Materiale și Tehnologii Avansate

1. Tehnologia de prelucrare a fibrelor de carbon

Fibrele de carbon au numeroase avantaje : proprietati mecanice remarcabile, cost scazut, stabilitate la temperaturi inalte, compatibilitate chimica buna in raport cu matricele de natura organica si posibilitatea utilizarii unei game variate de materii prime.

Prin denumirea de fibre de carbon se inteleg fibrele care contin mai mult de 80%C sub forma de carbon amorf si grafit si au densitatea cuprinsa intre 1,50 si 1,96 g/cm3 .

Tehnica de producere a fibrelor de carbon consta dintr-o piroliza controlata, urmata de o orientate dirijata a structurii prin tratamente termice si mecanice. Materia prima este diversa putandu-se folosi in toate starile de agregare in care se gasesc substantele bogate in carbon:

- solida: carbune amorf, asfalt de petrol, fibre organice (celuloza, matase,

poliacrilonitril)

- lichida: petrol, uleiuri aromatice, gudroane;

- gazoasa: hidrocarbuii, acetilena.

Carbonizarea propriu-zisa se obtine prin tratarea termica in atmosfera inerta sau prin combustie incompleta.

In cazul unei strucruri predominant grafitice (fibre de grafit),fibrele contin 99%C, au conductivitate termica buna (4,93...28,44 W/(mK), la 500°C) si excelenta rezistenta la soc termic. Fibrele de carbon pot fi utilizate ca atare (cele grafitice) sau in stare tratata, | frecvent folosite fiind sj fibrele preimpregnate cu rasini epoxidice, care prezinta un deosebit interes pentru industria aviatica.

Obtinerea fibrelor de carbon din gudroane sau resturi aromatice cuprinde o succesiune de operatii de purificare, filtrare, incalzire controlata (cu agitare), filare si prelucrare termica.

Producerea fibrelor de carbon din fibre organice consta. de obicei din utilizarea ca materie prima a unor fibre precursoare polimerice, de tip acrilic, care, prin piroliza se transforma intr-un material cu aceeasi structura cristalina ca a grafitului natural. Se folosesc in mod curent fibre din poliacrilo-nitril, oxidate superficial la 200...300°C timp de o ora. In continuare materialul se incalzeste la 1500...2000°C in atmosfera inerta si se mentine la aceasta temperatura timp de 30 de min, dupa care urmeaza grafitizarea propriu-zisa la 2500.. .3000°C.

Pe masura cresterii temperaturii de carbonizare de la 2000 la 3000 °C rezistenta la rupere descreste in timp ce modulul de elasticitate se mareste.

Calitatea fibrelor se poate imbunatati sensibil prin tratare cu permanganat de potasiu. Fibrele produse prin utilizarea unui precursor au proprietati superioare celor obtinute din gudroane, dar sunt mult mai scumpe.

Prin cresterea temperaturii de grafitizare se mareste densitatea. Compactarea

conglomeratului de cristale de grafit (cu dimensiunea de 5 um) se produce prin orientarea

grupurilor de atomi dupa axe paralele. Proprietatile fizico-mecanice ale fibrelor de carbon depind de structura si compozitia acestora, caracteristici dependente la randul lor de natura materiei prime utilizate si de tehnologia adoptata. Rezistivitatea fibrelor de carbon este cuprinsa intre 5-10"4 §i 20-10"4 cm si variaza cu rnodulul de elasticitate Proprietatea de autolubrifiere a fibrelor de carbon le face aplicabile atunci cand se urmareste reducerea coeficientului de frecare si deci, micsorarea vitezei de uzare.