O que é composto de carbono?

À medida que os campos aumentam continuamente os requisitos de materiais em termos de leveza, alta resistência e resistência à corrosão, os materiais metálicos tradicionais estão gradualmente incapazes de atender a essas demandas. No entanto, o composto de carbono se destaca devido ao seu excelente desempenho abrangente, tornando-se a aplicação principal no campo de materiais modernos. Portanto, é importante entender sua definição, composição, características e aplicações em setores relacionados.

Definição básica e composição dos compostos de carbono

Definição

O material composto de carbono é um novo tipo de material composto com funções e propriedades mecânicas específicas. Ele é composto de fibras de carbono como material de reforço, com resinas, metais, cerâmicas etc. como materiais de matriz. E por meio de processos de moldagem, como moldagem por compressão, enrolamento, prensagem a quente, etc., os dois são intimamente ligados. Ele alcança um desempenho revolucionário, que excede em muito o desempenho combinado de um único material, como o aço.

Componentes principais

Materiais de reforço

O corpo de reforço determina diretamente as propriedades mecânicas do núcleo, como a resistência e o módulo do material. Seu principal componente é a fibra de carbono, que inclui muitas fibras orgânicas, como a poliacrilonitrila, as fibras de viscose etc. Elas são fabricadas com a remoção de impurezas e a reorganização da estrutura atômica do carbono por meio de processos como a carbonização em alta temperatura e a grafitização. Por fim, formam um material semelhante a uma fibra com um diâmetro de apenas 5 a 10 micrômetros e um teor de carbono de mais de 90%. E, com base nas diferenças de desempenho, as fibras de carbono podem ser classificadas em vários graus:

Grau de uso geral (como T300)

Sua resistência e módulo são moderados e seu custo é menor, sendo usado principalmente em equipamentos esportivos e componentes industriais comuns.

Grau de alto desempenho (como T800, T1100)

A resistência à tração pode chegar a 5-6 vezes a do aço, cujo módulo de elasticidade é muito maior do que o da liga de alumínio. Portanto, você pode usá-lo em áreas com requisitos de desempenho extremamente altos, como aeroespacial e equipamentos de ponta.

Além disso, a forma das fibras de carbono, como fibras contínuas e fibras cortadas, também afeta as propriedades do material.

Materiais de matriz

O material da matriz é responsável por unir as fibras de carbono dispersas em um todo, que transmite uniformemente as cargas externas. Além disso, ele evita danos às fibras de carbono causados por ambientes agressivos, como corrosão e altas temperaturas. Atualmente, os principais materiais de matriz são divididos principalmente em três categorias:

Matriz de resina

Resina epóxi:

Tem forte adesão, processo de moldagem simples e custo controlável, sendo a escolha preferida para equipamentos aeroespaciais e esportivos.

Resina fenólica:

Ele tem boa resistência ao calor e retardamento de chamas, por isso é usado principalmente em componentes à prova de fogo.

Resina de poliimida:

Ele pode trabalhar de forma estável em temperaturas acima de 200°C, o que é adequado para componentes de motores de ponta.

Matriz metálica

É composto predominantemente de metais leves, como alumínio, magnésio e titânio, juntamente com suas ligas. Possui alta resistência e alta condutividade térmica, mas o processo de formação é complexo e o custo é relativamente alto. Portanto, é adequado para componentes de dissipação de calor em dispositivos eletrônicos e pás de motores de aeronaves, que exigem condutividade térmica.

Matriz cerâmica

Consiste principalmente em materiais como carbeto de silício e alumina, que tem excelente resistência ao calor e excepcional resistência ao desgaste. É capaz de suportar temperaturas acima de 1.000 ℃, sendo o material principal para componentes em ambientes extremos.

Principais características dos compostos de carbono

Alta resistência e alto módulo

Sua resistência à tração atinge várias vezes a do aço, e seu módulo de elasticidade excede em muito o dos metais tradicionais. Isso permite que os componentes de material composto de carbono sejam menores em tamanho e mais leves em peso, o que garante a estabilidade. Além disso, ele é mais capaz de resistir efetivamente à deformação, o que pode reduzir a deformação da asa e garantir a segurança e o desempenho do voo.

Baixa densidade

Composto de carbono têm uma densidade extremamente baixa, sendo apenas 1/4 - 1/5 da densidade do aço e cerca de 1/2 da densidade do alumínio. Portanto, é possível usá-lo para fabricar componentes como carrocerias e chassis de automóveis, o que pode reduzir significativamente o peso. E no campo aeroespacial, ele reduz o peso das aeronaves, o que reduz os custos de lançamento e aumenta a carga útil e o alcance.

Resistência à corrosão e resistência à fadiga

Devido à forte estabilidade química e à excelente resistência à corrosão, ele não reage com ácidos, álcalis e sais. Portanto, pode trabalhar em ambientes químicos agressivos por muito tempo, o que aumenta a vida útil do equipamento e reduz os custos de manutenção. Além disso, como apresenta excelente resistência à fadiga, o dano se espalha lentamente e a vida útil da fadiga é longa sob cargas alternadas.

Designabilidade

Os materiais compostos de carbono têm alta capacidade de design e o desempenho dos componentes pode ser projetado conforme necessário. Você pode alterar os tipos, o conteúdo, a direção de colocação e o método de fibras de carbonoAlém disso, você pode escolher diferentes materiais de matriz. Além disso, ao modificar o processo de moldagem, você pode fabricar componentes de formato complexo sem a necessidade de operações de corte extensas. Isso reduz o desperdício de material e melhora a eficiência, permite a satisfação de requisitos especiais em vários campos e amplia o escopo da aplicação.

Principais áreas de aplicação dos compostos de carbono

Campo aeroespacial

Em termos de aeronaves de passageiros

Ele reduz o peso e melhora a eficiência do combustível, de modo que a fuselagem, as asas e outros componentes principais são amplamente fabricados com ele. E alguns jatos de combate o utilizam para fabricar revestimentos e portas de compartimento de bombas, o que aumenta a capacidade de manobra e melhora o desempenho furtivo.

Em naves espaciais

Você pode usá-lo para reduzir o peso e aumentar a capacidade de carga de estruturas de satélites e suportes de painéis solares. Além disso, ele pode suportar temperaturas acima de 3000°C e garantir o lançamento, o que pode ser usado para componentes de alta temperatura.

Área de transportes

No setor automotivo

Como seus eixos de transmissão são 40% mais leves do que o metal, ele é útil para obter leveza e conservação de energia. Além disso, tem maior eficiência de transmissão, pois o peso das molas é reduzido pela metade, mantendo a resistência à fadiga.

No setor de trens de alta velocidade

Pode ser usado para as estruturas da carroceria e dos assentos do trem, o que reduz o peso da carroceria em mais de 10%. E pode reduzir o consumo de energia de tração de 8% para 10%, além de ter boa resistência à corrosão. Portanto, ele pode reduzir a manutenção em ambientes úmidos e costeiros e diminuir os custos operacionais.

Campo de equipamentos esportivos

Em equipamentos de esferas

Para a estrutura, ela é 30% mais leve que o metal e tem boa elasticidade, transmissão de força eficiente e reduz as lesões nos braços. Para tacos de golfe, você pode ajustar o eixo alterando o layout da fibra para obter um eixo rígido e uma cabeça dura.

Em equipamentos de ciclismo e de pista e campo

Você pode usá-lo em quadros e rodas de bicicletas de alta qualidade para obter peso extremamente leve e grande rigidez. Ao usá-lo no salto com vara, ele é útil, pois a vara armazena energia e ajuda os atletas a superar a altura.

Campo industrial e de novas energias

Na energia eólica

Em comparação com as pás de fibra de vidro tradicionais, ela é 30% mais leve e mais resistente à fadiga. E pode operar de forma estável em ventos fortes do mar por mais de 20 anos, adaptando-se ao desenvolvimento da energia eólica offshore e em grande escala.

Na área de contêineres de alta pressão

Devido à sua leveza e resistência à corrosão, pode ser usado em tanques de armazenamento de gás natural e hidrogênio. Também pode ser usado em tanques de armazenamento de hidrogênio de veículos com células de combustível de hidrogênio, o que pode reduzir o peso e melhorar o alcance.

Conclusão

O composto de carbono possui um desempenho excepcional, com vantagens como alta resistência e baixa densidade. E tem amplas perspectivas de aplicação em áreas como aeroespacial, transporte, equipamentos esportivos e novas energias industriais. Além disso, ele não apenas impulsiona a inovação tecnológica industrial, mas também fornece soluções materiais para redução de peso e conservação de energia.