Με τη συνεχή ανάπτυξη των σύνθετων υλικών, εκτός από τα πλαστικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού, έχουν εμφανιστεί πλαστικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, πλαστικά ενισχυμένα με ίνες βορίου κ.λπ.Τα σύνθετα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (CFRP) είναι ελαφριά και ισχυρά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πολλών προϊόντων που χρησιμοποιούμε στην καθημερινή μας ζωή.Είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες που χρησιμοποιούν ίνες άνθρακα ως κύριο δομικό συστατικό.
Πίνακας Περιεχομένων:
1. Δομή πολυμερούς ενισχυμένης με ίνες άνθρακα
2. Η μέθοδος χύτευσης πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
3. Ιδιότητες του πολυμερούς ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
4. Πλεονεκτήματα του CFRP
5. Μειονεκτήματα του CFRP
6. Χρήσεις πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
Δομή πολυμερούς ενισχυμένης με ίνες άνθρακα
Το πλαστικό ενισχυμένο με ανθρακονήματα είναι ένα υλικό που σχηματίζεται με τη διάταξη των υλικών από ανθρακονήματα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και με τη χρήση συνδεδεμένων πολυμερών υλικών.Η διάμετρος του ανθρακονήματος είναι εξαιρετικά λεπτή, περίπου 7 μικρά, αλλά η αντοχή του είναι εξαιρετικά υψηλή.
Η πιο βασική συστατική μονάδα σύνθετου υλικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα είναι το νήμα από ανθρακονήματα.Η βασική πρώτη ύλη του νήματος άνθρακα είναι το προπολυμερές πολυακρυλονιτρίλιο (PAN), το ρεγιόν ή η πίσσα πετρελαίου.Τα νημάτια άνθρακα κατασκευάζονται στη συνέχεια σε υφάσματα από ανθρακονήματα με χημικές και μηχανικές μεθόδους για μέρη από ανθρακονήματα.
Το συνδετικό πολυμερές είναι συνήθως μια θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη όπως η εποξική.Μερικές φορές χρησιμοποιούνται και άλλα θερμοσκληρυντικά ή θερμοπλαστικά πολυμερή, όπως οξικός πολυβινυλεστέρας ή νάιλον.Εκτός από ίνες άνθρακα, τα σύνθετα υλικά μπορούν επίσης να περιέχουν αραμίδιο Q, πολυαιθυλένιο, αλουμίνιο ή ίνες γυαλιού εξαιρετικά υψηλού μοριακού βάρους.Οι ιδιότητες του τελικού προϊόντος από ίνες άνθρακα μπορούν επίσης να επηρεαστούν από τον τύπο των προσθέτων που εισάγονται στη μήτρα συγκόλλησης.
Η μέθοδος χύτευσης πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
Τα προϊόντα από ανθρακονήματα διαφέρουν κυρίως λόγω διαφορετικών διεργασιών.Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για τον σχηματισμό πολυμερών υλικών ενισχυμένων με ανθρακονήματα.
1. Μέθοδος Hand Lay-up
Χωρίζεται σε ξηρή μέθοδο (προετοιμασμένο κατάστημα) και υγρή μέθοδο (ύφασμα από ίνες και ρητίνη κολλημένα για χρήση).Το Hand lay-up χρησιμοποιείται επίσης για την προετοιμασία προεμποτισμάτων για χρήση σε δευτερεύουσες διεργασίες χύτευσης όπως η χύτευση με συμπίεση.Αυτή η μέθοδος είναι όπου φύλλα υφάσματος από ανθρακονήματα πλαστικοποιούνται σε καλούπι για να σχηματίσουν το τελικό προϊόν.Οι ιδιότητες αντοχής και ακαμψίας του υλικού που προκύπτει βελτιστοποιούνται επιλέγοντας την ευθυγράμμιση και την ύφανση των ινών του υφάσματος.Το καλούπι στη συνέχεια γεμίζεται με εποξειδικό και σκληραίνει με θερμότητα ή αέρα.Αυτή η μέθοδος κατασκευής χρησιμοποιείται συχνά για εξαρτήματα που δεν καταπονούνται, όπως καλύμματα κινητήρα.
2. Μέθοδος σχηματισμού κενού
Για το πολυστρωματικό προεμποτισμό, είναι απαραίτητο να ασκηθεί πίεση μέσω μιας συγκεκριμένης διαδικασίας για να πλησιάσει στο καλούπι και να σκληρυνθεί και να διαμορφωθεί κάτω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση.Η μέθοδος της σακούλας κενού χρησιμοποιεί μια αντλία κενού για την εκκένωση του εσωτερικού της σακούλας διαμόρφωσης, έτσι ώστε η αρνητική πίεση μεταξύ της σακούλας και του καλουπιού να σχηματίζει πίεση έτσι ώστε το σύνθετο υλικό να βρίσκεται κοντά στο καλούπι.
Με βάση τη μέθοδο σάκου κενού, η μέθοδος σχηματισμού σάκκου κενού-αυτόκλειστου προέκυψε αργότερα.Τα αυτόκλειστα παρέχουν υψηλότερες πιέσεις και σκληρύνουν το μέρος με θερμότητα (αντί για φυσική σκλήρυνση) από τις μεθόδους μόνο με σακούλα κενού.Ένα τέτοιο εξάρτημα έχει πιο συμπαγή δομή, καλύτερη ποιότητα επιφάνειας, μπορεί να εξαλείψει αποτελεσματικά τις φυσαλίδες αέρα (οι φυσαλίδες θα επηρεάσουν πολύ την αντοχή του εξαρτήματος) και η συνολική ποιότητα είναι υψηλότερη.Στην πραγματικότητα, η διαδικασία της σακούλας υπό κενό είναι παρόμοια με αυτή του κολλήματος μεμβράνης κινητού τηλεφώνου.Η εξάλειψη των φυσαλίδων αέρα είναι ένα σημαντικό έργο.
3. Μέθοδος χύτευσης με συμπίεση
Χύτευση με συμπίεσηείναι μια μέθοδος καλουπώματος που ευνοεί τη μαζική παραγωγή και τη μαζική παραγωγή.Τα καλούπια κατασκευάζονται συνήθως από πάνω και κάτω μέρη, τα οποία ονομάζουμε αρσενικό καλούπι και θηλυκό καλούπι.Η διαδικασία χύτευσης είναι να τοποθετηθεί το στρώμα από προεμποτίσματα στο μεταλλικό καλούπι, και υπό τη δράση ορισμένης θερμοκρασίας και πίεσης, το στρώμα θερμαίνεται και πλαστικοποιείται στην κοιλότητα του καλουπιού, ρέει υπό πίεση και γεμίζει την κοιλότητα του καλουπιού και στη συνέχεια Και χύτευση και σκλήρυνση για την απόκτηση προϊόντων.Ωστόσο, αυτή η μέθοδος έχει υψηλότερο αρχικό κόστος από τις προηγούμενες, καθώς το καλούπι απαιτεί μηχανική κατεργασία CNC πολύ υψηλής ακρίβειας.
4. Περιέλιξη καλουπώματος
Για εξαρτήματα με περίπλοκα σχήματα ή με σχήμα περιστροφικού σώματος, μπορεί να χρησιμοποιηθεί περιέλιξη νήματος για την κατασκευή του εξαρτήματος τυλίγοντας το νήμα σε έναν άξονα ή έναν πυρήνα.Μετά την πλήρη σκλήρυνση της περιέλιξης και αφαιρέστε το μανδρέλι.Για παράδειγμα, οι σωληνοειδείς βραχίονες αρθρώσεων που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ανάρτησης μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας αυτή τη μέθοδο.
5. Χύτευση μεταφοράς ρητίνης
Η χύτευση με μεταφορά ρητίνης (RTM) είναι μια σχετικά δημοφιλής μέθοδος χύτευσης.Τα βασικά του βήματα είναι:
1. Τοποθετήστε το προετοιμασμένο κακό ύφασμα από ανθρακονήματα στο καλούπι και κλείστε το καλούπι.
2. Εισάγετε υγρή θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη σε αυτό, εμποτίστε το ενισχυτικό υλικό και ωριμάστε.
Ιδιότητες του πολυμερούς ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
(1) Υψηλή αντοχή και καλή ελαστικότητα.
Η ειδική αντοχή (δηλαδή ο λόγος της αντοχής σε εφελκυσμό προς την πυκνότητα) των ανθρακονημάτων είναι 6 φορές εκείνη του χάλυβα και 17 φορές αυτή του αλουμινίου.Ο συγκεκριμένος συντελεστής (δηλαδή ο λόγος του συντελεστή του Young προς την πυκνότητα, που είναι σημάδι της ελαστικότητας ενός αντικειμένου) είναι περισσότερο από 3 φορές αυτός του χάλυβα ή του αλουμινίου.
Με υψηλή ειδική αντοχή, μπορεί να αντέξει μεγάλο φορτίο εργασίας.Η μέγιστη πίεση λειτουργίας του μπορεί να φτάσει τα 350 kg/cm2.Επιπλέον, είναι πιο συμπιεστό και ελαστικό από το καθαρό F-4 και την πλεξούδα του.
(2) Καλή αντοχή στην κόπωση και αντοχή στη φθορά.
Η αντοχή του στην κόπωση είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή της εποξειδικής ρητίνης και μεγαλύτερη από αυτή των μεταλλικών υλικών.Οι ίνες γραφίτη είναι αυτολιπαινόμενες και έχουν μικρό συντελεστή τριβής.Η ποσότητα φθοράς είναι 5-10 φορές μικρότερη από αυτή των γενικών προϊόντων αμιάντου ή των πλεξούδων F-4.
(3) Καλή θερμική αγωγιμότητα και αντοχή στη θερμότητα.
Τα πλαστικά ενισχυμένα με ανθρακονήματα έχουν καλή θερμική αγωγιμότητα και η θερμότητα που παράγεται από την τριβή διαχέεται εύκολα.Το εσωτερικό δεν υπερθερμαίνεται εύκολα και δεν αποθηκεύεται θερμότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δυναμικό υλικό στεγανοποίησης.Στον αέρα, μπορεί να λειτουργήσει σταθερά στην περιοχή θερμοκρασίας -120~350°C.Με τη μείωση της περιεκτικότητας σε αλκαλιμέταλλα σε ανθρακονήματα, η θερμοκρασία λειτουργίας μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω.Σε ένα αδρανές αέριο, η προσαρμόσιμη θερμοκρασία του μπορεί να φτάσει περίπου τους 2000°C και μπορεί να αντέξει απότομες αλλαγές στο κρύο και τη ζέστη.
(4) Καλή αντοχή στους κραδασμούς.
Δεν είναι εύκολο να αντηχεί ή να φτερουγίζει, και είναι επίσης ένα εξαιρετικό υλικό για τη μείωση των κραδασμών και τη μείωση του θορύβου.
Πλεονεκτήματα του CFRP
1. Ελαφρύ βάρος
Τα παραδοσιακά πλαστικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού χρησιμοποιούν συνεχείς ίνες γυαλιού και 70% ίνες γυαλιού (βάρος γυαλιού/συνολικό βάρος) και τυπικά έχουν πυκνότητα 0,065 λίβρες ανά κυβική ίντσα.Ένα σύνθετο υλικό CFRP με το ίδιο βάρος ινών 70% έχει τυπικά πυκνότητα 0,055 λίβρες ανά κυβική ίντσα.
2. Υψηλή αντοχή
Αν και τα ενισχυμένα με ίνες άνθρακα πολυμερή είναι ελαφριά, τα σύνθετα υλικά CFRP έχουν υψηλότερη αντοχή και υψηλότερη ακαμψία ανά μονάδα βάρους από τα σύνθετα υλικά από ίνες γυαλιού.Σε σύγκριση με τα μεταλλικά υλικά, αυτό το πλεονέκτημα είναι πιο εμφανές.
Μειονεκτήματα του CFRP
1. Υψηλό κόστος
Το κόστος παραγωγής πλαστικού ενισχυμένου με ανθρακονήματα είναι απαγορευτικό.Οι τιμές των ανθρακονημάτων μπορεί να διαφέρουν δραματικά ανάλογα με τις τρέχουσες συνθήκες της αγοράς (προσφορά και ζήτηση), τον τύπο των ινών άνθρακα (αεροδιαστημική έναντι εμπορικής ποιότητας) και το μέγεθος της δέσμης ινών.Σε λίβρα προς λίβρα, οι παρθένες ίνες άνθρακα μπορεί να είναι 5 έως 25 φορές πιο ακριβές από τις ίνες γυαλιού.Αυτή η διαφορά είναι ακόμη μεγαλύτερη όταν συγκρίνουμε τον χάλυβα με το CFRP.
2. Αγωγιμότητα
Αυτό είναι το πλεονέκτημα και το μειονέκτημα των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα.Εξαρτάται από την εφαρμογή.Οι ίνες άνθρακα είναι εξαιρετικά αγώγιμες και οι ίνες γυαλιού είναι μονωτικές.Πολλά προϊόντα χρησιμοποιούν υαλοβάμβακα αντί για ανθρακονήματα ή μέταλλο επειδή απαιτούν αυστηρή μόνωση.Στην παραγωγή των βοηθητικών προϊόντων, πολλά προϊόντα απαιτούν τη χρήση ινών γυαλιού.
Χρήσεις πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
Οι εφαρμογές του ενισχυμένου με ανθρακονήματα πολυμερούς είναι ευρείες στη ζωή, από μηχανικά μέρη έως στρατιωτικά υλικά.
(1)ως συσκευασία σφράγισης
Το ενισχυμένο με ανθρακονήματα υλικό PTFE μπορεί να κατασκευαστεί σε δακτυλίους στεγανοποίησης ή συσκευασίας που είναι ανθεκτικοί στη διάβρωση, στη φθορά και στις υψηλές θερμοκρασίες.Όταν χρησιμοποιείται για στατική σφράγιση, η διάρκεια ζωής είναι μεγαλύτερη, πάνω από 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή της γενικής συσκευασίας αμιάντου εμβαπτισμένη στο λάδι.Μπορεί να διατηρήσει την απόδοση στεγανοποίησης υπό αλλαγές φορτίου και ταχεία ψύξη και ταχεία θέρμανση.Και δεδομένου ότι το υλικό δεν περιέχει διαβρωτικές ουσίες, δεν θα προκύψει διάβρωση στο μέταλλο.
(2)ως εξαρτήματα λείανσης
Χρησιμοποιώντας τις αυτολιπαινόμενες ιδιότητές του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ρουλεμάν, γρανάζια και δακτύλιοι εμβόλου για ειδικούς σκοπούς.Όπως λιπαντικά ρουλεμάν για όργανα αεροπορίας και μαγνητόφωνα, λιπαντικά γρανάζια χωρίς λίπανση για μηχανές ντίζελ ηλεκτρικού κιβωτίου ταχυτήτων (για την αποφυγή ατυχημάτων που προκαλούνται από διαρροή λαδιού), λιπανμένοι δακτύλιοι εμβόλων χωρίς λάδι σε συμπιεστές κ.λπ. Επιπλέον, μπορεί Χρησιμοποιούνται επίσης ως ρουλεμάν ολίσθησης ή στεγανοποιήσεις στις βιομηχανίες τροφίμων και φαρμακευτικών προϊόντων εκμεταλλευόμενοι τα μη τοξικά χαρακτηριστικά του.
(3) Ως δομικά υλικά για την αεροδιαστημική, την αεροπορία και τους πυραύλους.Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην κατασκευή αεροσκαφών για τη μείωση του βάρους του αεροσκάφους και τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της πτήσης.Χρησιμοποιείται επίσης στη χημική, το πετρέλαιο, την ηλεκτρική ενέργεια, τα μηχανήματα και άλλες βιομηχανίες ως περιστροφικό ή παλινδρομικό δυναμικό σφράγισμα ή διάφορα υλικά στατικής σφράγισης.
Ο Zhengxi είναι επαγγελματίαςεργοστάσιο υδραυλικών πιεστηρίων στην Κίνα, παρέχοντας υψηλή ποιότητασύνθετη υδραυλική πρέσαγια το σχηματισμό προϊόντων CFRP.
Ώρα δημοσίευσης: 25 Μαΐου 2023
