Fabricarea fibrei de carbon începe rareori cu carbon: cel mai adesea se pornește de la un fir de polimer acrilic, poliacrilonitrilul (PAN), încălzit mai întâi în aer la aproximativ 180–300 °C, apoi la peste 1.000 °C fără oxigen. Firul pierde aproape tot ce nu este carbon și devine un filament de carbon. Filamentele sunt apoi grupate în fascicule, țesute, impregnate cu rășină și întărite într-o matriță. Iată fiecare etapă, explicată simplu.
Modelul încrucișat pe care îl vedeți pe o husă din fibră de carbon țesută este rezultatul vizibil al întregului lanț: mii de filamente grupate în fascicule, întrețesute și apoi fixate într-o rășină transparentă.
Pe scurt
- Majoritatea fibrelor de carbon provin dintr-un fir de PAN, stabilizat în aer și apoi carbonizat în gaz inert.
- Temperatura de carbonizare stabilește tipul de fibră: rezistență ridicată la circa 1.200–1.400 °C, modul ridicat până la 3.000 °C.
- O piesă rigidă apare doar cu rășina: țesătură sau preimpregnat, matriță, apoi întărire în vid sau în autoclav.
Din ce se fabrică fibra de carbon?
Carbonul pur nu poate fi filat: nu se topește la presiune normală și nu se dizolvă. Pentru a obține un filament de carbon, se fabrică mai întâi un filament dintr-un alt material, numit precursor, apoi se elimină prin căldură tot ce nu este carbon, fără ca firul să-și piardă forma.
Literatura tehnică descrie trei precursori: poliacrilonitrilul (PAN), fibrele de viscoză (raion) și smoala, un reziduu din petrol sau cărbune. Acest dosar urmează PAN, calea descrisă pentru fibrele cu rezistență ridicată și modul ridicat, care oferă un randament bun în carbon: potrivit cursului Indian Institute of Technology publicat pe NPTEL, precursorii PAN dau un randament în carbon de 50–55 %. Cu alte cuvinte, aproximativ jumătate din masa firului inițial se pierde sub formă de gaze în timpul fabricării.
PAN este un polimer apropiat de cel al textilelor acrilice. Este filat în mii de filamente continue, întinse pentru a alinia moleculele lungi de-a lungul axei firului. Această aliniere contează: ea va da mai târziu fibrei de carbon rigiditatea pe lungime.
Cum devine un fir acrilic carbon?
Transformarea are loc în flux continuu: fasciculele trec printr-o serie de cuptoare cu temperaturi crescătoare. Se disting trei etape.
1. Stabilizarea (sau oxidarea)
Firul de PAN este încălzit mai întâi în aer, la aproximativ 180–300 °C. Moleculele se reorganizează și fixează oxigen: firul se înegrește și, mai ales, devine infuzibil. Fără această etapă, s-ar topi sau ar arde în cuptoarele următoare. Reacția degajă căldură, așa că temperatura trebuie să crească lent pentru a evita ca reacția să scape de sub control.
2. Carbonizarea
Firul stabilizat intră apoi în cuptoare umplute cu gaz inert, fără oxigen: așadar nu poate arde. Același curs NPTEL descrie două zone: până la 600 °C, o încălzire foarte lentă (sub 5 °C pe minut), apoi de la 600 la 1.300 °C, unde încălzirea poate fi mai rapidă. Hidrogenul, azotul și oxigenul se elimină sub formă de gaze, iar atomii de carbon rămași se aranjează în straturi asemănătoare celor ale grafitului.
3. Grafitizarea (pentru anumite fibre)
Pentru fibre și mai rigide, temperatura este urcată până la aproximativ 3.000 °C, sub tensiune și tot în gaz inert. Peste 2.000 °C, azotul nu mai este folosit ca gaz de protecție, deoarece ar reacționa cu carbonul: se folosesc alte gaze inerte.
Temperatura finală decide tipul de fibră obținut:
| Tip de fibră | Temperatura de tratament | Conținut de carbon |
|---|---|---|
| Rezistență ridicată | 1.200–1.400 °C | 92–96 % |
| Modul ridicat | 1.800–2.500 °C | circa 99 % |
| Modul foarte ridicat | 2.800–3.000 °C | circa 99 % |
Sursă: NPTEL, „Manufacturing of Carbon Fibres from PAN Precursors”. Cu cât fibra este mai rigidă („modul ridicat”), cu atât necesită mai multă energie, ceea ce explică în parte diferența de cost dintre categorii.
De ce se tratează suprafața fibrei și de ce se aplică un strat de protecție?
La ieșirea din cuptoare, fibra de carbon este foarte netedă și puțin reactivă chimic. Totuși, este utilă doar legată într-o rășină. Două operații pregătesc această legătură.
Tratamentul de suprafață. Producătorul japonez Toray explică în ghidul său de selecție a fibrelor de carbon că acest tratament „adaugă grupări funcționale cu oxigen și corodează ușor suprafața fibrei”. Astfel, rășina aderă mai bine la filament.
Stratul de protecție (sizing). Se aplică apoi un strat protector foarte subțire, numit sizing, ales pentru a fi compatibil cu rășina care va fi folosită: epoxidică, poliesterică, vinilesterică… Sizing-ul protejează și filamentele în timpul țesutului. Toray precizează că un strat subțire face fasciculul mai ușor de întins, în timp ce un strat mai gros protejează mai bine fibra la manipulările solicitante.
În final, fibra este înfășurată pe bobine. În această etapă este încă doar un fir negru și flexibil, care poate fi îndoit: rigiditatea va veni de la rășină.
Ce înseamnă 3K, 12K și „twill”?
De la filamente la fascicule
Un fascicul de carbon (numit și „tow”) reunește mii de filamente paralele. Numărul urmat de K indică numărul lor în mii: un fascicul 3K are 3.000 de filamente, unul 12K are 12.000. Ghidul Toray prezintă, de exemplu, fibra sa T300 în variante de 1.000, 3.000 și 6.000 de filamente pe fascicul și clasifică fasciculele de 1.000 până la 6.000 de filamente drept „fascicule mici”; fasciculele standard produse în Statele Unite au 12.000, 24.000 sau 36.000 de filamente.
Fasciculele mici dau o țesătură fină și regulată, cea pe care o vedeți pe piesele aparente. Fasciculele mari se pretează mai mult pieselor industriale, unde modelul rămâne rareori vizibil.
De la fascicule la țesătură
Fasciculele sunt apoi țesute pe războaie de țesut, ca un textil. Documentul „Prepreg Technology” al Hexcel, producător de compozite pentru aeronautică, descrie principalele tipuri de legare:
- Pânză (plain): unul deasupra, unul dedesubt, ca o tablă de șah. Țesătură stabilă, dar care urmează greu formele curbe.
- Diagonal (twill, 2/1, 3/1 sau 2/2): fiecare fascicul trece peste alte două sau trei, ceea ce desenează liniile oblice tipice carbonului. Un compromis mediu între stabilitate și capacitatea de a urma curbele.
- Satin: foarte puține încrucișări, țesătură suplă care urmează bine formele complexe.
Există și straturi unidirecționale, în care toate fibrele merg în același sens, folosite când o piesă lucrează mai ales într-o singură direcție. Modelul de carbon „clasic”, cel care își schimbă aspectul în funcție de lumină, corespunde cel mai adesea țesăturii diagonale (twill). Este, de altfel, unul dintre indiciile descrise în ghidul nostru pentru a deosebi fibra de carbon autentică de o imitație.
Cum devine țesătura o piesă rigidă?
O țesătură de carbon singură este flexibilă. Pentru a obține o piesă, ea este combinată cu o rășină (cel mai adesea epoxidică) care, odată întărită, ține fibrele pe loc și le transmite eforturile. Acest cuplu fibră plus rășină se numește compozit.
Preimpregnatul
În industrie, țesătura este livrată adesea deja impregnată cu o cantitate precisă de rășină: acesta este preimpregnatul (prepreg). Hexcel indică faptul că se păstrează la congelator, la −18 °C, de regulă 12 luni, și că o rolă poate necesita până la 48 de ore pentru a reveni la temperatura camerei înainte de deschidere. Potrivit aceluiași document, compozitele din preimpregnat de carbon ating aproximativ 60 % fibre în volum.
Stratificarea, punga de vid și întărirea
Straturile de preimpregnat sunt tăiate și suprapuse într-o matriță, uneori alternând orientarea fibrelor: aceasta este stratificarea. Ansamblul este acoperit cu folii tehnice și o pungă, apoi aerul este aspirat. Vidul presează straturile unele de altele cu o presiune de cel mult 1 bar, iar piesa este întărită în cuptor. Pentru piesele cele mai pretențioase, cuptorul este înlocuit cu un autoclav, o incintă care adaugă presiune: schema Hexcel arată presiuni de 1 până la 10 bari.
Rășinile epoxidice pentru preimpregnat se întăresc de obicei la 120 °C sau la 180 °C. Hexcel asociază primei o temperatură de utilizare de aproximativ 100 °C, iar celei de-a doua de 130–155 °C. După răcire și demulare, piesa este ajustată, șlefuită dacă este nevoie și eventual lăcuită.
Sfatul Fibernium: la un accesoriu, pentru dumneavoastră nu contează numele procedeului, ci rezultatul vizibil. O țesătură de carbon autentică are adâncime și reflexii care se mișcă atunci când înclinați obiectul; un model imprimat rămâne plat. Priviți piesa în lumină razantă înainte de a vă decide.
Carbonul forjat se fabrică la fel?
Fibra în sine este aceeași: iese din aceleași cuptoare. Se schimbă modelarea. În locul unei țesături cu fascicule bine aliniate, carbonul forjat folosește fibre scurte sau fragmente dispuse aleatoriu, amestecate cu rășină și presate într-o matriță. Modelul marmorat se naște din această dispunere aleatorie, așa că nu există două piese identice. Detaliem diferențele de aspect și de utilizare în articolul nostru carbon forjat sau fibră de carbon țesută.
Pentru istoria carbonului, de pe circuite până la obiectele de zi cu zi, citiți de pe circuit în buzunarul dumneavoastră.
Acest dosar descrie procedeul general din industrie. Pe paginile noastre de produs descriem materialul fiecărui produs: FIBRE este o placă autentică de fibră de carbon țesută, FORGE și BRUTE sunt din carbon forjat autentic, MAILLE combină carbon și aramidă. Finisările GIVRE și HYBRIDE, din gama „Style carbone”, sunt din fibră de sticlă, nu din carbon. Unde găsiți aceste materiale:
- Husele din fibră de carbon țesută
- Husele din carbon forjat
- Husele din carbon colorat
- Clipsurile pentru bancnote din carbon
Întrebări frecvente
Fibra de carbon este carbon pur?
Aproape. Potrivit cursului NPTEL, fibrele cu rezistență ridicată conțin 92–96 % carbon, iar cele cu modul ridicat aproximativ 99 %. O piesă finită este însă un compozit: conține și rășină.
De ce este scumpă producția fibrei de carbon?
Procesul înlănțuie mai multe cuptoare la temperatură ridicată, în gaz inert, cu o stabilizare lentă. Aproximativ jumătate din masa precursorului PAN se pierde pe parcurs. Apoi mai trebuie țesută, impregnată, modelată și întărită.
Ce înseamnă 3K pe o țesătură de carbon?
Că fiecare fascicul al țesăturii reunește 3.000 de filamente. Un fascicul 12K conține 12.000. Numărul spune ceva despre finețea țesăturii, nu despre calitatea fibrei.
Ce este un autoclav?
O incintă încălzită și presurizată în care se întăresc piesele compozite puse sub vid. Presiunea suplimentară presează mai bine straturile și reduce bulele, ceea ce este util mai ales pentru piesele groase sau cu multă fibră.
Acesta este procedeul folosit pentru husele Fibernium?
Acest dosar descrie fabricarea generală a fibrei de carbon și a compozitelor. Paginile de produs indică materialul fiecărei huse; ele nu detaliază procedeul industrial, așa că nu afirmăm nimic în această privință aici.