¿La fibra de carbono reemplazará principalmente al acero y al aluminio en los aviones, automóviles y barcos del futuro?

Answer 1

La fibra de carbono es una gran cosa cuando la relación fuerza / peso es una preocupación primordial: los autos de carrera son un ejemplo obvio. Muchas aplicaciones, sin embargo, funcionan bastante bien con un buen metal antiguo. La alta resistencia a la tracción de la fibra de carbono no siempre es muy importante. Tiene cero resistencia a la compresión o al cizallamiento, por lo que casi todas las aplicaciones de ingeniería requieren la fabricación de materiales compuestos. Eso hace que sea intrínsecamente más difícil trabajar de muchas maneras. (No se puede dar forma a los materiales compuestos con las mismas técnicas que se usan para los metales). Aparte de las limitaciones de capacidad de fabricación, existen varios inconvenientes de ingeniería genuinos que hacen que la fibra de carbono sea inútil para:
– Cualquier aplicación donde la conducción de calor sea importante, como los motores.
– Partes que requieren propiedades de material isotrópico (es decir, sin orientación o grano preferidos) como rodamientos de bolas
– Partes que deben rendir plásticamente sin romperse, como zonas de deformación en automóviles.
– Secciones que deben estar conectadas (soldadas) de manera permanente en el ensamblaje final de manera que se mantenga la resistencia total del material en toda la costura
– Aplicaciones de carga cíclica donde los compuestos son difíciles de estimar la vida útil de la fatiga.
– Formas complejas que deben ser fresadas de un blanco o fundición

Una buena ingeniería puede solucionar estos problemas, pero a un costo. Los metales son simples, familiares y fuertes; serán el material de elección para la mayoría de las aplicaciones en el futuro previsible. Las aplicaciones especiales son donde la fibra de carbono realmente puede brillar.

Answer 2

Buenas respuestas de todos a continuación, pero hay otro gran problema que hasta ahora no se ha mencionado. Hablando solo para mi propia industria, la construcción naval, y no es un problema con la fibra de carbono en sí, sino con el material con el que se combina.

La fibra de carbono se utiliza como parte de un plástico reforzado, y la broca de plástico es el resto. Hay muchos plásticos reforzados, acero en el cemento que se fabrica, fibra de vidrio en poliéster (fibra de vidrio, o más precisamente, PRFV, poliéster reforzado con vidrio) e incluso lignina fibrosa reforzada con celulosa, un plástico reforzado de origen natural que sobresale del Suelo en estructuras cilíndricas llamadas árboles.

Todas las resinas utilizadas, con la notable excepción del cemento, los poliésteres, los ésteres de vinilo y las epoxis, se queman. Y cuando se queman, producen una gran cantidad de humo tóxico.

La construcción naval comercial opera en un entorno reglamentario sólido con respecto a la prevención de incendios estructurales, las barreras contra el humo (SFP) y la supresión de incendios.

El aluminio también conlleva la ventaja de una alta relación resistencia / peso, como regla general, cuando se fabrica, un tercio del peso del acero y tres veces el costo. Esto lo convierte en un material excelente para embarcaciones de alta velocidad, como el gran ferry de alta velocidad en el que estoy involucrado actualmente, y SFP es un problema mayor que en el acero, pero aún es manejable.

Donde la fuerza y ​​las cualidades robustas son más importantes que la velocidad, como los remolcadores, los barcos de pesca comercial y similares, el acero sigue siendo el rey.

Estamos empezando a ver y dar la bienvenida a la fibra de carbono que se adentra en el mundo marino en estructuras secundarias, racks de equipos, mostradores, y usted creería, y este es uno grande, el eje de la hélice. Los ejes de conexión en el barco fuera de mi oficina entre los cuatro motores diesel de 16 cilindros, y los chorros de agua serán ejes huecos de fibra de carbono de aproximadamente un tercio de metro de diámetro, material excelente y mucho más livianos que los ejes tradicionales de acero inoxidable de alta resistencia. y menos propensos a fallas como el agrietamiento del núcleo.

Answer 3

El uso de polímeros reforzados con fibra de carbono se debe principalmente a una mayor relación fuerza / peso en comparación con los materiales tradicionales y actualmente no es un problema en las aplicaciones actuales de alto rendimiento, como los productos aeroespaciales, militares y de alto rendimiento (es decir, autos de carrera, barcos, etc.). Rotores de centrífuga, etc). Sin embargo, estos materiales no son ideales para ciertas aplicaciones que Ryan Carlyle respondió anteriormente.

Sin embargo, para que la fibra de carbono sustituya a más materiales básicos, es necesario que ocurran algunas cosas y actualmente están siendo investigadas por la industria y la academia.

1) Hacer la fibra de carbono más barata.

La mayor parte de la fibra de carbono de alto rendimiento se sintetiza a través de la oxidación y carbonización del poliaronitrilo y luego se usa en consecuencia (normalmente debe ser tejido o alineado). Se está explorando la biomasa barata, como la celulosa, la quitina y la lignina, para obtener un mejor rendimiento de la fibra de carbono y los polímeros sintéticos de bajo costo.

2) Hacer el CFRP reciclable.

Los polímeros termoestables tradicionales utilizados para el moldeado compuesto de fibra continua, como los poliuretanos y las resinas epoxi, no se degradan fácilmente una vez que se fijan y no se pueden volver a procesar como un termoplástico tradicional. Compañías como Connora Technologies y grupos de investigación académica (incluyéndome a mí mismo) están trabajando actualmente en formas de despolimerizar selectivamente los termoestables para que los rellenos se puedan recuperar y reciclar.

Por último, busque nuevos materiales, como los condensadores estructurales, donde los materiales estructurales tradicionales pueden reemplazarse por algo más ligero que también puede almacenar grandes cantidades de energía para aplicaciones de energía pulsada. Piense en convertir toda la potencia de ruptura en un automóvil a la energía almacenada en un condensador y luego usar esa energía para volver a arrancar el automóvil sin tener que tirar de una batería. Creo que quizás en los próximos 5 a 10 años, esto también será comercial en los autos eléctricos de gama alta para mitigar los problemas de alcance con las baterías de iones de litio actuales.

Answer 4

La fibra de carbono es realmente una gran cosa. Soy un gran fanático. Diseño y hago cosas la mayoría de los días.

Sin embargo, hay que apreciar que, si bien es fuerte, ligero y rígido, también es anisotrópico, quebradizo y se desgasta fácilmente. Tampoco hace calor. Por eso también uso metales, cerámicas y termoplásticos, así como materiales naturales, porque hacen algunas cosas mejor. Por ejemplo, podría hacer una pieza de alto rendimiento que funcione mejor en plástico de baja densidad que en carbono. A veces simplemente no necesitas o quieres la rigidez y la resistencia de la fibra de carbono; bajo peso podría ser más importante.

Es un poco como decir que ‘la guitarra líder es el mejor instrumento de una banda. Hagamos una banda de guitarristas principales. No funciona así. Necesitas diferentes instrumentos para hacer diferentes trabajos para hacer música. Diferentes materiales hacen diferentes trabajos. El carbono es fuerte y rígido, pero hay materiales de menor densidad, materiales más fuertes por volumen, especialmente si las fuerzas se aplican en muchas direcciones, materiales más duros, materiales más resistentes, materiales más refractarios, etc., etc.

Es posible que encuentre que el carbono se usa más de lo que lo hace hoy, ya que los precios bajan y la producción aumenta, pero seguirá habiendo necesidad de otros metales porque, aparte del precio, los desafíos de la orientación óptima de las fibras y la construcción de autoclaves y hornos. lo suficientemente grande como para hacer cosas como los barcos, es posible que desee que las cualidades de la fibra de carbono no sean óptimas.

Answer 5

Solía ​​pensar que era un material fantástico.
Y es para algunas cosas, pero no para todo.

La razón principal por la que no se utilizará [para todo] en el futuro es porque no es reciclable en absoluto. No puedes separar fácilmente las fibras de la matriz. Incluso si puede recuperar las fibras disolviendo la resina con solventes agresivos, no puede recuperar esa resina. Por eso no es un material ecológico. Y esa es la dirección que están tomando muchas personas y productos.

Solía ​​alquilar bicicletas de fibra de carbono. Tuve una docena de ellos. Y vi que cuando se rompieron, ¿qué haces con ellos? Los arrojas directamente en la papelera. Eso no es muy sostenible, ¿verdad?

Answer 6

La fibra de carbono ya se utiliza en la fabricación del avión deportivo ligero “Carbon Cub”.
Ver: http://www.cubcrafters.com