راهنمای نهایی CFRP: پلاستیک/پلیمر تقویت شده با فیبر کربن

با توسعه مداوم مواد کامپوزیتی، علاوه بر پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه، پلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن، پلاستیک های تقویت شده با الیاف بور و غیره ظاهر شدند.کامپوزیت های پلیمری تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) مواد سبک وزن و محکمی هستند که برای تولید بسیاری از محصولاتی که ما در زندگی روزمره از آنها استفاده می کنیم استفاده می شود.این اصطلاحی است که برای توصیف مواد کامپوزیتی تقویت شده با الیاف استفاده می شود که از الیاف کربن به عنوان جزء ساختاری اصلی استفاده می کنند.

جدول محتویات:

1. ساختار پلیمری تقویت شده با فیبر کربن
2. روش قالب گیری پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن
3. خواص پلیمر تقویت شده با فیبر کربن
4. مزایای CFRP
5. معایب CFRP
6. استفاده از پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن

ساختار پلیمری تقویت شده با فیبر کربن

پلاستیک تقویت‌شده با فیبر کربن، ماده‌ای است که با چیدمان مواد فیبر کربنی در جهت معین و با استفاده از مواد پلیمری پیوند خورده تشکیل می‌شود.قطر فیبر کربن بسیار نازک است، حدود 7 میکرون، اما استحکام آن بسیار بالا است.

اساسی ترین واحد تشکیل دهنده مواد کامپوزیتی تقویت شده با فیبر کربن، رشته فیبر کربن است.ماده اولیه اولیه فیلامنت کربنی پلی اکریلونیتریل پیش پلیمری (PAN)، ابریشم مصنوعی، یا زمین نفتی است.سپس رشته های کربنی با روش های شیمیایی و مکانیکی برای قطعات فیبر کربنی به پارچه های فیبر کربنی تبدیل می شوند.

پلیمر اتصال معمولاً یک رزین گرما سخت مانند اپوکسی است.گاهی اوقات از ترموست یا پلیمرهای ترموپلاستیک دیگری مانند پلی وینیل استات یا نایلون استفاده می شود.علاوه بر الیاف کربن، کامپوزیت ها همچنین می توانند حاوی آرامید Q، پلی اتیلن با وزن مولکولی فوق العاده بالا، آلومینیوم یا الیاف شیشه باشند.خواص محصول نهایی فیبر کربن نیز می تواند تحت تأثیر نوع افزودنی های وارد شده به ماتریس پیوند قرار گیرد.

روش قالب‌گیری پلاستیک تقویت‌شده با فیبر کربن

محصولات فیبر کربن عمدتاً به دلیل فرآیندهای مختلف متفاوت هستند.روش های زیادی برای تشکیل مواد پلیمری تقویت شده با فیبر کربن وجود دارد.

1. روش گذاشتن دست

به روش خشک (فروشگاه از قبل آماده شده) و روش مرطوب (پارچه الیافی و رزین چسبانده شده برای استفاده) تقسیم می شود.همچنین از Hand lay up برای آماده سازی prepregs برای استفاده در فرآیندهای قالب گیری ثانویه مانند قالب گیری فشاری استفاده می شود.این روش جایی است که ورقه های پارچه فیبر کربنی روی یک قالب لمینت می شوند تا محصول نهایی را تشکیل دهند.خواص استحکام و سفتی مواد حاصل با انتخاب تراز و بافت الیاف پارچه بهینه می شود.سپس قالب با اپوکسی پر می شود و با حرارت یا هوا پخت می شود.این روش ساخت اغلب برای قطعات بدون تنش مانند پوشش موتور استفاده می شود.

2. روش شکل دهی خلاء

برای پیش آغشته لمینیت شده باید طی فرآیند خاصی فشار وارد شود تا به قالب نزدیک شود و تحت دما و فشار معینی عمل آوری و شکل داده شود.در روش کیسه خلاء از پمپ خلاء برای تخلیه داخل کیسه فرم دهنده استفاده می شود تا فشار منفی بین کیسه و قالب فشاری ایجاد کند تا مواد کامپوزیت به قالب نزدیک شود.

بر اساس روش کیسه خلاء، روش تشکیل کیسه خلاء-اتوکلاو بعداً استخراج شد.اتوکلاوها فشارهای بالاتری را ارائه می دهند و قطعه را با حرارت پخت می کنند (به جای پخت طبیعی) نسبت به روش های فقط کیسه خلاء.چنین قطعه ای دارای ساختار فشرده تر، کیفیت سطح بهتر است، می تواند به طور موثر حباب های هوا را از بین ببرد (حباب ها به شدت بر استحکام قطعه تأثیر می گذارد) و کیفیت کلی بالاتر است.در واقع، فرآیند بسته‌بندی خلاء مشابه فرآیند چسباندن فیلم تلفن همراه است.از بین بردن حباب های هوا یک کار اصلی است.

3. روش قالب گیری فشرده

قالب گیری فشارییک روش قالب گیری است که برای تولید انبوه و تولید انبوه مساعد است.قالب ها معمولا از قسمت های بالایی و پایینی ساخته می شوند که به آن ها قالب نر و قالب ماده می گوییم.فرآیند قالب گیری به این صورت است که حصیر ساخته شده از پیش آغشته ها را در قالب فلزی قرار می دهند و تحت تأثیر دما و فشار معین، حصیر گرم شده و در حفره قالب پلاستیکی می شود، تحت فشار جریان می یابد و حفره قالب را پر می کند و سپس حفره قالب را پر می کند. و قالب گیری و پخت برای به دست آوردن محصولات.با این حال، این روش هزینه اولیه بالاتری نسبت به روش های قبلی دارد، زیرا قالب به ماشینکاری CNC با دقت بسیار بالا نیاز دارد.

4. قالب گیری سیم پیچ

برای قطعات با اشکال پیچیده یا به شکل بدنه چرخشی، می توان از سیم پیچ رشته ای برای ساختن قطعه با سیم پیچی رشته بر روی سنبه یا هسته استفاده کرد.پس از اینکه سیم پیچی کامل شد، سنبه را خارج کنید.به عنوان مثال، بازوهای مفصلی لوله ای که در سیستم های تعلیق استفاده می شوند را می توان با استفاده از این روش ساخت.

5. قالب گیری انتقال رزین

قالب گیری انتقال رزین (RTM) یک روش قالب گیری نسبتاً محبوب است.مراحل اساسی آن عبارتند از:
1. پارچه فیبر کربن بد آماده شده را در قالب قرار دهید و در قالب را ببندید.
2. رزین ترموست مایع را به آن تزریق کنید، مواد تقویت کننده را آغشته کنید و خشک کنید.

خواص پلیمر تقویت شده با فیبر کربن

(1) استحکام بالا و کشش خوب.

استحکام ویژه (یعنی نسبت استحکام کششی به چگالی) فیبر کربن 6 برابر فولاد و 17 برابر آلومینیوم است.مدول مخصوص (یعنی نسبت مدول یانگ به چگالی که نشانه کشش جسم است) بیش از 3 برابر فولاد یا آلومینیوم است.

با مقاومت ویژه بالا، می تواند بار کاری زیادی را تحمل کند.حداکثر فشار کاری آن می تواند به 350 کیلوگرم بر سانتی متر مربع برسد.علاوه بر این، تراکم پذیرتر و انعطاف پذیرتر از F-4 خالص و قیطان آن است.

(2) مقاومت در برابر خستگی و مقاومت در برابر سایش.

مقاومت آن در برابر خستگی بسیار بیشتر از رزین اپوکسی و بالاتر از مواد فلزی است.الیاف گرافیت خود روان کننده هستند و ضریب اصطکاک کمی دارند.میزان سایش 5 تا 10 برابر کمتر از محصولات آزبست عمومی یا بافته های F-4 است.

(3) هدایت حرارتی خوب و مقاومت در برابر حرارت.

پلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن دارای رسانایی حرارتی خوبی هستند و گرمای تولید شده توسط اصطکاک به راحتی دفع می شود.فضای داخلی به راحتی گرم نمی شود و گرما را ذخیره می کند و می تواند به عنوان یک ماده آب بندی پویا استفاده شود.در هوا، می تواند به طور پایدار در محدوده دمایی -120 تا 350 درجه سانتیگراد کار کند.با کاهش محتوای فلز قلیایی در فیبر کربن، دمای سرویس ممکن است بیشتر افزایش یابد.در یک گاز بی اثر، دمای قابل انطباق آن می تواند به حدود 2000 درجه سانتی گراد برسد و می تواند تغییرات شدید سرما و گرما را تحمل کند.

(4) مقاومت در برابر ارتعاش خوب.

طنین یا بال زدن آسان نیست و همچنین یک ماده عالی برای کاهش لرزش و کاهش نویز است.

مزایای CFRP

1. سبک وزن

پلاستیک های تقویت شده با الیاف شیشه سنتی از الیاف شیشه ای پیوسته و 70 درصد الیاف شیشه (وزن شیشه/وزن کل) استفاده می کنند و به طور معمول دارای چگالی 0.065 پوند بر اینچ مکعب هستند.یک کامپوزیت CFRP با همان وزن فیبر 70٪ معمولاً دارای چگالی 0.055 پوند بر اینچ مکعب است.

2. استحکام بالا

اگرچه پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن سبک وزن هستند، کامپوزیت های CFRP نسبت به کامپوزیت های الیاف شیشه استحکام و سختی بالاتری در واحد وزن دارند.در مقایسه با مواد فلزی، این مزیت آشکارتر است.

معایب CFRP

1. هزینه بالا

هزینه تولید پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن بسیار زیاد است.قیمت فیبر کربن بسته به شرایط فعلی بازار (عرضه و تقاضا)، نوع فیبر کربن (هوا فضا در مقابل درجه تجاری)، و اندازه بسته‌بندی فیبر می‌تواند به‌طور چشمگیری متفاوت باشد.بر اساس پوند به پوند، فیبر کربن بکر می تواند 5 تا 25 برابر گرانتر از الیاف شیشه باشد.این تفاوت در مقایسه فولاد با CFRP حتی بیشتر است.
2. رسانایی
این مزایا و معایب مواد کامپوزیت فیبر کربنی است.این بستگی به برنامه دارد.الیاف کربن بسیار رسانا هستند و الیاف شیشه عایق هستند.بسیاری از محصولات از فایبرگلاس به جای الیاف کربن یا فلز استفاده می کنند زیرا به عایق سختی نیاز دارند.در تولید آب و برق، بسیاری از محصولات نیاز به استفاده از الیاف شیشه دارند.

کاربردهای پلاستیک تقویت شده با فیبر کربن

کاربردهای پلیمرهای تقویت شده با فیبر کربن در زندگی گسترده است، از قطعات مکانیکی گرفته تا مواد نظامی.

(1)به عنوان بسته بندی آب بندی
مواد PTFE تقویت شده با فیبر کربن را می توان به حلقه ها یا بسته بندی های آب بندی مقاوم در برابر خوردگی، مقاوم در برابر سایش و مقاوم در برابر درجه حرارت بالا تبدیل کرد.هنگامی که برای آب بندی استاتیک استفاده می شود، عمر مفید بیشتر است، بیش از 10 برابر بیشتر از بسته بندی آزبست غوطه ور در روغن.این می تواند عملکرد آب بندی را تحت تغییرات بار و خنک کننده سریع و گرمایش سریع حفظ کند.و از آنجایی که این ماده حاوی مواد خورنده نیست، هیچ خوردگی حفره ای روی فلز ایجاد نمی شود.

(2)به عنوان قطعات سنگ زنی
با استفاده از خاصیت روانکاری خود، می توان از آن به عنوان بلبرینگ، چرخ دنده و رینگ پیستون برای اهداف خاص استفاده کرد.مانند یاتاقان های روغن کاری شده بدون روغن برای ابزار و ضبط صوت های هوانوردی، چرخ دنده های روغنی بدون روغن برای لوکوموتیوهای دیزلی انتقال الکتریکی (برای جلوگیری از حوادث ناشی از نشت روغن)، رینگ های پیستون روغن کاری شده بدون روغن روی کمپرسورها و غیره. علاوه بر این، می تواند همچنین با بهره گیری از ویژگی های غیر سمی آن به عنوان بلبرینگ یا آب بند در صنایع غذایی و دارویی استفاده می شود.

(3) به عنوان مواد ساختاری برای هوا فضا، هوانوردی و موشک.برای اولین بار در ساخت هواپیما برای کاهش وزن هواپیما و بهبود راندمان پرواز استفاده شد.همچنین در صنایع شیمیایی، نفت، برق، ماشین‌آلات و سایر صنایع به عنوان مهر و موم دینامیکی دوار یا رفت و برگشتی یا مواد مختلف مهر و موم استاتیک استفاده می‌شود.

ژنگشی یک حرفه ای استکارخانه پرس هیدرولیک در چین، ارائه با کیفیت بالاپرس هیدرولیک کامپوزیتبرای تشکیل محصولات CFRP