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.
Estrutura da composição
A fibra de carbono é uma fibra polimérica inorgânica com um teor de carbono superior a 90%. Entre eles, o teor de carbono é superior a 99%, denominado fibra de grafite. A microestrutura da fibra de carbono é semelhante à da grafite artificial, que é uma estrutura caótica de camada de grafite. 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 da grafite, e as camadas são conectadas entre si pela força de van der Waals. A estrutura da fibra de carbono é geralmente considerada como constituída por cristais e poros ordenados bidimensionais, entre os quais o conteúdo, tamanho e distribuição dos poros têm maior impacto no desempenho da fibra de carbono. Quando a porosidade é inferior a um determinado valor crítico, a porosidade não tem efeito óbvio na resistência ao cisalhamento interlaminar, na resistência à flexão e na resistência à tração dos materiais compósitos de fibra de carbono. Alguns estudos apontaram que a porosidade crítica que faz com que as propriedades mecânicas do material diminuam é de 1% a 4%. Quando o conteúdo do volume de poros está na faixa de 0-4%, a resistência ao cisalhamento interlaminar diminui cerca de 7% para cada aumento de 1% no conteúdo do volume de poros. Através do estudo de laminados de resina epóxi de fibra de carbono e resina bismaleimida de fibra de carbono, pode-se observar que quando a porosidade ultrapassa 0,9%, a resistência ao cisalhamento interlaminar começa a diminuir. O teste mostra que os poros estão distribuídos principalmente entre os feixes de fibras e na interface entre as camadas. Quanto maior o conteúdo de poros, maior o tamanho dos poros e a área de interface entre as camadas do laminado é significativamente reduzida. Quando o material é submetido a tensões, é fácil ser danificado ao longo da camada intermediária, razão pela qual a resistência ao cisalhamento da camada intermediária é relativamente sensível aos poros. Além disso, os poros são áreas de concentração de tensões com fraca capacidade de suporte. Quando submetidos a tensões, os poros se expandem formando longas fissuras, sendo assim danificados.
Mesmo que dois laminados com a mesma porosidade (usando diferentes métodos de pré-impregnação e métodos de fabricação no mesmo ciclo de cura) mostrem 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 processabilidade suave. É um novo material com excelentes propriedades mecânicas. A resistência à tração da fibra de carbono é de cerca de 2 a 7GPa, e o módulo de tração é de cerca de 200 a 700GPa. A densidade é de cerca de 1,5 a 2,0 gramas por centímetro cúbico. Além de estar relacionado à estrutura original da fibra, é determinado principalmente pela temperatura do tratamento de carbonização. Geralmente, após o tratamento de grafitização em 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. Possui 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 módulo alto é 775 e a fibra de carbono de alta resistência é 1.500 por centímetro. Isso faz com que a fibra de carbono tenha resistência específica e módulo específico muito altos entre todas as fibras de alto desempenho. Comparada com materiais metálicos como titânio, aço e alumínio, a fibra de carbono tem características de alta resistência, alto módulo, baixa densidade e pequeno coeficiente de expansão linear nas propriedades físicas, e pode ser chamada de rei dos novos materiais.
Além das características dos materiais de carbono em geral, a fibra de carbono tem maciez anisotrópica significativa na aparência e pode ser processada em vários tecidos. Devido à sua pequena gravidade específica, ela mostra alta resistência ao longo do eixo da fibra. Resina epóxi reforçada com fibra de carbono Os indicadores abrangentes de resistência específica e módulo específico de materiais compostos são relativamente altos entre os materiais estruturais existentes. A resistência à tração dos compostos de resina de fibra de carbono é geralmente acima de 3500 MPa, o que é de 7 a 9 vezes a do aço. O módulo elástico de tração é de 230 a 430 GPa, o 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 maior que 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 uma boa finura (uma das formas de expressar finura é o número de gramas de 9.000 metros de fibra), geralmente apenas cerca de 19 gramas, e a força de tração chega a 300 kg por mícron. Quase nenhum outro material tem tantas propriedades excelentes quanto a fibra de carbono, por isso é estritamente necessário nas áreas de finalidade, 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 3.000 graus e tem excelente resistência ao calor. Em comparação com outros materiais, a resistência da fibra de carbono começa a diminuir quando a temperatura é superior a 1.500 ℃, e quanto mais alta 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 foi bastante reduzido. Além disso, a fibra de carbono também tem boa resistência a baixas temperaturas, como não é frágil à 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 para solventes orgânicos em geral, ácidos e álcalis. É insolúvel e não incha, e sua resistência à corrosão é excelente. Não há problema algum 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 facilmente 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 usados em combinação 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.
