Com es fa una fibra de carboni forta?
Primer, una làmina de fibra i altres polímers s'escalfa a una temperatura molt alta en un espai lliure d'oxigen. Com que no hi ha oxigen, la fibra no es pot cremar, sinó que s'escalfa tant que els àtoms de carboni són tot el que queda.
A continuació, el carboni s'estabilitza i carboniza. Això implica escalfar el carboni resistent a la cremada a altes temperatures a l'aire lliure, després posar-lo en un forn ple de gasos químics (però no oxigen) i cuinar-lo encara més.
En tercer lloc, la làmina es refreda i es submergeix en diversos gasos químics, inclòs l'oxigen, per donar-li millors propietats d'unió.
Finalment, s'aplica un recobriment de resina epoxi a la làmina per protegir les fibres dels danys quan s'utilitzen per fer productes. La composició del recobriment varia en funció dels materials inicials utilitzats per a la fibra.
Aquest és el procés per fer una sola làmina de fibra de carboni, que és un material de construcció extremadament resistent, però encara pot ser fràgil i fàcil de trencar en alguns aspectes. Per obtenir més informació sobre com les làmines de fibra de carboni es tornen gairebé irrompibles, consulteu la secció següent sobre "La fibra de carboni es trenca fàcilment?"
És important saber que fer fibra de carboni forta és un procés extremadament complex que definitivament no es pot fer a casa.
Per què la fibra de carboni és tan forta?
La fibra de carboni es troba entre els materials més forts de la terra a causa dels enllaços en cadena de les seves molècules. Aquesta estructura es crea durant totes les reaccions químiques i els canvis de temperatura extrems pels quals passa la fibra mentre es fa.
Els processos uneixen milers de petits fils i els barregen amb un epoxi. Aquests fils formen una capa de fibra de carboni, la força de la qual es veu afectada per l'orientació precisa dels fils i els tipus de teixit utilitzats en la capa.
Normalment, una sola capa de fibra de carboni té un gruix d'uns 0,25 mm i no és gaire resistent. De fet, amb aquest gruix, la fibra de carboni és molt fàcil de trencar. Això pot ser contrari al que sabeu sobre la fortalesa de la fibra de carboni, però la força es crea en el procés d'apilament de múltiples capes també utilitzant l'orientació i el teixit de les fibres, també coneguda com a "alineació".
La puresa molecular de la fibra de carboni també l'ajuda a desenvolupar una estructura fortament unida.
La fibra de carboni es trenca fàcilment?
La resposta breu és que pot, com s'ha descrit anteriorment. El millor de la fibra de carboni és que podeu controlar la força i la direcció de la força. Per exemple, si voleu que sigui molt fort en una direcció i més flexible en l'altra, podeu fer-ho utilitzant un tipus de teixit i una disposició específics.
Fulls unidireccionals
Per explicar-ho, imagineu-vos una d'aquelles estores de fusta que s'utilitzen per fer sushi. La catifa està feta d'un munt de varetes de fusta estretes que van paral·leles entre si i estan lligades. El resultat és que és fàcil doblegar la catifa si us doblegueu contra el gra. Tanmateix, si us doblegueu amb el gra, la catifa no es doblegarà gens fàcilment perquè això significaria que es doblarà amb prou força com per trencar les varetes de fusta.
Les làmines de fibra de carboni estan compostes per una sèrie de barres paral·leles, semblants a la catifa de sushi. Però en fibra de carboni, les varetes estan fetes de fibra tractada i són molt més resistents que la fusta. Per això, és bastant difícil trencar una làmina de fibra de carboni si apliqueu pressió en la mateixa direcció que les varetes. Un full de varetes que va en una direcció és similar a un tipus de teixit de fibra de carboni anomenat "unidireccional", on totes les fibres corren en la mateixa direcció.
Ara imagineu-vos que enganxeu dues estores de sushi una a sobre de l'altra, amb les varetes de fusta de la catifa inferior en una direcció i les varetes de la catifa superior cap a l'altra. Ara, les estores es recolzen mútuament i impedeixen que es dobleguin en qualsevol direcció.
Amb la fibra de carboni unidireccional, a mesura que apileu les capes de material, podeu controlar la direcció de la força amb cada capa. Aquest control de la direcció de la força és un dels avantatges de la fibra de carboni. Utilitzant diverses capes, podeu fer que el producte final sigui tan fort com necessiteu per a l'aplicació donada.
Llençols Teixits
A les làmines teixides de fibra de carboni, els filaments es teixeixen com els fils d'una cistella per subjectar-se millor. Hi ha molts tipus diferents de teixits que s'utilitzen per diferents motius. Podria ser estètic, o podria ser més fàcil treballar un tipus concret de material en un motlle i/o podria tenir més força en múltiples direccions. Els tipus de teixit que s'utilitzen i l'orientació que es col·loquen per controlar la resistència, formen part del desenvolupament de l'estratègia de layup.
No importa quin tipus de teixit, però, una sola làmina de fibra teixida encara serà força feble tret que estiguin en capes.
Les piles de làmines de fibra de carboni (teixides o unidireccionals) amb orientacions alternes són extremadament resistents -- fins a 18 vegades la resistència de l'acer, de fet.
Es pot cremar fibra de carboni?
Us costaria cremar fibra de carboni.
Si l'escalfeu fins a 750 graus, es cremarà molt lentament sempre que s'apliqui una font de combustible ardent. Però fins i tot en aquest punt, la combustió s'aturarà tan bon punt s'elimini la font de combustible.
Aquesta combustió limitada és causada per la resina combinada amb el carboni de la fibra, perquè el propi carboni no es crema. L'única raó per la qual es crema la fibra és perquè els components que no contenen carboni es cremaran.
Hi ha diferents tipus de resina que poden suportar diferents varietats de calor. Una resina epoxi típica és bona fins a uns 200 graus Fahrenheit, però una resina de calor elevat normalment resistirà la calor fins a 400 graus. Comproveu sempre les especificacions de la resina que s'utilitza.
Com que la fibra de carboni és tan resistent a la calor però encara tan forta, s'utilitza en moltes aplicacions d'enginyeria com el revestiment dins dels motors.
La fibra de carboni es pot oxidar?
No. Els enllaços estrets de la fibra de carboni són immunes a l'oxidació a causa dels complexos processos químics utilitzats durant la fabricació. Les resines epoxi utilitzades per protegir la fibra de carboni dels danys són inerts, el que significa que està segura de l'òxid i altres tipus de corrosió.
Què tan fort és el filament de fibra de carboni?
Un filament de fibra de carboni és la corda individual utilitzada en un teixit de fibra de carboni. Aquests fils solen unir-se mitjançant una resina, que és el RP en CFRP (plàstic reforçat amb fibra de carboni). En combinar el material utilitzat amb la composició química exacta de la fibra de carboni, els enginyers poden crear alguna cosa encara més duradora, forta i lleugera que les seves parts.
En un teixit, cada fil de fibra de carboni tindrà normalment entre 1,000 i 12,000 filaments individuals, menys que l'amplada d'un cabell humà.
Llavors, com de forta és la fibra de carboni? Diguem-ho d'aquesta manera: no hi ha molts materials al món més resistents que la fibra de carboni --, especialment els que no estan disponibles comercialment.