El futur augment de la capacitat de producció de fibra de carboni termoplàstica beneficiarà a quines indústries?
El desenvolupament de la indústria dels materials té una història de més de cent anys, durant els quals han sorgit nous materials caracteritzats per un pes lleuger, una gran resistència i una rigidesa que han guanyat popularitat en diversos camps i indústries. Això inclou materials anteriors com la fibra de vidre, així com la fibra de carboni i la fibra d'aramida actuals. Aquestes fibres d'alt rendiment es poden combinar amb diferents materials de matriu per crear materials compostos que tinguin una forma més estable, tinguin un millor rendiment i ofereixin un processament més eficient. Aquest article parla dels compostos de fibra de carboni termoplàstics actuals. Tanmateix, a hores d'ara, la capacitat de producció global d'aquest tipus de material compost segueix sent escassa. Per aconseguir aplicacions diversificades, millorar els nivells tecnològics i la capacitat de producció és un tema urgent que cal abordar. Suposant que es produeixin futurs avenços en colls d'ampolla tecnològics, quines indústries es beneficiaran d'un augment de la capacitat de producció de compostos termoplàstics de fibra de carboni?
La importància i les limitacions dels compostos termoplàstics de fibra de carboni
Els compostos termoplàstics de fibra de carboni sovint es comparen amb els compostos de fibra de carboni termoestables, els compostos de fibra de vidre i els compostos de fibra d'aramida. Alguns estudis suggereixen que els compostos de fibra de carboni termoestables presenten una rigidesa més alta, mentre que els compostos de fibra d'aramida ofereixen una millor duresa. Tanmateix, certs compostos termoplàstics de fibra de carboni superen els seus homòlegs termoestables en termes de rendiment, com els compostos continus de polièter etèter (CF/PEEK) reforçat amb fibra de carboni. De fet, els avantatges de les fibres de carboni termoplàstiques s'estenen més enllà de les propietats mecàniques; també demostren beneficis en aspectes com la preparació, el processament i el reciclatge.
A causa del ràpid processament i reciclabilitat dels materials termoplàstics, els compostos termoplàstics reforçats amb fibra s'utilitzen cada cop més a les indústries aeroespacial, automoció, construcció i química. La capacitat de fondre materials termoplàstics i els seus compostos reforçats amb fibra permet la remanufactura de components en nous productes, la qual cosa és un avantatge significatiu en comparació amb els polímers termoestables i els seus compostos reforçats amb fibra. Tanmateix, a causa de la mala adhesió interfacial entre les fibres de carboni i la matriu termoplàstica, s'han utilitzat diversos tractaments superficials, com ara mètodes químics, de plasma i electroquímics, per introduir grups funcionals superficials i millorar l'enllaç interfacial. Mitjançant processos de fabricació com l'emmotllament per injecció, l'emmotllament per compressió i l'extrusió, els compostos termoplàstics reforçats amb fibra de carboni s'han produït en diversos components lleugers que presenten una gran resistència a l'impacte, reparabilitat i reciclabilitat.
Tot i que els compostos termoplàstics de fibra de carboni i els seus components corresponents tenen inherentment avantatges, també tenen certes limitacions, com ara la baixa tensió en cintes de fibra de carboni unidireccionals i l'impacte negatiu dels dissolvents residuals en el rendiment final. S'han utilitzat capes fines híbrides, angles i estructures de capes corrugades per ampliar la tensió de fallada per tracció, entre altres enfocaments. Abans que la tecnologia maduri, l'aplicació generalitzada de compostos termoplàstics de fibra de carboni requerirà una investigació i experimentació substancials.
Quines són les direccions d'aplicació prometedores de les fibres de carboni termoplàstiques actualment?
La investigació sobre compostos termoplàstics de fibra de carboni ha estat en curs, però actualment s'enfronta a colls d'ampolla. L'estat fos a alta temperatura de les resines termoplàstiques no pot mullar de manera eficient els paquets de fibra de carboni, cosa que provoca una distribució desigual dins dels preimpregnats de fibra de carboni termoplàstics preparats i redueix significativament els nivells de rendiment. A més, el processament posterior de preimpregnats de fibra de carboni termoplàstic també es troba amb diversos reptes. Només abordant aquests problemes més indústries es poden beneficiar d'aquests materials.
1.Aeroespacial: L'ús de compostos de fibra de carboni a les aeronaus va començar amb estructures auxiliars com ara alerons, pestanyes d'acabat i timons. Els plàstics reforçats amb fibra de carboni (CFRP) presenten excel·lents propietats mecàniques, incloses relacions de resistència a pes elevades i proporcions elevades de rigidesa a pes. Amb els avenços tecnològics, el rendiment de les fibres i les matrius ha millorat significativament, millorant el rendiment dels laminats i permetent que aquests materials s'utilitzin en estructures principals d'avions com fuselatges, estabilitzadors verticals, caixes de cua i ales, substituint els aliatges metàl·lics lleugers tradicionals. Les fibres de carboni termoplàstiques poden substituir algunes fibres de carboni termoestables, proporcionant un millor rendiment per a aquests components.
2. Energia eòlica: Segons el Global Wind Energy Council, la capacitat total instal·lada d'energia eòlica a tot el món va assolir aproximadament 743 gigawatts el 2020, amb un augment del 53% en la capacitat d'energia eòlica de nova instal·lació, amb un total de 93 gigawatts. A les pales de les turbines eòliques, la fibra de carboni té un avantatge diferent sobre la fibra de vidre, oferint un mòdul de tracció específic més alt, una resistència específica a la tracció més alta i una millor resistència a la fatiga. El consum de fibra de carboni a les estructures d'aerogeneradors ha augmentat d'unes 800 tones el 2004 a més de 30 tones el 2021, i s'espera que superi les 81 tones el 2025. Els compostos termoplàstics de fibra de carboni també es poden aplicar àmpliament als equips d'energia eòlica en creixement. sector.
3.Fabricació d'automòbilsDurant l'última dècada, els estàndards globals d'emissions d'automòbils més estrictes i el ràpid creixement dels vehicles elèctrics han impulsat la indústria a reintroduir la fibra de carboni per reduir el pes. L'ús de materials lleugers com els compostos CFRP en estructures d'automoció és el mètode més directe per aconseguir la reducció de pes. El consum de fibra de carboni va experimentar un augment significatiu el 2013, amb una tendència continuada a l'alça. El 2021, la demanda de fibra de carboni va ser de 9,5 tones, i s'espera que superi les 12,6 tones el 2024. La Xina és el centre de fabricació més gran de vehicles elèctrics i també el mercat final més gran. L'aplicació de fibra de carboni termoplàstica als automòbils pot proporcionar un rendiment d'acceleració més fort alhora que ofereix una millor protecció de seguretat.
4. Recipients a pressió: Els contenidors d'emmagatzematge de gas d'alta pressió són un dels mercats més grans i de més ràpid creixement per als compostos avançats, especialment els compostos de fibra de carboni enrotllats amb filaments. A causa de l'excel·lent resistència a la fatiga dels compostos de fibra de carboni, la vida útil dels recipients a pressió composts CFRP tipus III i IV pot arribar fins a 30 anys. El dipòsit sense revestiment compost de fibra de carboni tipus V es va fabricar per primera vegada el 2012 per emmagatzemar argó en components de satèl·lit. Una aplicació de les cintes unidireccionals compostes de fibra de carboni termoplàstica és la producció de recipients a pressió, que tenen un gran potencial de mercat per a l'emmagatzematge futur d'hidrogen, argó i altres gasos a alta pressió.
5.Esports: Els productes clau fets amb fibra de carboni inclouen pals de golf, canyes de pescar i raquetes de tennis. Des del 2010, l'ús de fibra de carboni en equipaments esportius i d'oci ha mostrat una tendència de creixement constant. El 2021, la quantitat de fibra de carboni utilitzada en els esports va assolir les impressionants 18,5 tones. Els pals de golf i les bicicletes representen les zones de major consum de fibra de carboni, representant el 27,6% i el 25,4% del consum total, respectivament. S'espera que els articles esportius fets amb compostos de fibra de carboni termoplàstics portin els esports competitius a nous límits, mentre que les millores en la capacitat de producció continuaran rebaixant els preus d'aquests articles esportius, fent-los més accessibles a la vida quotidiana.
El reciclatge dels productes de fibra de carboni rebutjats és urgent i el procés d'implementació necessita millorar.
L'augment de la capacitat de producció de compostos termoplàstics de fibra de carboni pot impulsar un ràpid desenvolupament en la indústria de la fibra de carboni i promoure avenços en l'aeroespacial, l'energia eòlica, la fabricació d'automòbils, els recipients a pressió i altres sectors. Tanmateix, també s'enfrontarà a un repte important: com reciclar de manera eficient els productes de fibra de carboni termoplàstica danyats o rebutjats. Amb la baixa capacitat de producció actual de compostos i productes termoplàstics de fibra de carboni, es preveu que el 2025 el procés de fabricació pugui generar 20,000 tones de residus i peces de ferralla anuals. Si la capacitat de producció augmenta significativament en el futur, el volum d'aquests residus també augmentarà substancialment.
Des de matèries primeres fins a productes acabats, el procés de fabricació de compostos genera una gran quantitat de residus, incloses fibres/teixits secs, preimpregnats curats o no curats, retalls, mostres de prova i productes no aprovats. La taxa mitjana de ferralla per a la producció de compostos de fibra de carboni és d'aproximadament el 32,4%. Depenent dels processos de fabricació o camps d'aplicació, els mètodes de fabricació tradicionals com els processos d'autoclau a l'aeroespacial tenen taxes de ferralla que superen el 50%, mentre que la producció artesanal d'articles esportius té taxes de ferralla que oscil·len entre el 4% i el 8%. Per als processos de fabricació de compostos més moderns, les taxes de ferralla estan entre el 30% i el 50% per als processos d'emmotllament i compostos, del 5% al 10% per als processos de pultrusió i del 2% al 3% per als processos de bobinat de filaments.
