O que é fibra de carbono? O que torna essa "estrela dos materiais" tão boa?

Quando se trata de fibra de carbono, você pode já ter ouvido falar dela nas notícias - flechas de foguetes, carcaças de trens de alta velocidade, drones, carros de corrida e até raquetes de badminton de alta gama têm sua presença. Esse material cheio de "tecnologia avançada", afinal, o que é? Hoje, com palavras simples, vamos apresentar a você a "estrela do mundo dos materiais".

Fibra de carbono, essencialmente "super filamentos de carbono"

Simplificando, a fibra de carbono é um polímero inorgânico contendo 90% ou mais de carbono. Não é nem metal nem plástico, mas um "cristal de carbono" — um filamento preto formado por um processo especial de carbonização de fibras orgânicas (como poliacrilonitrila e alcatrão) em altas temperaturas, removendo impurezas.

Aparição: com apenas 5-10 mícrons de diâmetro (cerca de 1/10 do fio de cabelo), parece à vista desarmada um fio de algodão ou lã preta, mas ao toque é mais "rígido" que um arame de ferro.

Características: "Leve, resistente, durável, estável".

(1) A resistência é 7-9 vezes maior que a do aço, e a tenacidade é muito superior à da fibra de vidro;
(2) Densidade de apenas 1,7 g/cm³, mais leve que o alumínio (densidade do alumínio: 2,7 g/cm³)
(3) Resistência a altas temperaturas (não derrete acima de 2000 ℃), resistência à corrosão (não teme ácidos e bases), não condutivo (com tratamento especial pode se tornar condutivo).

Desempenho "liga/desliga": ridiculamente leve e surpreendentemente duro

A grandeza da fibra de carbono é totalmente "garantida" por três vantagens principais:

（1）Leve como uma pena, mas mais forte que o aço：

Densidade é de apenas 1,7-2,0 g/cm³ (1/4 da do aço, 2/3 da liga de alumínio), mas a resistência à tração pode atingir 3000-7000 MPa (mais de 10 vezes a do aço), e uma corda de fibra de carbono com espessura de um dedo pode levantar carros de várias toneladas.

（2）Rigidez extrema, estável como uma rocha:

O módulo de elasticidade (medida de rigidez) atinge 200-600 GPa, praticamente sem deformação sob força; ao ser usado como suporte de satélite, pode manter uma atitude precisa no espaço.

（3）Atributos "anti-deformação" totalmente ativados:

Alta resistência a temperaturas elevadas (em ambiente inerte suporta até 2000 ℃), resistência a ácidos e álcalis (no oceano não sofre corrosão por décadas), anti-fadiga (força repetida não quebra facilmente), diante disso, os metais têm de "reconhecer a derrota".

Por que a fibra de carbono é um "material estratégico nacional"?

A produção de fibra de carbono é extremamente difícil, e apenas alguns poucos países no mundo são capazes de produzir em larga escala fibra de carbono de alto desempenho (principalmente China, Japão e Estados Unidos). Ela não é apenas a "pedra angular" da manufatura de alta tecnologia, mas também está relacionada a áreas essenciais como aeroespacial e segurança de defesa.

Por exemplo, no setor militar, a fibra de carbono pode ser usada para fabricar a fuselagem de caças furtivos (absorção de ondas), corpos de mísseis (leveza para aumentar o alcance); no campo da nova energia, quanto mais longa for a lâmina da turbina eólica, maior será a eficiência na geração de energia, e somente a fibra de carbono pode suportar lâminas gigantes de nível de 100 metros.
Nos últimos anos, a indústria chinesa de fibras de carbono obteve avanços rápidos, passando da dependência de importações para a produção em massa independente, e até mesmo ocupando uma posição dominante no mercado global em algumas áreas (como energia eólica e artigos esportivos).

Como é feita a fibra de carbono?

A grandeza da fibra de carbono é totalmente "garantida" por três vantagens principais:

（1）Preparação do filamento primário

Materiais brutos como poliacrilonitrila (PAN) e piche, por meio do processo de fiação, produzem uma "seda bruta" (semelhante à fibra química). Este passo é fundamental, e a qualidade da seda bruta determina diretamente o desempenho da fibra de carbono (a China permaneceu "travada" nesse estágio por muito tempo).

（2）Carbonização

A seda bruta é aquecida gradualmente até 1.000-3.000 graus Celsius em um gás inerte (para evitar combustão), removendo elementos como hidrogênio e oxigênio, restando apenas as moléculas de carbono. Após este passo, o teor de carbono da fibra aumenta de 50% para mais de 90%, elevando drasticamente sua resistência e dureza.

（3）Processamento subsequente

Dependendo do aplicação , as fibras de carbono são tecidas em tecidos, enroladas em tubos ou combinadas com resinas, metais, etc., para produzir "compósitos de fibra de carbono" (como frequentemente chamamos de "placas de fibra de carbono" e "tubos de fibra de carbono").

【Conhecimento Frio sobre Fibra de Carbono】

P: Por que é preto?
R: As estruturas de grafite absorvem quase toda a luz visível.

P: Tem medo do fogo?
R: A oxidação começa a 400°C no ar, mas a cápsula utiliza isso como escudo térmico.

P: É reciclável?
R: A BMW tornou possível reciclar peças automotivas a partir de resíduos de fibra de carbono.