del Regne Unit va concedir llicències per al procés a Rollsroyce, Morganite i Courtaulds.
La indústria de materials compostos de fibra de carboni va començar als anys 70 i 1980. En el desenvolupament de la tecnologia de fabricació de fibra de carboni, els Estats Units, el Regne Unit i el Japó han col·laborat estretament. El 1970, Toray va signar un acord de cooperació amb Union Carbide Corporation dels Estats Units, obtenint la tecnologia de carbonització de la Union Carbide Corporation dels Estats Units i la Union Carbide Corporation dels Estats Units va representar els productes de fibra de carboni de Toray. El 1971, Toray va establir una línia de producció de fibra de carboni de 12 tones i va començar a produir fibra de carboni T300 i va llançar el primer producte compost de fibra de carboni comercial: barra de pesca el 1972. La crisi del petroli el 1973 va fer que els avions reduïssin el pes del fuselatge per reduir el consum de combustible. Posteriorment, fabricants d’avions com Boeing i Airbus van començar a explorar l’aplicació de compostos de fibra de carboni. El 1982, Boeing 757, Boeing 767 i Space Shuttle van començar a utilitzar fibra de carboni T300. CFRP ha entrat a l’aplicació d’enginyeria d’estructures aeroespacials, inclosos avions militars i civils. A la dècada de 1980, amb una capacitat de producció d'una sola línia de 1.000 tones/any, Toray s'ha adonat bàsicament de la majoria de les seves sèries de productes existents, a saber, el T300 inicial, el T800 a mig termini i el T1000 i el M60J posterior. Amb l’aplicació generalitzada de compostos de fibra de carboni en components d’avions, la producció acumulada de fibra de carboni de Toray va superar les 10.000 tones el 1988.
Els compostos de fibra de carboni han experimentat dues ones de demanda, les primeres impulsades pel camp aeroespacial. La primera onada d’aplicació de compostos de fibra de carboni va aparèixer a la dècada de 1990 i 2000, quan els fabricants d’avions civils van utilitzar amb èxit i gradualment més materials compostos de fibra de carboni per fabricar fusejos d’avions, complint així els requisits de les companyies aèries per reduir el consum de combustible, reduint les emissions de CO2 i els costos de manteniment, ampliant la vida del disseny i la reducció d’eines i els costos de muntatge a través de la integració de parts. El 1990, Boeing va utilitzar el CFRP de Toray per a l'estructura de fuselatge principal del Boeing 777. El 2003, Boeing va llançar el projecte Boeing 787, utilitzant una gran quantitat de CFRP (50WT%) en el fuselatge i l'estructura principal; El 2005, Airbus va llançar el projecte A350 XWB, que també va utilitzar una gran quantitat de CFRP (53%en%).
The second wave of demand for carbon fiber composites was driven by non-aerospace industries. Since the 2010s, the application of carbon fiber composites has expanded dramatically from aerospace to non-aerospace industrial uses, and is characterized by large quantities and low costs. In 2007, Zoltek cooperated with wind turbine OEM Vestas to use carbon fiber in wind turbine blades. Compared with blades made of glass fiber composites, the use of carbon fiber composites in 60-meter-long blades is expected to reduce weight by 38%, reduce costs by 14%, and extend blade life. In 2014, Toray acquired Zoltek, a world-leading supplier of large-tow (>50k) fibra de carboni i la seva capacitat de producció de fibra de carboni augmentarà fins a 35.000 tones/any.