Aplicações comuns da fibra de carbono

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No nosso dia a dia, ouvimos frequentemente falar de fibra de carbono, um material que nos é familiar e desconhecido. É um tipo de material de alto desempenho, amplamente utilizado em diversos setores da indústria militar e civil. É considerado o representante típico dos novos materiais industriais de alta tecnologia e é considerado o rei dos materiais.

Então, este artigo popularizará as características e a ampla aplicação da fibra de carbono para os leitores.

O que é fibra de carbono?

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A fibra de carbono é um tipo de material de grafite microcristalino, obtido por carbonização e grafitização de fibras orgânicas. A microestrutura da fibra de carbono é semelhante à da grafite artificial, que é uma estrutura de grafite com camadas aleatórias. A fibra de carbono refere-se a fibras poliméricas inorgânicas com teor de carbono superior a 90%. Possui as características de leveza, alta resistência, resistência a altas temperaturas, resistência à fadiga, resistência à corrosão, condução de calor e condutividade, sendo um novo material com excelentes propriedades mecânicas.

Propriedades da fibra de carbono

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Para utilizar materiais de fibra de carbono, é necessário primeiro conhecer suas características, a fim de melhor aplicar este novo material na prática de produção. As principais características da fibra de carbono são as seguintes:

Força Excessiva

A resistência à tração da fibra de carbono pode atingir 3000~4000MPa, o que é mais de 4 vezes maior que o aço e 6 ou 7 vezes maior que o alumínio.

Alto módulo elástico

Seu módulo de elasticidade é superior a 230 GPa.

Leve, mas forte

Baixa densidade e alta resistência específica. A massa da fibra de carbono é 1/4 da do aço e 1/2 da liga de alumínio; a resistência específica é 16 vezes maior que a do aço e 12 vezes maior que a da liga de alumínio.

Excelente resistência ao calor/frio

Suporta temperaturas ultra-altas. A fibra de carbono pode ser usada a 2000°C e não derrete nem amolece sob a alta temperatura de 3000°C.

Boa resistência a baixas temperaturas. A -180°C, o aço se torna mais quebradiço que o vidro, enquanto a fibra de carbono ainda é muito macia.

Resistência química

Boa resistência a ácidos, óleo e corrosão. Resiste ao ataque de ácido clorídrico concentrado, ácido fosfórico, ácido sulfúrico, benzeno, acetona e outros meios. Se a fibra de carbono for colocada em ácido clorídrico 50%, seu módulo de elasticidade, resistência e diâmetro permanecerão basicamente inalterados.

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Através das vantagens óbvias dos dados, pode-se constatar que a fibra de carbono é superior ao titânio, aço, alumínio e outros materiais metálicos. Portanto, em poucos anos, a fibra de carbono passou a ser considerada um material exótico e caro para a fabricação de produtos. Suas inúmeras características surpreendentes a tornam a escolha ideal para diversas aplicações. Atualmente, ela pode ser encontrada em muitos aspectos do nosso dia a dia. Algumas de suas inúmeras aplicações serão discutidas a seguir.

Aplicações comuns

Automotivos

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Atualmente, os materiais usados em acessórios para carros são principalmente aço de alta resistência, liga de alumínio, liga de magnésio, liga de titânio, composto de fibra de vidro, composto de fibra de carbono, etc. Peças de fibra de carbono têm grandes vantagens em termos de leveza, segurança, conforto, confiabilidade e melhoria do nível de desenvolvimento do carro.

1. Depois interior de carro em fibra de carbono Quando aplicado a automóveis, o benefício mais óbvio para a fabricação de automóveis é a leveza dos veículos, e o impacto mais direto é a melhoria na economia de energia, aceleração e desempenho de frenagem. Em outras palavras, os automóveis se tornam mais leves, mais rápidos e mais econômicos.
2. O exterior do carro em fibra de carbonoPossui excelente taxa de absorção de energia. A capacidade de absorção de energia em colisões é de seis a sete vezes maior que a do aço e de três a quatro vezes maior que a do alumínio, o que garante ainda mais a segurança do carro.
3. Acessórios de fibra de carbono apresentam maior resistência à fadiga. A resistência à fadiga do aço e do alumínio varia de 30% a 50% de resistência à tração, enquanto os acessórios de fibra de carbono podem atingir de 70% a 80%. Portanto, a aplicação de compósitos de fibra de carbono em automóveis melhorou significativamente a confiabilidade dos materiais em relação à fadiga.

Atualmente, os acessórios de fibra de carbono mais utilizados em automóveis são os automotivos, como capôs, chassis, armações e reforços de teto, pilares, portas, spoilers e outros componentes.

Equipamentos esportivos

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Em certo sentido, os esportes competitivos modernos desafiam os limites da capacidade física humana. Quanto maior a resistência específica dos acessórios de fibra de carbono, menor o peso próprio dos componentes. Portanto, aproveitar ao máximo as características dos acessórios de fibra de carbono pode melhorar o desempenho de muitos equipamentos esportivos.

1. Salto com vara.

Atualmente, o bastão de fibra de carbono mais moderno garante flexibilidade e resistência, sem quebras ou torções. Ele converte a energia cinética da rápida aproximação do atleta ao bastão em energia de deformação elástica. Quando o bastão é dobrado em arco máximo, essa energia de deformação elástica é liberada novamente e transformada na energia potencial do atleta, ajudando-o a saltar e voar sobre o bastão.

2. Golfe.

O taco de golfe é composto por uma empunhadura, um corpo e uma cabeça. O peso do taco de golfe feito de materiais compostos de fibra de carbono pode ser reduzido em cerca de 10% a 40%. Quando o peso total do taco é fixo, o peso leve da cabeça é conveniente para melhorar a velocidade do swing, e a bola pode atingir uma velocidade inicial maior. Além disso, os compostos de fibra de carbono possuem altas características de amortecimento, o que pode prolongar o tempo de impacto e fazer com que a bola atinja uma distância maior.

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3. Raquetes de tênis

A tendência de desenvolvimento das raquetes de tênis é de grande porte e leveza. Atualmente, a maioria das raquetes de tênis de alto e médio porte do mundo é feita de compósitos de fibra de carbono. A raquete de tênis grande precisa ser feita de materiais compostos de fibra de carbono com baixo peso, alta resistência específica e alto módulo específico. Ela pode suportar uma tensão de fio mais forte do que a estrutura de madeira da raquete, garantindo que não se deforme ao bater.

Além dos diversos equipamentos esportivos mencionados acima, existem muitos outros que utilizam fibra de carbono como componente de produção. Em suma, a dimensão de brasagem de carbono será cada vez mais utilizada na indústria esportiva.

Equipamento militar

Já em meados da década de 1960, o convés das canhoneiras de patrulha começou a utilizar acessórios de fibra de carbono. No início da década de 1970, a superestrutura do barco de caça a minas também passou a utilizar compósitos de fibra de carbono. Atualmente, as aplicações militares da fibra de carbono são as seguintes:

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Aeronaves militares

O desenvolvimento da indústria espacial é econômico. Por exemplo, se a massa de um motor de foguete sólido for reduzida em 1 kg, o alcance pode ser aumentado em 16 km. Portanto, compósitos de fibra de carbono são amplamente utilizados em carcaças de motores de aeronaves. No futuro, a fibra de carbono será uma base importante para o desenvolvimento de armas e equipamentos estratégicos avançados com miniaturização, alta mobilidade, alta precisão e alta capacidade de penetração.

Caixa Militar

A caixa militar de fibra de carbono é adequada para o armazenamento de equipamentos de treinamento, instrumentos e equipamentos, pequenos equipamentos, suprimentos de emergência, operações ao ar livre, etc. Sua superfície utiliza fibra de carbono como revestimento, que possui estrutura estável e durável, garantindo boa vedação, alta tenacidade, alta resiliência e capacidade de resistir à deformação por compressão. É adequada para diversos ambientes adversos, como deserto, navegação, aviação, planalto, etc.

Acredita-se que com o desenvolvimento e o progresso da ciência e da tecnologia, os compósitos de fibra de carbono serão mais amplamente utilizados no campo militar.

Impressão 3D

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O mais recente desenvolvimento em tecnologia de impressão 3D permite que as empresas usar fibra de carbono para impressão, embora o material adesivo utilizado seja diferente do processo padrão de fibra de carbono. Atualmente, existem dois métodos de impressão em fibra de carbono:

1. As fibras de carbono picadas são basicamente reforços de termoplásticos padrão. Permite que as empresas imprimam materiais geralmente mais fracos com maior resistência. Fibras picadas aumentam a resistência e a rigidez do modelo e melhoram a estabilidade dimensional, o acabamento superficial e a precisão. No entanto, alguns filamentos reforçados com fibras picadas enfatizam a resistência ajustando a supersaturação do material com fibras. Isso terá um impacto negativo na qualidade geral da peça, reduzindo assim a qualidade da superfície e a precisão da peça, dando origem a outra tecnologia de impressão.
2. Fibra de carbono contínua É uma solução econômica e eficaz, que pode substituir peças metálicas tradicionais por peças compostas impressas em 3D, pois pode atingir resistência semelhante com apenas uma pequena fração do peso. Além de aumentar a resistência, proporciona aos usuários um reforço seletivo em áreas que exigem maior durabilidade.

Indústria de Petróleo e Gás

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O petróleo e o gás são considerados o "sangue da indústria", o que demonstra a importância do petróleo e do gás para a indústria, o que também determina seu alto valor. As instalações para exploração de petróleo e gás em terra utilizam o aço como principal material, mas o ambiente para a exploração de campos petrolíferos offshore é muito diferente daquele em terra. Materiais compósitos avançados, principalmente compósitos de fibra de carbono, adaptam-se bem ao ambiente marinho hostil.

1. O tubo do poço de produção É um componente que se estende do fundo do mar até o convés da plataforma de perfuração, e a maioria dos tubos tem 10,5 polegadas de diâmetro. Quando o tubo de elevação é feito de materiais compósitos híbridos de fibra de carbono e fibra de vidro, em comparação com o tubo de aço inoxidável, o peso efetivo por metro é 45 kg mais leve, e o peso de 1200 m pode ser reduzido em 54 t, reduzindo significativamente o custo do corpo de flutuação.
2. O custo do cabo de aço aumentou consideravelmente, e ele precisa ser substituído pelo Comptethers, um cabo composto de fibra de carbono. Além disso, o Comptethers é macio e pode ser enrolado em um eixo com diâmetro de 4,4 m. É muito conveniente para armazenamento, transporte e uso, o que pode reduzir o custo do projeto.
3. A fibra de carbono pode ser usada na fabricação de módulos de flutuação para reforçar esferas ocas de pequeno diâmetro. Para explorar petróleo e gás de petróleo em águas profundas de 5.000 a 10.000 graus Fahrenheit (2.700 a 3.000 graus Celsius), a demanda por esses componentes e revestimentos de flutuação está crescendo, e uma grande quantidade de fibra de carbono é necessária.

Resumindo, compósitos de fibra de carbono têm sido usados em tubos de perfuração, cordas e componentes de flutuabilidadeCom a transferência e abertura de campos petrolíferos offshore para campos petrolíferos em águas profundas, o consumo está aumentando dia a dia. Obviamente, o desenvolvimento de campos petrolíferos em águas profundas será um dos maiores mercados potenciais para aplicações de fibra de carbono.

Conclusão principal

Fonte: Vire

Agora, você já deve ter uma certa compreensão dos superpoderes da fibra de carbono e suas aplicações. Embora seja usada há décadas, a fibra de carbono ainda é considerada o material mais moderno. Portanto, se você está considerando a fibra de carbono como um dos componentes do seu produto, espero que este artigo possa lhe inspirar.