Plástico reforçado com fibra de carbono

propriedades

Tipo de fibra : fibra de carbono HT
Tipo de matriz: resina epóxi
Fração de volume da fibra 60%
Todos os valores são valores
médios típicos

Quantidades de elasticidade básica
140.000 N / mm²
12.000 N / mm²
5.800 N / mm²
5.400 N / mm²
0,26
densidade
1,5 g / cm³
Pontos fortes básicos
2.000 N / mm²
1.500 N / mm²
70 N / mm²
230 N / mm²
90 N / mm²
Coeficiente de expansão térmica
0,2 · 10 −6 K −1
30 · 10 −6 K −1

Plástico reforçado com fibra de carbono , também plástico reforçado com fibra de carbono ( CFRP ), também fibra de carbono encurtada , carbono ou carbono , é um material compósito no qual as fibras de carbono são incorporadas em uma matriz de plástico . A matriz é usada para conectar as fibras e preencher as lacunas. O material de resina epóxi é geralmente escolhido como a matriz . No entanto, outros termofixos ou termoplásticos também são possíveis como material de matriz.

CFRP é usado em particular onde os custos aumentados são aceitos para uma baixa massa e alta rigidez ao mesmo tempo. Exemplos são quadros de bicicletas , varas de pesca , barcos a remo e acessórios, bengalas, recipientes de gás pressurizado e folhas em hidrofólios . Em 2015, a produção global de CFRP foi de 91.000 toneladas com um crescimento anual de aproximadamente 12%.

descrição

O CFRP consiste em fibras de carbono que são incorporadas em uma matriz feita de resina sintética. As propriedades mecânicas do compósito curado se beneficiam principalmente da resistência à tração e rigidez das fibras de carbono. A matriz evita que as fibras se movam umas contra as outras sob carga. Para fazer isso, a matriz deve aderir à fibra, caso contrário, os componentes irão falhar devido ao pull-out da fibra . Uma vez que o material compósito se beneficia principalmente das propriedades do material de fibra, a maior fração de volume de fibra possível é geralmente apontada - o máximo de fibra possível, o mínimo de matriz possível, sem bolsas de ar ou cavidades, mas todas as superfícies de fibra devem ser molhadas com matriz.

A resistência e a rigidez de um material feito de CFRP são significativamente maiores na direção das fibras do que na direção das fibras. A resistência da fibra é menor do que a de uma matriz não reforçada. Portanto, z. T. camadas de fibra individuais colocadas em diferentes direções. As direções da fibra são determinadas pelo projetista para atingir a resistência e rigidez desejadas. Todo o projeto de um componente é geralmente suportado por cálculos baseados na teoria clássica do laminado .

Em comparação com materiais como o aço, as fibras de carbono têm uma densidade significativamente menor (~ fator 4,3). A rigidez específica do peso na direção das fibras é, dependendo do tipo de fibra, um pouco (aproximadamente 10-15%) ou mesmo significativamente (aproximadamente Fator 2) maior do que a do aço. Desta forma, é criado um material muito rígido, que é particularmente adequado para aplicações com uma direção de carga principal, onde uma massa baixa com alta rigidez é importante. Para resistir às mesmas forças de um componente de metal correspondente, os componentes do composto de fibra geralmente precisam ser projetados para serem mais volumosos, o que reduz a vantagem do peso.

Formulários

A mountain bike que Biria desligou de 1998
Taco de hóquei no gelo, quebrado.

Componentes feitos de materiais reforçados com fibra são caros de fabricar em comparação com componentes de metal com a mesma capacidade de carga. Portanto, eles são usados ​​principalmente em áreas em que suas vantagens (principalmente economia de peso) resultam em pelo menos um potencial de economia de custos correspondentemente alto:

Às vezes, a redução de peso também é apoiada por outros interesses, como B. Manuseio mais confortável ou fadiga do usuário mais lenta:

Alguns fabricantes de automóveis oferecem elementos para o interior do veículo em carbono ou com aparência de carbono , principalmente por razões estéticas . Freqüentemente, apenas a camada superior de um componente é revestida com carbono , uma vez que as propriedades mecânicas do material não são necessárias e os custos podem ser reduzidos.

Como um filamento para o processo de impressão 3D Fused Deposition Modeling , o plástico reforçado com fibra de carbono (como um filamento: poliamida CF) é usado devido à sua alta resistência e comprimento de rasgo, especialmente para a produção de peças e ferramentas estáveis, mas leves.

Processo de manufatura

Tecido de fibra de carbono para a produção de CFRP
A escultura Mae West em Munique é feita de tubos CFRP com um diâmetro de cerca de 25 cm (base de até 15,5 m em aço revestido com CFRP).

Os processos de fabricação correspondem aos do plástico reforçado com fibra de vidro (GRP). Acima de tudo, são usados ​​processos com os quais compostos de fibra de alta qualidade podem ser produzidos ( pré-impregnado em um processo de prensa ou autoclave , enrolamento de fibra, infusão ou processos RTM). Os laminados manuais CFRP, por outro lado, são usados ​​quase exclusivamente na produção em pequenas séries e na produção de itens individuais, já que apenas volumes menores de fibra podem ser obtidos com eles.

Uma alta fração de volume de fibra é desejada para a maior rigidez possível . As inclusões de ar reduzem a ligação da matriz à fibra e introduzem tensões de entalhe no laminado. Sob estresse, bolhas de ar individuais podem se combinar e levar à delaminação, ou seja, H. destacamento local das camadas individuais umas das outras. Além disso, a umidade nas bolhas pode congelar na parede da bolha em baixas temperaturas. Devido ao maior volume específico do gelo, isso pode levar à formação de uma rachadura nos poros finos da parede da bexiga. Portanto, os processos de fabricação de CFRP visam obter um produto livre de bolhas de ar.

Carbono reforçado com fibra de carbono

Se uma resina fenólica de matriz plástica for usada e a matriz for então pirolisada a temperaturas de 800-900 ° C sob gás de proteção (nitrogênio), uma nova classe de materiais, que pode ser carbono reforçado com fibra de carbono (engl. Carbono reforçado com fibra de carbono , CFC , CRC ou CFRC ) a serem desenvolvidos. A resina fenólica mostra um rendimento de carbono> 50  % em peso , o que resulta em uma matriz de carbono porosa. Isso é reforçado pelas fibras de carbono. A impregnação e pirólise repetidas com resina fenólica ou outros materiais com alto rendimento de carbono, por exemplo , piche líquido , podem preencher a parte porosa e tornar a matriz de carbono mais densa em cada estágio de impregnação e pirólise.

A estrutura da matriz porosa também pode ser preenchida por meio da pirólise em fase gasosa de gases contendo carbono. No entanto, este processo é mais tedioso do que o processo de infiltração da fase líquida com pirólise subsequente .

Riscos de saúde

O processamento mecânico do CFRP, principalmente a usinagem (serrar, fresar, furar, retificar, etc.), gera partículas de fibra de carbono que podem causar câncer.

“Com o uso crescente de CFRP, o aumento nas ligações adesivas para garantir a união compatível com a fibra está intimamente ligado. No entanto, processos de remoção de cavacos são necessários em alguns lugares para produzir superfícies ligáveis. As partículas de fibra de carbono resultantes são consideradas potencialmente cancerígenas, de modo que surge a necessidade de precauções de segurança ocupacional adequadas. "

- Dr. Hubert Pelc : Preparação de superfície adesiva de usinagem para componentes CFRP

De acordo com especialistas do Bundeswehr, as fibras de CFRP deveriam ser lançadas em um incêndio, o que poderia ter um efeito comparável ao do amianto . Acima de tudo, haveria perigo para os ajudantes nos locais dos acidentes, como bombeiros ou policiais. Um especialista cita um raio de aproximadamente 300 metros em torno de um acidente com queima de CFRP como diretriz.

Veja também

Links da web

Commons : Plástico Reforçado com Fibra de Carbono  - coleção de fotos, vídeos e arquivos de áudio

Evidência individual

  1. carbon-composites.eu, novembro de 2016, (PDF, 628 kB) disponível em 11 de novembro de 2018.
  2. ➤ 4 razões para acabamento em carbono com carbono real. In: CarbonFabrik | Revestimento de carbono com carbono visível. Obtido em 12 de julho de 2020 (alemão).
  3. Filamento de poliamida CF - impressão 3D com impressoras 3D EVO-tech. In: impressora 3D EVO-tech. Acessado em 30 de abril de 2019 (alemão).
  4. Preparação de superfície adesiva de usinagem para componentes CFRP . In: springerprofessional.de . 27 de março de 2018 ( springerprofessional.de [acessado em 30 de março de 2018]).
  5. Christiane Brünglinghaus: As desvantagens do CFK Springer Professional de 14 de agosto de 2014, acessado em 21 de março de 2018.
  6. Norbert Simmet: Fiese fibres - perigo para equipes de resgate Merkur.de de 13 de dezembro de 2010, acessado em 21 de março de 2018.