¿Qué es la fibra de carbono?
La fibra de carbono se fabrica a partir de fibras de matriz orgánica (como viscosa, poliacrilonitrilo o asfalto) mediante el método de pirólisis bajo gas inerte a una temperatura de 1000 a 3000 grados. El resultado es que se eliminan todos los elementos excepto el carbono. La fibra de carbono también es un material nuevo con excelentes propiedades mecánicas. Su gravedad específica es inferior a 1/4 de la del acero. La resistencia a la tracción de los materiales compuestos de resina de fibra de carbono es generalmente superior a 3500 Mpa, que es de 7 a 9 veces mayor que la del acero. El módulo elástico es de 23000 ~ 43000Mpa y también es más alto que el del acero. Por lo tanto, la resistencia específica del CFRP, es decir, la relación entre la resistencia del material y su densidad, puede alcanzar más de 2000 Mpa/(g/cm3), mientras que la resistencia específica del acero A3 es sólo de aproximadamente 59 Mpa/(g/ cm3), y su módulo específico también es mayor que el del acero. Cuanto mayor es la resistencia específica del material, menor es el peso propio del componente y cuanto mayor es el módulo específico, mayor es la rigidez del componente. En este sentido, se han indicado las amplias perspectivas de aplicación de la fibra de carbono en ingeniería. Al observar una variedad de materiales compuestos emergentes (como debido a las excelentes propiedades de los materiales compuestos poliméricos, los materiales compuestos de matriz metálica y los materiales compuestos de matriz cerámica), muchas personas predicen que los seres humanos están entrando en una era de aplicación generalizada de materiales compuestos. desde la era del acero en términos de aplicación de materiales.
El desarrollo y aplicación de la fibra de carbono se remonta al filamento de carbono en 1850. Desde entonces, la investigación y la aplicación han estado estancadas. Hasta la década de 1950, con el desarrollo de la tecnología industrial y. los requisitos de la industria militar, el desarrollo de la fibra de carbono La investigación, el desarrollo y la producción han resuelto sucesivamente el proceso de producción industrial de selección de seda cruda y carbonización a alta temperatura, llevando la aplicación de la fibra de carbono a una nueva etapa. Primero, se utilizó en campos militares como el aeroespacial y el aeroespacial, y gradualmente se expandió a industrias civiles avanzadas. Sin embargo, su uso real en el refuerzo estructural de proyectos de construcción solo se ha producido en los últimos diez años.
La fibra de carbono y la fibra de grafito generalmente se denominan fibra de carbono y el contenido de carbono es superior al 95%. Sin embargo, el elemento de carbono solo se puede fundir a alta temperatura y alta presión. fibra de carbono directamente del elemento de carbono En teoría, cualquier fibra orgánica se puede convertir en fibras de carbono después de la carbonización. De hecho, las únicas fibras crudas con importancia industrial actualmente son la fibra de poliacrilonitrilo (PAN) y las fibras de carbono mesofásicas. utiliza principalmente fibra de poliacrilonitrilo como materia prima, que se somete a carbonización a alta temperatura, etc. Se utiliza tecnología especial para procesar filamentos de fibra extremadamente finos (diámetro 5 ~ 10 μm), lo que mejora la resistencia del filamento único y aumenta en gran medida el área de superficie de Una cierta cantidad de fibra, que favorece más el fortalecimiento de la unión con el pegamento de resina.
En el pasado, uno de los factores que restringía la aplicación de la tecnología de refuerzo de fibra de carbono era el precio de los filamentos en bruto y los productos terminados. Cuando se desarrolló con éxito por primera vez, el precio de los filamentos en bruto de fibra de carbono por kilogramo. era más de 1.000 dólares estadounidenses, pero ahora ha caído a menos de 30 dólares estadounidenses. fibra de carbono Los países con la mayor producción de seda cruda siguen siendo Japón y Estados Unidos, mientras que los productos de tela de fibra de carbono que ingresan al mercado de China continental incluyen productos de China continental; Japón, Francia, Suiza, Taiwán y otros lugares también han comenzado a ingresar al mercado telas nacionales de fibra de carbono procesadas y tejidas con seda cruda importada, la competencia en el mercado es cada vez más feroz y los precios están bajando gradualmente.
Aplicación: Las principales aplicaciones de los productos de fibra de carbono en ingeniería civil incluyen telas de fibra, tableros de fibra, varillas, perfiles, fibras cortas, etc. Cada uno tiene un ámbito de uso diferente, y el uso más amplio y común. en los proyectos de refuerzo actuales sigue siendo tela de fibra de carbono (lámina). Las especificaciones comúnmente utilizadas de la tela de fibra de carbono son 200 g/m2 y 300 g/m2, y el espesor es de 0,111 mm y 0,167 mm respectivamente. Generalmente es de 1,2 a 1,4 mm, que se compone de 3 a 4 capas de tela de fibra de carbono a través de resina. Se fabrica mediante impregnación y solidificación y se utiliza principalmente para reforzar vigas y tableros. Las estructuras reforzadas con tableros de fibra tienen formas regulares y. Construcción simple, sin embargo, el precio unitario de las materias primas es alto y aún no es popular en China.
Los indicadores más importantes de la tela de fibra de carbono de alto rendimiento siguen siendo su resistencia, módulo elástico y alargamiento a la rotura. Generalmente, la resistencia a la tracción es superior a 3500 Mpa, el módulo elástico es superior a 230000 Mpa y el. el alargamiento es del 1,4% o más, el refuerzo estructural utiliza principalmente las propiedades de alta resistencia a la tracción de la fibra de carbono, que se usa ampliamente para el refuerzo de nodos de vigas, placas, columnas y marcos de estructuras de hormigón armado. También es muy adecuado para la reparación, refuerzo y restauración de edificios antiguos o estructuras de mampostería y mejorar la capacidad de carga y la resistencia a las grietas de la estructura, existen numerosos ejemplos de aplicación exitosos en el país y en el extranjero. Después del Gran Terremoto de Itami en Japón y el Gran Terremoto de Taiwán en 1995, se ha seguido desarrollando y confirmando el estatus de la fibra de carbono como material y tecnología de refuerzo sísmico.
En los últimos años, muchas instituciones nacionales de educación superior, departamentos de investigación científica e importantes institutos de diseño han participado en la aplicación e investigación de la fibra de carbono. En la actualidad, el país no ha promulgado especificaciones formales de diseño y construcción. El Ministerio de la Construcción ha determinado que entre los proyectos de investigación se han incluido temas como "Investigación sobre el refuerzo y reparación de puentes urbanos utilizando materiales compuestos reforzados con fibra (PRFV)" y "Nuevas tecnologías para estructuras de hormigón armado con fibra de carbono". La investigación sobre la aplicación de la fibra de carbono ha recibido atención nacional.
Estructura: Para miembros de flexión, se pega tela de fibra de carbono en el área de tensión para complementar la falta de barras de acero. Se adhiere a ambos lados de la viga para mejorar la resistencia al corte de la viga. Envuelto alrededor del exterior de la columna de concreto para restringirla. La deformación lateral del concreto puede aumentar la capacidad de carga de la columna y la relación de compresión axial de la columna. Los nodos envueltos alrededor de las armaduras pueden fortalecer los nodos en su conjunto. El número de capas de tela de fibra de carbono se puede determinar mediante cálculo. Teniendo en cuenta el coeficiente de trabajo único de cada capa, la capacidad de resistir la fatiga y evitar daños por fragilidad, generalmente se recomienda no utilizar más de 5 capas; Desde la perspectiva del rendimiento mecánico, una sola capa es mejor que varias capas. El ancho estrecho es mejor que el ancho ancho. Cuando sea necesario, se puede realizar una superposición longitudinal y la longitud de la superposición no debe ser inferior a 100 mm para garantizar un anclaje confiable de los extremos de fibra de carbono. , además de cumplir los requisitos de cálculo, también deberían tomarse las medidas estructurales necesarias.
Pegado: el rendimiento del adhesivo y el proceso de pegado garantizan que el componente reforzado y la tela de fibra de carbono soporten la misma fuerza. Se requiere que el adhesivo tenga una alta unión entre la interfaz pegada y la tela de fibra de carbono. La fuerza y resistencia, resistencia a la tracción, resistencia a la compresión y especialmente la resistencia al corte del adhesivo deben ser mucho mayores que la resistencia correspondiente del hormigón. El aglutinante debe tener buena permeabilidad y compatibilidad con la interfaz y la tela de fibra de carbono, y ser resistente al impacto. -resistente y duradero Tiene excelentes propiedades como fatiga y antienvejecimiento, por lo que se deben utilizar adhesivos especiales;
La tecnología de construcción perfecta es un factor importante en el efecto de refuerzo. Los principales requisitos son: limpieza, reparar y nivelar la superficie a adherir. La superficie a pegar debe estar seca y resistente a la humedad; use herramientas especiales para aplicar un aglutinante con alta viscosidad y enrolle la tela de fibra de carbono de manera adecuada para que el aglutinante quede completamente sumergido; el monofilamento elimina las burbujas y no permite la separación, hilos aleatorios, pliegues y torsiones. La tecnología perfecta y los trabajadores bien capacitados pueden lograr un área de pegado efectiva de más del 99%, de modo que el rendimiento del carbono. la fibra realmente puede entrar en juego.
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