Acerca de la fibra de carbono
La fibra de carbono es un polímero que es un material muy fuerte que también es muy ligero. Las fibras de carbono tienen varias ventajas que incluyen alta rigidez, alta resistencia a la tracción, bajo peso, alta resistencia química, tolerancia a altas temperaturas y baja expansión térmica. La fibra de carbono es cinco veces más resistente que el acero y el doble de rígida. Aunque la fibra de carbono es más fuerte y rígida que el acero, es más liviana que el acero; lo que lo convierte en el material de fabricación ideal para muchas piezas. Las fibras de carbono generalmente se combinan con otros materiales para formar un compuesto.
Resumen
| Nombre |
Fibra de carbon |
| Fase en STP |
sólido |
| Densidad |
2000 kg / m3 |
| Resistencia a la tracción |
4000 MPa |
| Límite de elastacidad |
2500 MPa |
| Módulo de Young |
500 GPa |
| Dureza Brinell |
N / A |
| Punto de fusion |
3657 ° C |
| Conductividad térmica |
100 W / mK |
| Capacidad calorífica |
800 J / g K |
| Precio |
22 $ / kg |
Densidad de la fibra de carbono
Las densidades típicas de varias sustancias se encuentran a presión atmosférica. La densidad se define como la masa por unidad de volumen . Es una propiedad intensiva , que se define matemáticamente como masa dividida por volumen: ρ = m / V
En palabras, la densidad (ρ) de una sustancia es la masa total (m) de esa sustancia dividida por el volumen total (V) ocupado por esa sustancia. La unidad estándar del SI es kilogramos por metro cúbico ( kg / m 3 ). La unidad de inglés estándar es libras de masa por pie cúbico ( lbm / ft 3 ).
La densidad de la fibra de carbono es de 2000 kg / m 3 .
Ejemplo: densidad
Calcula la altura de un cubo hecho de fibra de carbono, que pesa una tonelada métrica.
Solución:
La densidad se define como la masa por unidad de volumen . Se define matemáticamente como masa dividida por volumen:
ρ = m / V
Como el volumen de un cubo es la tercera potencia de sus lados (V = a 3 ), la altura de este cubo se puede calcular:
La altura de este cubo es entonces a = 0,793 m .
Densidad de materiales
Propiedades mecánicas de la fibra de carbono
Resistencia de la fibra de carbono
En mecánica de materiales, la resistencia de un material es su capacidad para soportar una carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. La resistencia de los materiales básicamente considera la relación entre las cargas externas aplicadas a un material y la deformación resultante o cambio en las dimensiones del material. Al diseñar estructuras y máquinas, es importante considerar estos factores, a fin de que el material seleccionado tenga la resistencia adecuada para resistir las cargas o fuerzas aplicadas y conservar su forma original.
La resistencia de un material es su capacidad para soportar esta carga aplicada sin fallas ni deformaciones plásticas. Para la tensión de tracción, la capacidad de un material o estructura para soportar cargas que tienden a alargarse se conoce como resistencia máxima a la tracción (UTS). El límite elástico o límite elástico es la propiedad del material definida como el esfuerzo en el que un material comienza a deformarse plásticamente, mientras que el límite elástico es el punto donde comienza la deformación no lineal (elástica + plástica). En caso de tensión de tensión de una barra uniforme (curva tensión-deformación), la ley de Hooke describe el comportamiento de una barra en la región elástica. El módulo de elasticidad de Young es el módulo de elasticidad para esfuerzos de tracción y compresión en el régimen de elasticidad lineal de una deformación uniaxial y generalmente se evalúa mediante ensayos de tracción.
Ver también: Resistencia de los materiales
Máxima resistencia a la tracción de la fibra de carbono
La resistencia máxima a la tracción de la fibra de carbono es de 4000 MPa.
Límite de elastacidad de la fibra de carbono
El límite elástico de la fibra de carbono es de 2500 MPa.
Módulo de Young de la fibra de carbono
El módulo de Young de la fibra de carbono es de 500 MPa.
Dureza de la fibra de carbono
En la ciencia de los materiales, la dureza es la capacidad de resistir la hendidura de la superficie ( deformación plástica localizada ) y el rayado . La prueba de dureza Brinell es una de las pruebas de dureza por indentación, que se ha desarrollado para las pruebas de dureza. En las pruebas Brinell, se fuerza un penetrador esférico duro bajo una carga específica en la superficie del metal que se va a probar.
El número de dureza Brinell (HB) es la carga dividida por el área de la superficie de la muesca. El diámetro de la impresión se mide con un microscopio con una escala superpuesta. El número de dureza Brinell se calcula a partir de la ecuación:
La dureza Brinell de la fibra de carbono es aproximadamente N / A.
Ver también: dureza de materiales
Ejemplo: resistencia
Suponga una varilla de plástico, que está hecha de fibra de carbono. Esta varilla de plástico tiene un área de sección transversal de 1 cm 2 . Calcule la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción de este material, que es: UTS = 4000 MPa.
Solución:
La tensión (σ) se puede equiparar a la carga por unidad de área o la fuerza (F) aplicada por área de sección transversal (A) perpendicular a la fuerza como:
por lo tanto, la fuerza de tracción necesaria para lograr la máxima resistencia a la tracción es:
F = UTS x A = 4000 x 10 6 x 0,0001 = 400 000 N
Resistencia de materiales
Elasticidad de materiales
Dureza de los materiales
Propiedades térmicas de la fibra de carbono
Fibra de carbono – Punto de fusión
Punto de fibra de carbono de fusión es de 3657 ° C .
Tenga en cuenta que estos puntos están asociados con la presión atmosférica estándar. En general, la fusión es un cambio de fase de una sustancia de la fase sólida a la líquida. El punto de fusión de una sustancia es la temperatura a la que se produce este cambio de fase. El punto de fusión también define una condición en la que el sólido y el líquido pueden existir en equilibrio. Para varios compuestos químicos y aleaciones, es difícil definir el punto de fusión, ya que generalmente son una mezcla de varios elementos químicos.
Fibra de carbono – Conductividad térmica
La conductividad térmica de la fibra de carbono es 100 W / (m · K) .
Las características de transferencia de calor de un material sólido se miden mediante una propiedad llamada conductividad térmica , k (o λ), medida en W / mK . Es una medida de la capacidad de una sustancia para transferir calor a través de un material por conducción . Tenga en cuenta que la ley de Fourier se aplica a toda la materia, independientemente de su estado (sólido, líquido o gas), por lo tanto, también se define para líquidos y gases.
La conductividad térmica de la mayoría de los líquidos y sólidos varía con la temperatura. Para los vapores, también depende de la presión. En general:
La mayoría de los materiales son casi homogéneos, por lo que normalmente podemos escribir k = k (T) . Se asocian definiciones similares con las conductividades térmicas en las direcciones y y z (ky, kz), pero para un material isótropo, la conductividad térmica es independiente de la dirección de transferencia, kx = ky = kz = k.
Fibra de carbono – Calor específico
El calor específico de la fibra de carbono es 800 J / g K .
El calor específico, o capacidad calorífica específica, es una propiedad relacionada con la energía interna que es muy importante en termodinámica. Las propiedades intensivas c v y c p se definen para sustancias compresibles simples puras como derivadas parciales de la energía interna u (T, v) y la entalpía h (T, p) , respectivamente:
donde los subíndices v y p denotan las variables que se mantienen fijas durante la diferenciación. Las propiedades c v y c p se denominan calores específicos (o capacidades caloríficas ) porque, en determinadas condiciones especiales, relacionan el cambio de temperatura de un sistema con la cantidad de energía añadida por la transferencia de calor. Sus unidades SI son J / kg K o J / mol K .
Ejemplo: cálculo de transferencia de calor
La conductividad térmica se define como la cantidad de calor (en vatios) transferida a través de un área cuadrada de material de un espesor determinado (en metros) debido a una diferencia de temperatura. Cuanto menor sea la conductividad térmica del material, mayor será la capacidad del material para resistir la transferencia de calor.
Calcule la tasa de flujo de calor a través de una pared de 3 mx 10 m de área (A = 30 m 2 ). La pared tiene 15 cm de espesor (L 1 ) y está hecha de Fibra de Carbono con la conductividad térmica de k 1 = 100 W / mK (mal aislante térmico). Suponga que las temperaturas interior y exterior son 22 ° C y -8 ° C, y los coeficientes de transferencia de calor por convección en los lados interior y exterior son h 1 = 10 W / m 2 K y h 2 = 30 W / m 2 K, respectivamente. Tenga en cuenta que estos coeficientes de convección dependen en gran medida, especialmente, de las condiciones ambientales e interiores (viento, humedad, etc.).
Calcule el flujo de calor ( pérdida de calor ) a través de esta pared.
Solución:
Como se escribió, muchos de los procesos de transferencia de calor involucran sistemas compuestos e incluso involucran una combinación de conducción y convección . Con estos sistemas compuestos, a menudo es conveniente trabajar con un coeficiente de transferencia de calor en general , conocido como un factor U . El factor U se define mediante una expresión análoga a la ley de enfriamiento de Newton :
El coeficiente de transferencia de calor general está relacionado con la resistencia térmica total y depende de la geometría del problema.
Suponiendo una transferencia de calor unidimensional a través de la pared plana y sin tener en cuenta la radiación, el coeficiente de transferencia de calor general se puede calcular como:
El coeficiente de transferencia de calor total es entonces: U = 1 / (1/10 + 0,15 / 100 + 1/30) = 7,42 W / m 2 K
El flujo de calor se puede calcular simplemente como: q = 7,42 [W / m 2 K] x 30 [K] = 222,5 W / m 2
La pérdida total de calor a través de esta pared será: q pérdida = q. A = 222,5 [W / m 2 ] x 30 [m 2 ] = 6674,91 W
Punto de fusión de materiales
Conductividad térmica de materiales
Capacidad calorífica de materiales
