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Réutilisation de la fibre de carbone pour des applications structurales

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Tassilo Witte, un chercheur au centre de technologie composé (CTC, Stade, Allemagne), avait travaillé avec la réutilisation et le CarboNXT de vallée de CFK Gmbh (Wischhafen, l'Allemagne) avec le but de développer les matériaux réutilisés de fibre de carbone pour des applications d'avions, spécifiquement démonstration d'un panneau intérieur complet de paroi latérale.

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Caractérisation des fibres reprises

? Je pense que l'exécution mécanique toujours très bien n'est pas connue ? Réponses de Witte une fois demandé pourquoi plus de fournisseurs des nattes et des composés coupés de fibre n'emploient pas les fibres reprises. ? Par exemple, nous demandons toujours ce qu'est le facteur précis de précipitation ? il continue ? et les propriétés exactes varient avec chaque type de processus et paramètres. ?

Les fournisseurs commerciaux de RCF disent que leurs produits ont une gamme spécifique des propriétés. ? Mais cela doit être également développé en jeu de propriétés composées ? Witte conteste. Il décrit comment le CTC fonctionne pour faire ceci, commençant d'abord par le rendement de la réutilisation de vallée de CFK de processus et d'exécuter une pleine batterie de l'essai mécanique (par exemple, de tension, compressif, de flexion, etc.) sur le filament, puis le paquet de filament, le stratifié monolithique, le stratifié de sandwich et les composants finalement de petite taille- et complets. ? Ainsi c'est l'approche classique de pyramide d'essai utilisée dans des avions parce qu'il caractérise un matériel de sorte que les ingénieurs puissent alors concevoir avec lui. ?

CTC exécute une pleine batterie de l'essai mécanique ? du filament à stratifier aux composants complets ? afin de développer des propriétés de RCF en propriétés composées que les ingénieurs aérospatiaux peuvent employer pour concevoir des intérieurs d'avions et potentiellement d'autres structures secondaires.

SOURCE : Présentation de CTC à la convention de vallée de 2014 CFK ? Fibres réutilisées de carbone et le développement des produits demi-complets pour des intérieurs d'avions. ?

Witte a présenté quelques résultats principaux de l'essai jusqu'ici. Les stratifiés de composé faits avec la natte/voile non-tissé et la résine époxyde ont prouvé que les matériaux de RCF ont surpassé ceux ont fait avec les fibres vierges d'E-verre pour la plupart des cas de charge. Le module de tension pour un stratifié de voile du volume RCF de fibre de 20% était identique comme stratifié vierge de fibres de verre de volume de fibre de 50% (voir le cercle rouge et orange ci-dessous).

Witte conclut que les pièces non-tissées de RCF peuvent directement concurrencer des matériaux de fibres de verre tout en offrant l'épargne significative de poids. Cependant, l'essai de RCF a combiné avec des résines thermoset a également montré des dégagements significatifs de fibre, impliquant l'accouplement fibre-matrice réduit. Ainsi, Witte avertit que le traitement extérieur approprié des matériaux de RCF est essentiel pour des applications thermoset. L'essai du CarboNXT RCF avec les matrices thermoplastiques, cependant, a montré l'adhérence supérieure. Tim Rademacker, directeur général à la vallée de CFK réutilisant et CarboNXT explique que la pyrolyse consomme des classements par taille de fibre, ainsi ceux-ci doivent être réappliqués avant réutilisation, et que ses produits peuvent être faits avec des classements par taille travaillés pour les résines thermoplastiques thermoset ou spécifiques de matrice pour la liaison accrue de fibre-à-résine.

Une autre conclusion de clef est que le volume maximum de fibre (vf), pour maintenant, est limité à 30% ou à 35%. ? Là une limite au volume de fibre est-elle possible à chaque longueur de fibre ? dit Witte. ? En cours d'impression des stratifiés d'appartement, si vous rendez compacte au-dessus de celui [essayant d'ajouter plus de fibre] raccourcissez-vous réellement la longueur moyenne de fibre, parce qu'ils écrasent et se réduisent en fragments. ? Il ne voit pas ceci comme obstacle nécessairement, parce que le vf de 40% est typique des matériaux d'intérieurs d'avions aujourd'hui, notant ceci est typiquement S2 le verre, pas fibre de carbone. Il continue ? Les matériaux avec le vf de 35% utilisant les CF coupés ont encore de meilleures propriétés. Des matériaux avec un vf élevé, tel que 60%, sont employés seulement pour le fuselage d'avions et les structures d'aile, par exemple. ?

Pour finir, Witte rapporte que les premières épreuves des stratifiés non-tissés de RCF faits utilisant le moulage par transfer de résine (RTM) ont montré peu de variation dans l'exécution globale, quoique les origines de fibre varient. Le progrès est sur la voie pour construire et examiner les parois latérales complètes d'ici 2016. ? Là maintenant une occasion réaliste de mettre notre matériel dans un avion application est-elle intérieure ? dit Rademacker ? Mais si vous aviez demandé n'importe qui il y a trois ans, auraient-ils dit qu'aucune fibre de carbone réutilisée par manière ne serait employée dans des avions. ?

Reprise de la fibre continue de carbone

Tassilo Witte ne travaille pas simplement avec la fibre coupée, mais a également reçu un brevet pour reprendre la fibre continue d'une structure composée de blessure, inspiré par l'occasion de réutiliser des millions de réservoirs composés. L'entreprise d'études du marché Lucintel (Irving, TX, USA) estime que 374.000 réservoirs comprimés composés du gaz naturel (CNG) sont produits annuellement pour l'industrie automotrice globale et prévoit un taux de croissance annuel composé (CAGR) de 10.4% pour atteindre 613.000 units/yr d'ici 2019.

? Un réservoir sous pression de blessure de filament est l'une des quelques pièces composées où la fibre continue est accessible et évidente ? explique Witte. Dans sa méthode, le navire composé de totalité est décomposé par la chaleur dans une chambre, avec la fibre stabilisée par le revêtement en métal à l'intérieur. ? Le navire est alors enlevé et le renfort est-il déroulé, produisant une fibre continue plus ou moins de mêmes qu'avant imprégnation, enroulement et bâti de résine ? avec 90% des propriétés contre la fibre vierge ? dit Witte. Il voit une occasion encore plus grande si l'industrie automobile décide d'employer le carburant d'hydrogène, et ainsi beaucoup plus de réservoirs composés.

Le processus de solvolyse développé par Dr. Heinrich Zeininger à la technologie de corporation de Siemens (Hambourg, Allemagne) cherche également à maintenir les fibres réutilisées de carbone continues. Le processus de brevet en instance chauffe le CFRP composant sous pression à 200°C, convertissant la résine en alcools solubles de faible poids moléculaire avec l'aide de l'eau. Censément, aucun dissolvant ambiant préjudiciable n'est employé, et comme la pyrolyse, le processus exige beaucoup moins d'énergie contre de nouvelles fibres de fabrication. Zeininger signale que le tissu tissé peut être récupéré avec l'armure et la fibre intact. Zeininger a développé ce processus en tant qu'élément du carbone de l'AMI réutilisant l'initiative, avec les associés Allemagne-basés comprenant Audi (Ingolstadt), carbone de BMW (Munich), de SGL (Wiesbaden), composés de Voith (bei München de Garching) et producteur Neenah-Gessner (Bruckmühl) d'exposés techniques. À Siemens ? Les images du futur magazine, Zeininger explique que la réutilisation est toujours une partie nécessaire de développement de produits nouveaux et ? Des matériaux de tissu-renforcé de carbone seront employés de plus en plus par Siemens, par exemple, dans les moteurs et des lames de rotor. ? Il dit que le prochain défi sera d'intégrer les tissus repris dans de nouveaux composants.

Siemens n'est pas le premier, ni seul groupe pour poursuivre la solvolyse en réutilisant le CFRP. Le piment et le Silvestre Pinho, researcers de Soraia à l'université impériale Londres, au R-U, ont accompli une revue de littérature complète sur le CFRP réutilisant des opérations, qui a été édité par Elsevier dans la gestion des déchets de journal, 2011, Pp. 378-392. Cette information a été mise à jour et incluse dans le ch. 19 d'Elsevier ? manuel lauréat de s de la réutilisation. Les processus de solvolyse passés en revue incluent ceux utilisant les fluides supercritiques (SCFs). Un SCF est une substance à une température et à une pression au-dessus de son point critique, où le liquide distinct et les phases gaseuses n'existent pas. Ainsi, il peut pénétrer les solides poreux comme un gaz, et dissout les matériaux organiques comme un dissolvant liquide. SCFs réutilisait le CFRP incluent l'eau, le méthanol, l'éthanol, l'acétone et le propanol. La solvolyse utilisant SCFs est identifiée pour produire RCFs avec presque aucune dégradation dans les propriétés mécaniques (voir les barres pour ? Produit chimique ? réutilisant le processus ci-dessous) et le rétablissement des composés époxydes régénérables de prépolymère de la matrice.

Bien que beaucoup de développement de solvolyse ait été en Europe, le Japon poursuit également cette technologie. Le produit chimique de Hitachi (Tokyo, Japon), dans son numéro technique 56 de rapport à partir de mars 2014, présente une table des technologies de réutilisation chimiques de CFRP au Japon (voir ci-dessous) et puis détaille son propre développement de non-SCF, qui emploie le phospate tricalcique comme catalyseur et alcool benzylique comme dissolvant ? tous les deux sont les ingrédients et le sûr de nourriture censément approuvés pour le contact humain ? à la pression ordinaire et à 200°C.

Notez que pyrolyse se produit à 450°C à 700°C et d'autres méthodes japonaises de solvolyse exigent 250°C à 700°C. Hitachi ont démontré le processus en réutilisant des raquettes de badminton et de tennis de CFRP, ce dernier contenant des CF de 50% en poids. En plus des CF et de GF, on a également récupéré des armatures en aluminium et les poignées en bois qui n'est pas possible avec la pyrolyse.

Des tissus non-tissés ont été alors produits à partir du RCF par une méthode sèche utilisant une machine à cartes ou par une méthode humide par l'intermédiaire d'une presse à mouler de papier. (Le cardage démêle et entremêle des fibres pour produire un Web ou un ruban continu approprié au traitement suivant. Par exemple, la laine est cardée dans un premier temps en faisant le filé.) Dans la méthode de cardage, plusieurs feuilles minces de CF ont été posées pour former le tissu non-tissé, qui était alors compression moulée, bien que la résine utilisée n'ait pas été spécifiée.

Des stratifiés en résultant ont été examinés pour les propriétés de tension et se pliantes et comparés au CFRP fait à partir de la natte non-tissée vierge. Hitachi n'a observé aucune différence significative entre le RCFRP et le VCFRP. Il a noté les propriétés réduites quand l'exceede content 25% de RCF en poids. Hitachi a alors déterminé des équipements et des conditions de traitement exigés pour traiter 1.000, 2.000 et 17.000 raquettes/mois, y compris la consommation d'énergie qui s'est montée à 91, 78 et 63 MJ/kg respectivement. Hitachi a récapitulé que l'énergie exigée pour récupérer les CF continus plus les prépolymères époxydes de 17.000 raquettes/mois est moins d'un quart des 286 MJ/kg qu'il a calculés pour la production vierge comparable de CF.

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