המדריך האולטימטיבי של CFRP: פלסטיק/פולימר מחוזק בסיבי פחמן

עם הפיתוח המתמשך של חומרים מרוכבים, בנוסף לפלסטיק המחוזק בסיבי זכוכית, הופיעו פלסטיקים מחוזקים בסיבי פחמן, פלסטיקים מחוזקים בסיבי בורון וכו'.חומרים מרוכבים פולימרים מחוזקים בסיבי פחמן (CFRP) הם חומרים קלים וחזקים המשמשים לייצור מוצרים רבים בהם אנו משתמשים בחיי היומיום שלנו.זהו מונח המשמש לתיאור חומרים מרוכבים מחוזקים בסיבים המשתמשים בסיבי פחמן כמרכיב המבני העיקרי.

תוכן ענינים:

1. מבנה פולימר מחוזק בסיבי פחמן
2. שיטת הדפוס של פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן
3. מאפיינים של פולימר מחוזק בסיבי פחמן
4. יתרונות ה-CFRP
5. חסרונות של CFRP
6. שימושים בפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן

מבנה פולימרי מחוזק בסיבי פחמן

פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן הוא חומר שנוצר על ידי סידור חומרי סיבי פחמן בכיוון מסוים ושימוש בחומרים פולימריים מלוכדים.קוטר סיבי הפחמן דק במיוחד, כ-7 מיקרון, אך חוזקם גבוה במיוחד.

היחידה הבסיסית ביותר של חומר מרוכב מחוזק בסיבי פחמן היא חוט סיבי פחמן.חומר הגלם הבסיסי של חוט פחמן הוא פולי-אקרילוניטריל פרה-פולימרי (PAN), rayon או זפת נפט.חוטי הפחמן מיוצרים לאחר מכן לבדי סיבי פחמן בשיטות כימיות ומכאניות לחלקי סיבי פחמן.

הפולימר הקושר הוא בדרך כלל שרף תרמוסטי כמו אפוקסי.לעתים נעשה שימוש בתרמוסטים אחרים או בפולימרים תרמופלסטיים, כגון פוליוויניל אצטט או ניילון.בנוסף לסיבי פחמן, חומרים מרוכבים יכולים להכיל גם ארמיד Q, פוליאתילן במשקל מולקולרי גבוה במיוחד, אלומיניום או סיבי זכוכית.התכונות של מוצר סיבי הפחמן הסופי יכולות להיות מושפעות גם מסוג התוספים המוכנסים למטריצת ההדבקה.

שיטת הדפוס של פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן

מוצרי סיבי פחמן שונים בעיקר בגלל תהליכים שונים.ישנן שיטות רבות ליצירת חומרים פולימריים מחוזקים בסיבי פחמן.

1. שיטת הנחת יד

מתחלקים לשיטה היבשה (חנות מוכנה מראש) ולשיטה הרטובה (בד סיבים ושרף מודבק לשימוש).הנחת היד משמשת גם להכנת prepregs לשימוש בתהליכי יציקה משניים כגון יציקת דחיסה.שיטה זו היא שבה יריעות של בד סיבי פחמן מודבקות על גבי תבנית כדי ליצור את המוצר הסופי.תכונות החוזק והקשיחות של החומר המתקבל עוברות אופטימיזציה על ידי בחירת היישור והאריגה של סיבי הבד.לאחר מכן ממלאים את התבנית באפוקסי ומתרפאים בחום או באוויר.שיטת ייצור זו משמשת לעתים קרובות עבור חלקים שאינם לחוצים, כגון כיסויי מנוע.

2. שיטת היווצרות ואקום

עבור ה-prepreg הלמינציה, יש צורך להפעיל לחץ בתהליך מסוים כדי שיהיה קרוב לתבנית ולרפא ולעצב אותו בטמפרטורה ולחץ מסוימים.שיטת שקיות ואקום משתמשת במשאבת ואקום כדי לפנות את החלק הפנימי של שקית היוצר כך שהלחץ השלילי בין השקית לתבנית יוצר לחץ כך שהחומר המרוכב קרוב לתבנית.

על בסיס שיטת שקיות ואקום, שיטת יצירת שק ואקום-חיטוי נגזרה מאוחר יותר.אוטוקלאבים מספקים לחצים גבוהים יותר ומרפאים את החלק בחום (במקום ריפוי טבעי) מאשר שיטות שקיות ואקום בלבד.לחלק כזה יש מבנה קומפקטי יותר, איכות פני השטח טובה יותר, יכול למעשה לחסל בועות אוויר (בועות ישפיעו מאוד על חוזק החלק), והאיכות הכללית גבוהה יותר.למעשה, התהליך של שקיות ואקום דומה לזה של הדבקת סרט טלפון נייד.חיסול בועות אוויר היא משימה מרכזית.

3. שיטת דפוס דחיסה

דפוס דחיסההיא שיטת דפוס התורמת לייצור המוני וייצור המוני.תבניות עשויות בדרך כלל מחלקים עליונים ותחתונים, שאנו קוראים להם עובש זכר ותבנית נקבה.תהליך היציקה הוא להכניס את המחצלת העשויה מ-prepregs לתוך תבנית הנגד המתכת, ותחת פעולה של טמפרטורה ולחץ מסוימים, המחצלת מחוממת ומתפלסטיק בחלל התבנית, זורמת בלחץ וממלאת את חלל התבנית, ולאחר מכן. ויציקה ואשפרה להשגת מוצרים.עם זאת, לשיטה זו עלות התחלתית גבוהה יותר מהקודמות, שכן התבנית דורשת עיבוד CNC מדויק מאוד.

4. דפוס מתפתל

עבור חלקים בעלי צורות מורכבות או בצורת גוף של מהפכה, ניתן להשתמש במתפת נימה לייצור החלק על ידי פיתול החוט על ציר או ליבה.לאחר הליפול מלא לרפא ולהסיר את הציר.לדוגמה, זרועות מפרקים צינוריות המשמשות במערכות מתלה יכולות להתבצע בשיטה זו.

5. דפוס העברת שרף

דפוס העברת שרף (RTM) הוא שיטת דפוס פופולרית יחסית.השלבים הבסיסיים שלו הם:
1. מניחים את בד סיבי הפחמן הגרוע המוכן בתבנית וסוגרים את התבנית.
2. הזרקו לתוכו שרף תרמוסטי נוזלי, הספגו את חומר החיזוק, ואפרו.

תכונות של פולימר מחוזק בסיבי פחמן

(1) חוזק גבוה וגמישות טובה.

החוזק הספציפי (כלומר, היחס בין חוזק מתיחה לצפיפות) של סיבי פחמן הוא פי 6 של פלדה ופי 17 מאלומיניום.המודול הספציפי (כלומר, היחס בין מודול יאנג לצפיפות, שהוא סימן לגמישות של עצם) הוא יותר מפי 3 מזה של פלדה או אלומיניום.

עם חוזק ספציפי גבוה, זה יכול לשאת עומס עבודה גדול.לחץ העבודה המרבי שלו יכול להגיע ל-350 ק"ג/סמ"ר.בנוסף, הוא יותר דחיסה וגמיש מ-F-4 טהור והצמה שלו.

(2) עמידות טובה לעייפות ועמידות בפני שחיקה.

עמידות העייפות שלו גבוהה בהרבה מזו של שרף אפוקסי וגבוהה מזו של חומרי מתכת.סיבי גרפיט הם משמנים עצמיים ובעלי מקדם חיכוך קטן.כמות הבלאי קטנה פי 5-10 מזו של מוצרי אסבסט כלליים או צמות F-4.

(3) מוליכות תרמית טובה ועמידות בחום.

לפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן יש מוליכות תרמית טובה, והחום הנוצר מחיכוך מתפזר בקלות.הפנים לא קל לחימום יתר ולאגור חום וניתן להשתמש בו כחומר איטום דינמי.באוויר, זה יכול לעבוד ביציבות בטווח הטמפרטורות של -120 ~ 350 מעלות צלזיוס.עם הפחתת תכולת המתכת האלקלית בסיבי פחמן, טמפרטורת השירות עשויה לעלות עוד יותר.בגז אינרטי, הטמפרטורה הניתנת להתאמה שלו יכולה להגיע לכ-2000 מעלות צלזיוס, והוא יכול לעמוד בשינויים חדים בקור ובחום.

(4) עמידות טובה לרטט.

לא קל להדהד או לרפרף, והוא גם חומר מצוין להפחתת רעידות והפחתת רעשים.

היתרונות של CFRP

1. קל משקל

פלסטיק מחוזק בסיבי זכוכית מסורתי משתמש בסיבי זכוכית רציפים וב-70% סיבי זכוכית (משקל זכוכית/משקל כולל) ובדרך כלל יש להם צפיפות של 0.065 פאונד לאינץ' מעוקב.לרכיב CFRP עם אותו משקל של 70% סיבים יש בדרך כלל צפיפות של 0.055 פאונד לאינץ' מעוקב.

2. חוזק גבוה

למרות שפולימרים מחוזקים בסיבי פחמן הם קלים משקל, לחומרים מרוכבים CFRP יש חוזק גבוה יותר וקשיחות גבוהה יותר ליחידת משקל מאשר לחומרים מרוכבים של סיבי זכוכית.בהשוואה לחומרי מתכת, יתרון זה ברור יותר.

חסרונות של CFRP

1. עלות גבוהה

עלות הייצור של פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן היא עצומה.מחירי סיבי הפחמן עשויים להשתנות באופן דרמטי בהתאם לתנאי השוק הנוכחיים (היצע וביקוש), סוג סיבי הפחמן (תעופה וחלל לעומת כיתה מסחרית), וגודל צרור הסיבים.על בסיס פאונד לפאונד, סיבי פחמן בתולי יכולים להיות יקרים פי 5 עד 25 מסיבי זכוכית.ההבדל הזה גדול עוד יותר כאשר משווים פלדה ל-CFRP.
2. מוליכות
זהו היתרון והחסרון של חומרים מרוכבים מסיבי פחמן.זה תלוי באפליקציה.סיבי פחמן מוליכים במיוחד וסיבי זכוכית מבודדים.מוצרים רבים משתמשים בפיברגלס במקום בסיבי פחמן או מתכת מכיוון שהם דורשים בידוד קפדני.בייצור של כלי עזר, מוצרים רבים דורשים שימוש בסיבי זכוכית.

שימושים בפלסטיק מחוזק בסיבי פחמן

היישומים של פולימר מחוזק בסיבי פחמן הם רחבים בחיים, החל מחלקים מכניים ועד לחומרים צבאיים.

(1)כאריזה אטימה
ניתן ליצור חומר PTFE מחוזק בסיבי פחמן לטבעות איטום או אריזה עמידות בפני קורוזיה, שחיקה ועמידה בטמפרטורה גבוהה.בשימוש לאיטום סטטי, חיי השירות ארוכים יותר, יותר מפי 10 יותר מזה של אריזת אסבסט כללית טבולה בשמן.זה יכול לשמור על ביצועי איטום תחת שינויי עומס וקירור מהיר וחימום מהיר.ומכיוון שהחומר אינו מכיל חומרים קורוזיביים, לא תיווצר קורוזיה בבור על המתכת.

(2)כחלקי שחיקה
תוך שימוש בתכונות הסיכה העצמיות שלו, הוא יכול לשמש כמיסבים, גלגלי שיניים וטבעות בוכנה למטרות מיוחדות.כמו מיסבים משומנים נטולי שמן למכשירי תעופה ורשמקולרים, גלגלי שיניים משומנים נטולי שמן לקטרי דיזל עם הילוכים חשמליים (כדי למנוע תאונות הנגרמות כתוצאה מדליפת שמן), טבעות בוכנה משומנות ללא שמן על מדחסים ועוד. בנוסף, זה יכול לשמש גם כמיסבים הזזה או אטמים בתעשיית המזון והתרופות על ידי ניצול המאפיינים הלא רעילים שלו.

(3) כחומרי מבנה לתעופה וחלל, תעופה וטילים.הוא שימש לראשונה בייצור מטוסים כדי להפחית את משקל המטוס ולשפר את יעילות הטיסה.הוא משמש גם בתעשיות כימיות, נפט, חשמל, מכונות ותעשיות אחרות כאטם דינמי סיבובי או הדדי או חומרי איטום סטטיים שונים.

Zhengxi הוא מקצועןמפעל עיתונות הידראולית בסין, מספק איכות גבוההמכבש הידראולי מורכבליצירת מוצרי CFRP.