Wraz z ciągłym rozwojem materiałów kompozytowych, oprócz tworzyw sztucznych wzmacnianych włóknem szklanym, pojawiły się tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem węglowym, tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem borowym itp.Kompozyty polimerowe wzmocnione włóknem węglowym (CFRP) to lekkie i mocne materiały wykorzystywane do wytwarzania wielu produktów, z których korzystamy na co dzień.Jest to termin używany do opisania materiałów kompozytowych wzmocnionych włóknami, w których głównym składnikiem konstrukcyjnym są włókna węglowe.
Spis treści:
1. Struktura polimerowa wzmocniona włóknem węglowym
2. Metoda formowania tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym
3. Właściwości polimeru wzmocnionego włóknem węglowym
4. Zalety CFRP
5. Wady CFRP
6. Zastosowania tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym
Struktura polimerowa wzmocniona włóknem węglowym
Tworzywo sztuczne wzmocnione włóknem węglowym to materiał powstały w wyniku ułożenia materiałów z włókna węglowego w określonym kierunku i przy użyciu związanych materiałów polimerowych.Średnica włókna węglowego jest niezwykle cienka, około 7 mikronów, ale jego wytrzymałość jest niezwykle wysoka.
Najbardziej podstawową jednostką składową materiału kompozytowego wzmocnionego włóknem węglowym jest włókno węglowe.Podstawowym surowcem włókna węglowego jest prepolimer poliakrylonitryl (PAN), sztuczny jedwab lub pak naftowy.Następnie włókna węglowe przekształca się w tkaniny z włókna węglowego metodami chemicznymi i mechanicznymi w przypadku części z włókna węglowego.
Polimerem wiążącym jest zwykle żywica termoutwardzalna, taka jak epoksyd.Czasami stosuje się inne polimery termoutwardzalne lub termoplastyczne, takie jak polioctan winylu lub nylon.Oprócz włókien węglowych kompozyty mogą zawierać również aramid Q, polietylen o ultrawysokiej masie cząsteczkowej, aluminium lub włókna szklane.Na właściwości końcowego produktu z włókna węglowego może mieć również wpływ rodzaj dodatków wprowadzonych do matrycy wiążącej.
Metoda formowania tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym
Produkty z włókna węglowego różnią się głównie ze względu na różne procesy.Istnieje wiele metod formowania materiałów polimerowych wzmocnionych włóknem węglowym.
1. Metoda układania rąk
Dzieli się na metodę suchą (wstępnie przygotowany warsztat) i metodę mokrą (tkanina włóknista i klejona żywica).Układanie ręczne stosuje się również do przygotowania prepregów do wykorzystania w procesach formowania wtórnego, takich jak formowanie tłoczne.Metoda ta polega na laminowaniu arkuszy tkaniny z włókna węglowego na formie w celu utworzenia produktu końcowego.Właściwości wytrzymałościowe i sztywności powstałego materiału są optymalizowane poprzez wybór ułożenia i splotu włókien tkaniny.Następnie formę wypełnia się żywicą epoksydową i utwardza za pomocą ciepła lub powietrza.Ta metoda produkcji jest często stosowana w przypadku części nieobciążonych, takich jak pokrywy silnika.
2. Metoda formowania próżniowego
W przypadku laminowanego prepregu konieczne jest zastosowanie ciśnienia w określonym procesie, aby zbliżyć go do formy oraz utwardzić i ukształtować w określonej temperaturze i ciśnieniu.Metoda worka próżniowego wykorzystuje pompę próżniową do opróżnienia wnętrza worka formującego, tak że podciśnienie pomiędzy workiem a formą tworzy ciśnienie tak, że materiał kompozytowy znajduje się blisko formy.
Na bazie metody worka próżniowego wyprowadzono później metodę formowania worka próżniowego-autoklawu.Autoklawy zapewniają wyższe ciśnienia i utwardzają część na gorąco (zamiast naturalnego utwardzania) niż metody wykorzystujące wyłącznie worek próżniowy.Taka część ma bardziej zwartą strukturę, lepszą jakość powierzchni, może skutecznie wyeliminować pęcherzyki powietrza (pęcherzyki znacznie wpłyną na wytrzymałość części), a ogólna jakość jest wyższa.W rzeczywistości proces pakowania próżniowego jest podobny do procesu przyklejania folii do telefonu komórkowego.Eliminacja pęcherzyków powietrza jest głównym zadaniem.
3. Metoda formowania tłocznego
Formowanie tłoczneto metoda formowania sprzyjająca masowej produkcji i masowej produkcji.Formy składają się zwykle z części górnej i dolnej, które nazywamy pleśnią męską i pleśnią żeńską.Proces formowania polega na umieszczeniu maty wykonanej z prepregów w metalowej przeciwformie, a pod wpływem określonej temperatury i ciśnienia mata jest podgrzewana i uplastyczniana we wnęce formy, przepływa pod ciśnieniem i wypełnia wnękę formy, a następnie Oraz formowanie i utwardzanie w celu uzyskania produktów.Jednak ta metoda ma wyższy koszt początkowy niż poprzednie, ponieważ forma wymaga bardzo precyzyjnej obróbki CNC.
4. Formowanie uzwojenia
W przypadku części o skomplikowanych kształtach lub w kształcie korpusu obrotowego, do wykonania części można zastosować nawijarkę włókna, nawijając włókno na trzpień lub rdzeń.Po nawinięciu należy całkowicie utwardzić i wyjąć trzpień.Metodą tą można wykonać na przykład wahacze rurowe stosowane w układach zawieszenia.
5. Formowanie transferowe żywicy
Formowanie przetłoczne żywicy (RTM) jest stosunkowo popularną metodą formowania.Jego podstawowe kroki to:
1. Umieść przygotowaną złą tkaninę z włókna węglowego w formie i zamknij formę.
2. Wstrzyknąć do niego płynną żywicę termoutwardzalną, zaimpregnować materiał wzmacniający i utwardzić.
Właściwości polimeru wzmocnionego włóknem węglowym
(1) Wysoka wytrzymałość i dobra elastyczność.
Wytrzymałość właściwa (to znaczy stosunek wytrzymałości na rozciąganie do gęstości) włókna węglowego jest 6 razy większa niż w przypadku stali i 17 razy większa niż w przypadku aluminium.Moduł właściwy (to znaczy stosunek modułu Younga do gęstości, która jest oznaką sprężystości przedmiotu) jest ponad 3 razy większy niż w przypadku stali lub aluminium.
Dzięki wysokiej wytrzymałości właściwej może wytrzymać duże obciążenie robocze.Maksymalne ciśnienie robocze może osiągnąć 350 kg/cm2.Ponadto jest bardziej ściśliwy i sprężysty niż czysty F-4 i jego oplot.
(2) Dobra odporność na zmęczenie i zużycie.
Jego odporność na zmęczenie jest znacznie wyższa niż w przypadku żywicy epoksydowej i wyższa niż w przypadku materiałów metalowych.Włókna grafitowe są samosmarujące i mają mały współczynnik tarcia.Stopień zużycia jest 5-10 razy mniejszy niż w przypadku ogólnych wyrobów azbestowych lub plecionek F-4.
(3) Dobra przewodność cieplna i odporność na ciepło.
Tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem węglowym mają dobrą przewodność cieplną, a ciepło powstające w wyniku tarcia jest łatwo rozpraszane.Wnętrze nie jest łatwe do przegrzania i magazynowania ciepła i może służyć jako dynamiczny materiał uszczelniający.W powietrzu może pracować stabilnie w zakresie temperatur -120~350°C.Wraz ze zmniejszeniem zawartości metali alkalicznych we włóknie węglowym temperatura pracy może ulec dalszemu podwyższeniu.W gazie obojętnym jego możliwa do dostosowania temperatura może osiągnąć około 2000°C i może wytrzymać ostre zmiany zimna i ciepła.
(4) Dobra odporność na wibracje.
Niełatwo jest rezonować czy trzepotać, jest to także doskonały materiał do redukcji wibracji i redukcji hałasu.
Zalety CFRP
1. Lekka waga
Tradycyjne tworzywa sztuczne wzmocnione włóknem szklanym wykorzystują ciągłe włókna szklane i 70% włókien szklanych (masa szkła/masa całkowita) i zazwyczaj mają gęstość 0,065 funta na cal sześcienny.Kompozyt CFRP o tej samej masie włókien wynoszącej 70% ma zazwyczaj gęstość 0,055 funta na cal sześcienny.
2. Wysoka wytrzymałość
Chociaż polimery wzmocnione włóknem węglowym są lekkie, kompozyty CFRP mają wyższą wytrzymałość i większą sztywność na jednostkę masy niż kompozyty z włókna szklanego.W porównaniu z materiałami metalowymi ta zaleta jest bardziej oczywista.
Wady CFRP
1. Wysoki koszt
Koszt produkcji tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem węglowym jest zaporowy.Ceny włókien węglowych mogą się znacznie różnić w zależności od bieżących warunków rynkowych (podaż i popyt), rodzaju włókna węglowego (gatunek lotniczy czy komercyjny) oraz rozmiaru wiązki włókien.W przeliczeniu na funt pierwotne włókno węglowe może być od 5 do 25 razy droższe niż włókno szklane.Różnica ta jest jeszcze większa przy porównaniu stali z CFRP.
2. Przewodność
Jest to zaleta i wada materiałów kompozytowych z włókna węglowego.To zależy od zastosowania.Włókna węglowe są niezwykle przewodzące, a włókna szklane mają właściwości izolacyjne.Wiele produktów wykorzystuje włókno szklane zamiast włókna węglowego lub metalu, ponieważ wymagają one rygorystycznej izolacji.W produkcji mediów wiele produktów wymaga użycia włókien szklanych.
Zastosowania tworzyw sztucznych wzmocnionych włóknem węglowym
Zastosowanie polimeru wzmocnionego włóknem węglowym jest szerokie, od części mechanicznych po materiały wojskowe.
(1)jako opakowanie uszczelniające
Z materiału PTFE wzmocnionego włóknem węglowym można wykonać odporne na korozję, zużycie i wysoką temperaturę pierścienie uszczelniające lub uszczelnienia.W przypadku stosowania do uszczelniania statycznego żywotność jest dłuższa, ponad 10 razy dłuższa niż w przypadku ogólnego uszczelnienia azbestowego zanurzonego w oleju.Może utrzymać skuteczność uszczelniania przy zmianach obciążenia oraz szybkim chłodzeniu i szybkim nagrzewaniu.A ponieważ materiał nie zawiera substancji żrących, na metalu nie wystąpi korozja wżerowa.
(2)jako części szlifierskie
Wykorzystując swoje właściwości samosmarujące, może być stosowany jako łożyska, koła zębate i pierścienie tłokowe do specjalnych celów.Takie jak bezolejowe łożyska do instrumentów lotniczych i magnetofonów, bezolejowe smarowane przekładnie do lokomotyw spalinowych z przekładnią elektryczną (w celu uniknięcia wypadków spowodowanych wyciekiem oleju), bezolejowe smarowanie pierścieni tłokowych w sprężarkach itp. Ponadto może być również stosowane jako łożyska ślizgowe lub uszczelnienia w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym, wykorzystując jego nietoksyczne właściwości.
(3) Jako materiały konstrukcyjne dla przemysłu lotniczego, lotniczego i rakietowego.Po raz pierwszy zastosowano go w produkcji samolotów w celu zmniejszenia masy samolotu i poprawy wydajności lotu.Jest również stosowany w przemyśle chemicznym, naftowym, energetyce, maszynach i innych gałęziach przemysłu jako obrotowe lub tłokowe uszczelnienie dynamiczne lub różne statyczne materiały uszczelniające.
Zhengxi jest profesjonalistąfabryka pras hydraulicznych w Chinach, zapewniając wysoką jakośćkompozytowa prasa hydraulicznado formowania produktów CFRP.
Czas publikacji: 25 maja 2023 r
