Los materiales compuestos de fibra de carbono se utilizan cada vez más en diversos campos.

La fibra de carbono es un material de fibra de polímero inorgánico ultraligero y de alta resistencia con un contenido de carbono superior al 95%. Es más resistente que el acero y más ligero que el aluminio. No sólo conserva las características inherentes de los materiales de carbono, sino que también tiene la suave procesabilidad de los materiales de fibra. Se trata de un material “blando por fuera y rígido por dentro”.

Hoy en día encontramos nuevos usos para la fibra de carbono casi todos los días. Estos diminutos filamentos, que actualmente presentan diversas formas funcionales, tienen sólo una décima parte del grosor de un cabello humano. Las fibras se procesan en telas que pueden usarse en procesos de moldeo posteriores y formar tubos y láminas para la construcción, o como hilos regulares para el bobinado de filamentos.

Al principio, la fibra de carbono se utilizaba principalmente en la industria militar y aeroespacial. Después de un desarrollo continuo, sus campos de aplicación se están expandiendo a campos industriales y campos civiles comunes. Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología, la fibra de carbono también se utiliza en la reparación, renovación y refuerzo de infraestructuras, el desarrollo de nuevas energías y la producción de hélices y palas para aerogeneradores; la fabricación de sistemas de frenos para automóviles, ejes giratorios, carrocerías, etc.; Las aplicaciones en el campo de la electrónica incluyen principalmente antenas de alta precisión para comunicaciones, radiodifusión, observación de la Tierra, exploración espacial y diversas aeronaves.

En cuanto a productos culturales y deportivos, se han promocionado los materiales de fibra de carbono, desde cañas de pescar y palos de golf hasta raquetas de tenis, raquetas de bádminton, equipos para deportes de hielo y nieve, equipos para deportes acuáticos, etc. Entre ellos, palos de golf, raquetas de tenis y cañas de pescar. Son materiales compuestos de fibra de carbono para artículos deportivos. Los productos de los tres pilares representan alrededor del 80% de este tipo de productos.

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Ventajas de los compuestos de fibra de carbono

Los materiales compuestos están reemplazando lentamente a los materiales tradicionales. Los materiales compuestos comunes son buenos sustitutos de los materiales tradicionales como el metal y la madera en diversos campos.

1. Los materiales compuestos tienen una alta resistencia específica.

Los materiales CFRP ofrecen una relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión, rigidez y durabilidad óptimas. Debido a su baja densidad y resistencia a la tracción, la fibra de carbono es una excelente alternativa a los metales pesados ​​como el acero porque es liviana. La resistencia inherente a la corrosión de las resinas termoestables permite que los productos CFRP tengan una vida útil más larga que los materiales metálicos estándar porque no se oxidan ni corroen.

La alta resistencia específica de los materiales compuestos es su mayor ventaja. Aunque la fibra de carbono es más fuerte y rígida que estos dos materiales por unidad de peso, pesa aproximadamente el 25% del acero y el 70% del aluminio. Los laminados compuestos multicapa absorben más energía que las tradicionales capas individuales de acero, lo que permite a los ingenieros automotrices de alto nivel reducir el peso del vehículo en un 60 % y, al mismo tiempo, mejorar la seguridad en caso de colisión.

2. Los materiales compuestos ofrecen posibilidades para nuevos diseños

Los materiales compuestos ofrecen alternativas de diseño difíciles de lograr con los materiales tradicionales. Los materiales compuestos pueden fortalecer los artículos; una sola pieza compuesta puede reemplazar un conjunto completo de piezas metálicas.

Cualquier tratamiento de superficie, desde liso hasta texturizado, se puede imitar cambiando la textura de la superficie. Debido a que la fibra de vidrio se puede moldear en una amplia variedad de diseños de embarcaciones, los materiales compuestos constituyen más del 90 por ciento de los cascos de las embarcaciones de recreo. Los ahorros a largo plazo derivados de estas ventajas incluyen menores costos de mantenimiento y tiempos de producción más cortos.

3. Los materiales compuestos son duraderos

Los materiales compuestos no se oxidarán independientemente de las condiciones (aunque son susceptibles a la corrosión cuando se combinan con componentes metálicos). Los compuestos son más resistentes que la mayoría de los polímeros, pero más resistentes que los metales.

Gracias a su excelente estabilidad dimensional, mantienen su forma tanto en frío como en calor, húmedos o secos. Por lo tanto, son el material elegido para estructuras exteriores como las palas de turbinas eólicas.

Los ingenieros prefieren los compuestos a los materiales tradicionales porque son más rentables para mantener y proporcionar estabilidad a largo plazo a edificios que duran décadas.

4. La fabricación de materiales compuestos es cada vez más sencilla

En el pasado, los ingenieros tenían que crear compuestos mediante complejos procedimientos de colocación que consumían mucho tiempo y tenían geometrías de diseño limitadas. Hoy en día, esto ha cambiado con la fabricación de compuestos digitales (DCM).

Un método de fabricación único llamado DCM puede crear piezas compuestas sin necesidad de mano de obra. Con DCM, los materiales compuestos se pueden personalizar en tres dimensiones, local o globalmente, para cumplir con la resistencia, densidad y flexibilidad ideales de un proyecto. Gracias a DCM, los ingenieros ahora tienen la libertad de imprimir en 3D y diseñar materiales compuestos de alto rendimiento.

Al agregar fibras altamente grafitizadas, los compuestos de fibra de carbono tienen una conductividad térmica muy alta. Para eliminar mejor el calor no deseado de la maquinaria electrónica, también se recomiendan materiales compuestos reforzados con fibra de carbono en los sistemas electrónicos.

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Aplicación de materiales compuestos de fibra de carbono en productos deportivos y de ocio.

Los campos de aplicación de los artículos deportivos de fibra de carbono se pueden dividir en dos direcciones generales. Uno son los deportes competitivos, que enfatizan principalmente la alta precisión, más alta y más rápida, y el otro se utiliza para el fitness y el ocio diarios, que requieren un rendimiento de costos adecuado. En la actualidad, los productos con mayor consumo de fibra de carbono en el ámbito de los artículos deportivos son:

1. bicicleta

El acero es el material más duradero para las bicicletas. Tiene buena elasticidad y bajo costo. Sin embargo, debido a su alta densidad, es fácil de oxidar y fatigar. La aleación de aluminio es un material de uso común en el mercado. Es liviano y no se oxida. Sin embargo, su elasticidad es muy pobre, se fatiga fácilmente y la comodidad de conducción no es buena. La densidad de la aleación de magnesio es menor que la de la aleación de aluminio y sus propiedades básicas son similares a las de la aleación de aluminio. La resistencia a la fatiga de la aleación de titanio es mejor que la de otros materiales metálicos, pero el precio es alto y la gravedad específica no tiene ninguna ventaja. Los materiales compuestos de fibra de carbono tienen alta resistencia, buena elasticidad, densidad ligera y resistencia a la corrosión. Las bicicletas fabricadas con materiales compuestos de fibra de carbono tienen las siguientes características:

Reduce eficazmente el peso total de la bicicleta.

La densidad de los compuestos de matriz de resina de fibra de carbono es generalmente de sólo 1,6. Es sólo una quinta parte del acero y puede reducir el peso en aproximadamente un 40% en comparación con el aluminio. Hay un dicho en la industria de las bicicletas que dice que si el peso se reduce en 1 g, el precio puede aumentar en 1 dólar. Un cuadro de bicicleta compuesto de fibra de carbono es un cuarto más liviano que un cuadro de aleación de aluminio. El peso ligero puede reducir la pérdida de energía física y aumentar la velocidad de conducción.

La rigidez general de la carrocería es alta

Un cuadro con buena rigidez favorece la conversión de la fuerza motriz y mejora el rendimiento de manejo de la bicicleta. Las bicicletas compuestas de fibra de carbono tienen una estructura fuerte y no se deforman fácilmente. La práctica ha demostrado que la rigidez de su estructura no es menor que la de la estructura de acero al molibdeno.

Buena resistencia a los golpes

La frecuencia natural de la estructura no sólo está relacionada con la forma estructural, sino también proporcional al cuadrado del módulo específico del material. Una frecuencia natural alta puede evitar daños prematuros causados ​​por resonancia en condiciones de trabajo. Según los informes, las pruebas en cuadros con la misma forma y tamaño muestran que un cuadro de aleación de aluminio tarda 9 segundos en dejar de vibrar, mientras que un material compuesto de fibra de carbono con una frecuencia natural extremadamente alta solo tarda 2,5 segundos en detenerse. El material compuesto tiene buenas propiedades de amortiguación. Reduce los golpes de la bicicleta y mejora el confort de conducción.

Buena seguridad

La matriz de los materiales compuestos de fibra de carbono rodea fibras de carbono independientes en forma de fase continua, formando un sistema dinámico e incierto. Cuando el material sufre un impacto, cuando una pequeña cantidad de fibras se rompen, la carga se redistribuirá rápidamente a las fibras intactas. De esta manera, la estructura puede seguir soportando la carga, lo que mejora enormemente la seguridad de la conducción. Es difícil observar signos obvios de daño por fatiga en materiales metálicos en general y el daño suele ser repentino. Sin embargo, los cuadros compuestos de fibra de carbono tienen muy buena resistencia a la fatiga y se pueden observar signos evidentes antes de sufrir daños. Las investigaciones muestran que la prueba de resistencia al impacto de un cuadro compuesto de fibra de carbono puede superar el millón de veces.

Mayor libertad en el diseño estructural

Los materiales compuestos de fibra de carbono tienen características anisotrópicas. Esta característica de los materiales compuestos se puede aprovechar para disponer y tender las fibras según la dirección y tamaño de la carga cuando se desplaza la bicicleta. La flexibilidad de la fabricación de materiales compuestos facilita el diseño de estructuras de diversas formas. Por ejemplo, una bicicleta aerodinámica se puede diseñar de acuerdo con principios aerodinámicos, lo que es hermoso y práctico, y puede lograr fácilmente el mejor rendimiento en términos de costos.

Buena resistencia a la corrosión

Los materiales poliméricos tienen buena resistencia a los ácidos, álcalis y atmósferas industriales. Por lo tanto, los cuadros de bicicleta fabricados con materiales compuestos de fibra de carbono tienen una excelente resistencia a la corrosión por ácidos y álcalis.

Recientemente, el fabricante francés de automóviles deportivos Bugatti y el fabricante holandés de bicicletas PG lanzaron conjuntamente la bicicleta más ligera del mundo. El diseño de la bicicleta está inspirado en el auto de carreras deportivo Chiron de Bugatti. Está fabricado con materiales compuestos de fibra de carbono y pesa sólo 11 libras (aproximadamente 4,99 kg). Según Architectural Digestc, la bicicleta está hecha en un 95% de materiales compuestos de fibra de carbono.

La Universidad Técnica Checa de Praga utiliza un proceso automatizado de bobinado de filamentos combinado con la tecnología de bucle integrado (ILT) desarrollada para conexiones continuas de tubos de fibra para producir cuadros de bicicletas, así como componentes relacionados. ILT es un proceso que combina elementos estructurales compuestos, como tubos, con piezas de conexión. Todas las piezas se moldean en una sola pieza y se ensamblan posteriormente.

2. caña de pescar

Para los entusiastas de la pesca, ¿cómo deciden qué caña de pescar es la mejor? En definitiva, se refleja principalmente en tres puntos: fino, ligero y fuerte. Por tanto, una caña de pescar con excelentes prestaciones debe cumplir dos características: alta rigidez y ligereza.

Con la aparición y desarrollo de la fibra de carbono, proporciona a las cañas de pescar una alta resistencia específica y un alto módulo específico, lo que hace que estas cañas de pescar sean cada vez más ligeras. Por eso, las cañas de pescar actuales se denominan básicamente "cañas de pescar de fibra de carbono".

Las cañas de pescar fabricadas con materiales compuestos reforzados con fibra de carbono son mucho más ligeras que los productos GFRP, por lo que consumen menos energía al retirar la caña y la distancia de retirada es aproximadamente un 20% mayor que la de estos últimos. La caña de pescar fabricada en CFRP es larga, buena y rígida. La caña de pescar puede recuperarse rápidamente después de doblarse, lo que la hace más sensible a la hora de lanzar el cebo. El plástico reforzado con fibra de carbono también se puede utilizar para fabricar rollos de aparejos de pesca, que no pesan más de 140 gramos, pero tienen una alta resistencia a la fatiga y a la fricción, por lo que tienen una larga vida útil.

Ventajas de las cañas de pescar compuestas de fibra de carbono: Debido a su ligereza, alta rigidez y otras características, son ampliamente elogiadas. En el proceso de pesca, las ventajas de las cañas de pescar de fibra de carbono se reflejan en los siguientes aspectos:

Dado que las cañas de pescar de fibra de carbono son más ligeras y delgadas, estas cañas se pueden maniobrar fácilmente con una mano.

Al ser liviano, evita la fatiga del usuario.

La fibra de carbono permite longitudes más largas en las cañas de pescar, y las cañas de pescar más largas permiten cubrir áreas de pesca más amplias.

Las cañas de pescar de fibra de carbono responden mejor a los peces

Las cañas de pescar de fibra de carbono han entusiasmado cada vez más a los pescadores año tras año, y estas cañas de pescar de fibra de carbono también han hecho de la pesca una actividad recreativa popular en lugar de un deporte básico, lo que sin duda ha creado un nuevo mercado para el campo de la fibra de carbono.

(3) Raquetas de tenis y raquetas de bádminton

La tendencia de desarrollo de las raquetas de tenis es hacia un mayor tamaño y un peso más ligero. En la actualidad, la mayoría de raquetas de tenis de gama alta y media del mundo están fabricadas con materiales compuestos de fibra de carbono. Las raquetas de tenis grandes deben estar fabricadas con materiales compuestos de fibra de carbono que sean livianos, resistentes y grandes en un molde específico. Puede soportar una tensión de cuerda más fuerte que el marco de una raqueta de madera para garantizar que no se deforme al golpear la pelota. El material compuesto de fibra de carbono con buenas propiedades de absorción y amortiguación de vibraciones no solo brinda a los atletas una sensación de comodidad, sino que también permite que la pelota de tenis gane una mayor velocidad inicial.

La raqueta de tenis hecha de materiales compuestos es liviana pero fuerte, tiene alta rigidez y poca tensión, lo que puede reducir la desviación de la pelota cuando entra en contacto con la raqueta. Al mismo tiempo, el CFRP tiene una buena amortiguación, lo que puede extender el tiempo de contacto entre la cuerda de tripa y la pelota, de modo que la pelota de tenis pueda tener una mayor aceleración. Por ejemplo, el tiempo de contacto de una raqueta de madera es de 4,33 milisegundos, la de acero es de 4,09 milisegundos y la de CFRP es de 4,66 milisegundos. Las velocidades iniciales correspondientes de la pelota son 1,38 kilómetros/hora, 149,6 kilómetros/hora y 157,4 kilómetros/hora respectivamente. .

La raqueta de bádminton fabricada con material compuesto reforzado con fibra de carbono (CFRP) se caracteriza por su peso ligero y alta rigidez, lo que evita la rotura del mango provocada por la rigidez insuficiente de los productos de madera. También tiene una función de absorción de vibraciones y buena resistencia, lo que facilita golpear la pelota y la distancia de retorno de la pelota es larga y la precisión del aterrizaje de la pelota es alta.

4. Palos de golf

En 1972, Estados Unidos utilizó por primera vez materiales compuestos de fibra de carbono para fabricar palos. En 1998, el número de palos de golf de fibra de carbono excedía con creces el de palos de acero. Los palos de golf se componen de empuñaduras, varillas y cabezas de palo. Los palos de golf fabricados con materiales compuestos de fibra de carbono pueden reducir el peso entre un 10% y un 40%. Según la ley de conservación del impulso, cuando el peso total del palo de golf es constante, un palo con la parte superior pesada y un palo liviano pueden aumentar la velocidad del swing y permitir que la pelota obtenga una mayor velocidad inicial. Además, los materiales compuestos de fibra de carbono tienen altas propiedades de amortiguación, lo que permite golpear la pelota durante más tiempo y más lejos.

5. Kayak

Al utilizar Kevlar, una fibra de aramida comúnmente utilizada en balística, en kayaks, puede asegurarse de que una embarcación bien estructurada resista grietas y roturas. Cuando se utilizan materiales de grafeno y fibra de carbono en canoas y cascos de embarcaciones, no solo pueden aumentar la resistencia operativa del casco y reducir el peso, sino también aumentar la distancia de deslizamiento.

6. Carreras

En la década de 1980, cuando el equipo McLaren F1 utilizaba materiales de fibra de carbono para construir su chasis de carreras, sus coches de carreras dominaban el campo. Como resultado, el enfoque de McLaren fue imitado por otros equipos y luego retroalimentado a varios superdeportivos, autos de alto rendimiento y autos civiles.

En la actualidad, la aplicación de la fibra de carbono en la industria del automóvil se divide principalmente en dos tipos: seca y húmeda. Entre ellos, la fibra de carbono seca tiene menos resina residual durante la fabricación, las piezas moldeadas son más resistentes y más caras, por lo que es ampliamente utilizada por las principales marcas de ultralujo.

El contenido de resina en la fibra de carbono húmeda es mayor, por lo que la resistencia del componente y el costo de fabricación serán mucho más económicos que los de la fibra de carbono seca. Pero ya sea fibra de carbono seca o húmeda, tiene mejor rendimiento que los materiales convencionales.

La carrocería del Ares AMR Pro utiliza una pintura verde fluorescente especial, y además añade un panel decorativo de fibra de carbono donde se puede ver la disposición de los cables de carbono. Las líneas del vehículo son más esbeltas y los espejos retrovisores laterales también se han modificado para ser más aerodinámicos. Detrás de los guardabarros delanteros se utilizan aberturas de ventilación de diseño mecánico de varias piezas, que pueden guiar mejor el aire en los pasos de rueda. Los faldones laterales que casi tocan el suelo están conectados a las cejas de las ruedas delanteras y traseras. El diseño de la puerta con alas de gaviota también es muy encantador. Las ruedas delanteras de 20 pulgadas y las traseras de 21 pulgadas están equipadas con neumáticos anchos y planos y sistemas de frenos cerámicos de fibra de carbono rembo, lo que hace que el vehículo luzca más atractivo.

El interior del coche también copia el diseño clásico del coche de carreras de fórmula F1. El puesto de conducción integrado de fibra de carbono hace que el vehículo sea más rígido. El techo, el habitáculo y el chasis están diseñados con fibra de carbono. El vehículo es más rígido y la respuesta a la carretera es más realista. , más positivo. La gran superficie de material de ante hace eco del material de fibra de carbono expuesto. La consola central está equipada con un volante rectangular redondeado. Hay una pantalla LCD en el medio del volante para mostrar información básica sobre el vehículo. Las dos pantallas LCD flotantes están inclinadas en diferentes ángulos. Del lado del conductor, el asiento de carreras integrado de fibra de carbono es liviano y también puede brindar una mejor envoltura y soporte al conductor.

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Reciclaje de fibra de carbono

Los materiales compuestos de fibra de carbono son cada vez más populares y su uso aumenta año tras año. El reciclaje de estos materiales sigue siendo difícil, pero sigue siendo necesario a nivel europeo por razones medioambientales, económicas y legislativas. En IMT Mines Albi, los investigadores estudian la pirólisis con vapor para recuperar fibras de carbono.

El proceso desarrollado por los investigadores de Albi se denomina "pirólisis con vapor" y combina estos dos procesos. Actualmente, avanzar hacia la reutilización a gran escala de la fibra de carbono es una de las soluciones más prometedoras del mundo. Aparte de Albi, sólo unos pocos centros de investigación en el mundo trabajan en este tema (principalmente en Japón, China y Corea del Sur).

La forma más sencilla de reutilizar la fibra de carbono es extender los haces de fibras interconectados sobre una superficie plana y reutilizarlos de esta forma como fieltro de carbono. Por lo tanto, se utilizarán para fabricar compuestos para piezas decorativas en lugar de piezas estructurales. El tamaño de las fibras recicladas también se puede reducir aún más para que sirvan como refuerzo para las partículas de polímero.

Cortar y remodelar también es un método de reciclaje común para las resinas termoplásticas. Cuando el grado de orientación de las fibras es similar, el contenido en volumen de fibra de carbono es el factor principal que afecta las propiedades mecánicas del material compuesto reciclado. El valor del módulo del material compuesto reforzado con fibra de carbono reciclada depende principalmente de la longitud de la fibra de carbono, y el valor de resistencia depende de la fibra y la resina. calidad de la impregnación. A través de la optimización industrial, el método de corte y remodelación puede lograr un reciclaje repetido y de bajo costo de materiales compuestos de fibra de carbono, lo que puede cumplir con la aplicación de materiales compuestos de fibra de carbono en campos civiles en general. Recientemente, además del campo aeroespacial, los materiales compuestos termoplásticos reforzados con fibra de carbono continua también se han utilizado gradualmente en dispositivos médicos quirúrgicos ortopédicos, aparatos electrónicos, industrias de alta gama y otros campos.

Artículo de internet.