С непрекъснатото развитие на композитните материали, освен пластмасите, подсилени със стъклени влакна, се появиха и пластмаси, подсилени с въглеродни влакна, пластмаси, подсилени с борни влакна и др. Полимерните композити, подсилени с въглеродни влакна (CFRP), са леки и здрави материали, които се използват за производството на много продукти, които използваме в ежедневието си. Това е термин, използван за описание на композитни материали, подсилени с влакна, които използват въглеродни влакна като основен структурен компонент.
Съдържание:
1. Полимерна структура, подсилена с въглеродни влакна
2. Методът на формоване на пластмаса, подсилена с въглеродни влакна
3. Свойства на полимер, подсилен с въглеродни влакна
4. Предимства на CFRP
5. Недостатъци на CFRP
6. Употреба на пластмаса, подсилена с въглеродни влакна
Полимерна структура, подсилена с въглеродни влакна
Пластмасата, подсилена с въглеродни влакна, е материал, образуван чрез подреждане на въглеродни влакна в определена посока и използване на свързани полимерни материали. Диаметърът на въглеродните влакна е изключително тънък, около 7 микрона, но здравината им е изключително висока.
Най-основната съставна единица на композитния материал, подсилен с въглеродни влакна, е въглеродната нишка. Основната суровина за въглеродната нишка е преполимерният полиакрилонитрил (PAN), вискоза или петролна смола. След това въглеродните нишки се превръщат в тъкани от въглеродни влакна чрез химични и механични методи за части от въглеродни влакна.
Свързващият полимер обикновено е термореактивна смола, като епоксидна. Понякога се използват и други термореактивни или термопластични полимери, като поливинилацетат или найлон. В допълнение към въглеродните влакна, композитите могат да съдържат също арамид Q, полиетилен с ултрависоко молекулно тегло, алуминий или стъклени влакна. Свойствата на крайния продукт от въглеродни влакна могат да бъдат повлияни и от вида на добавките, въведени в свързващата матрица.
Методът на формоване на пластмаса, подсилена с въглеродни влакна
Продуктите от въглеродни влакна се различават главно поради различните процеси. Съществуват много методи за образуване на полимерни материали, подсилени с въглеродни влакна.
1. Метод на ръчно подреждане
Разделя се на сух метод (предварително подготвен цех) и мокър метод (влакнеста тъкан и смола, залепени за употреба). Ръчното полагане се използва и за подготовка на препреги за употреба във вторични процеси на формоване, като например компресионно формоване. При този метод листове от въглеродна тъкан се ламинират върху матрица, за да се образува крайният продукт. Якостта и твърдостта на получения материал се оптимизират чрез избиране на подравняването и тъкането на влакната на тъканта. След това матрицата се запълва с епоксидна смола и се втвърдява с топлина или въздух. Този метод на производство често се използва за ненапрегнати части, като например капаци на двигатели.
2. Метод на вакуумно формоване
За ламинирания препрег е необходимо да се приложи налягане чрез определен процес, за да се доближи до формата и да се втвърди и оформи при определена температура и налягане. Методът с вакуумна торба използва вакуумна помпа за евакуиране на вътрешността на формоващата торба, така че отрицателното налягане между торбата и формата да създаде налягане, така че композитният материал да е близо до формата.
Въз основа на метода на вакуумното формоване с торбички, по-късно е разработен методът за формоване с вакуумно формоване с торбички и автоклав. Автоклавите осигуряват по-високо налягане и термично втвърдяват детайла (вместо естествено втвърдяване), отколкото методите, използващи само вакуумно формоване с торбички. Такива детайли имат по-компактна структура, по-добро качество на повърхността, могат ефективно да елиминират въздушните мехурчета (мехурчетата ще повлияят значително на здравината на детайла) и цялостното качество е по-високо. Всъщност, процесът на вакуумно формоване с торбички е подобен на този при залепване на фолио за мобилни телефони. Премахването на въздушните мехурчета е важна задача.
3. Метод на компресионно формоване
Компресионно формованее метод за формоване, който е благоприятен за масово производство. Формите обикновено се изработват от горна и долна част, които наричаме мъжка форма и женска форма. Процесът на формоване е да се постави подложката, изработена от препреги, в металната контраформа и под действието на определена температура и налягане, подложката се нагрява и пластифицира в кухината на формата, тече под налягане и запълва кухината на формата, след което се формова и втвърдява, за да се получат продуктите. Този метод обаче има по-висока първоначална цена от предишните, тъй като формата изисква много прецизна CNC обработка.
4. Формоване на намотки
За части със сложни форми или във формата на тяло на въртене, може да се използва навиваща машина за нишки, за да се направи детайлът чрез навиване на нишката върху дорник или сърцевина. След пълно втвърдяване на навиването, дорникът се отстранява. Например, тръбни съединителни рамена, използвани в системи за окачване, могат да бъдат изработени по този метод.
5. Формоване чрез трансфер на смола
Трансферното формоване със смола (RTM) е сравнително популярен метод за формоване. Основните му стъпки са:
1. Поставете подготвената тъкан от въглеродни влакна в матрицата и затворете матрицата.
2. Инжектирайте течна термореактивна смола в нея, импрегнирайте армиращия материал и втвърдете.
Свойства на полимер, подсилен с въглеродни влакна
(1) Висока якост и добра еластичност.
Специфичната якост (т.е. съотношението на якостта на опън към плътността) на въглеродните влакна е 6 пъти по-голяма от тази на стоманата и 17 пъти по-голяма от тази на алуминия. Специфичният модул (т.е. съотношението на модула на Юнг към плътността, което е знак за еластичността на даден обект) е повече от 3 пъти по-голям от този на стоманата или алуминия.
С висока специфична якост, може да издържи голямо работно натоварване. Максималното му работно налягане може да достигне 350 кг/см2. Освен това е по-свиваем и еластичен от чистия F-4 и неговата оплетка.
(2) Добра устойчивост на умора и износоустойчивост.
Устойчивостта му на умора е много по-висока от тази на епоксидната смола и по-висока от тази на металните материали. Графитните влакна са самосмазващи се и имат малък коефициент на триене. Износването е 5-10 пъти по-малко от това на обикновените азбестови продукти или оплетките F-4.
(3) Добра топлопроводимост и устойчивост на топлина.
Въглеродните влакна, подсилени с пластмаси, имат добра топлопроводимост и топлината, генерирана от триене, лесно се разсейва. Вътрешността не се прегрява лесно и не съхранява топлина и може да се използва като динамичен уплътнителен материал. На въздух може да работи стабилно в температурния диапазон от -120~350°C. С намаляването на съдържанието на алкални метали във въглеродните влакна, работната температура може да се повиши допълнително. В инертен газ, адаптивната му температура може да достигне около 2000°C и може да издържи на резки промени в студа и топлината.
(4) Добра устойчивост на вибрации.
Не е лесно да резонира или трепти, а също така е отличен материал за намаляване на вибрациите и шума.
Предимства на CFRP
1. Леко тегло
Традиционните пластмаси, подсилени със стъклени влакна, използват непрекъснати стъклени влакна и 70% стъклени влакна (тегло на стъклото/общо тегло) и обикновено имат плътност от 0,065 паунда на кубичен инч. CFRP композит със същите 70% тегло на влакната обикновено има плътност от 0,055 паунда на кубичен инч.
2. Висока якост
Въпреки че полимерите, подсилени с въглеродни влакна, са леки, CFRP композитите имат по-висока якост и по-висока твърдост на единица тегло от композитите от стъклени влакна. В сравнение с металните материали, това предимство е по-очевидно.
Недостатъци на CFRP
1. Висока цена
Производствените разходи за пластмаса, подсилена с въглеродни влакна, са непосилни. Цените на въглеродните влакна могат да варират драстично в зависимост от текущите пазарни условия (търсене и предлагане), вида въглеродни влакна (аерокосмически или търговски клас) и размера на снопа влакна. На база паунд за паунд, необработените въглеродни влакна могат да бъдат от 5 до 25 пъти по-скъпи от стъклените влакна. Тази разлика е още по-голяма, когато се сравнява стоманата с CFRP.
2. Проводимост
Това е предимството и недостатъкът на композитните материали от въглеродни влакна. Зависи от приложението. Въглеродните влакна са изключително проводими, а стъклените влакна са изолиращи. Много продукти използват фибростъкло вместо въглеродни влакна или метал, защото изискват строга изолация. При производството на комунални услуги много продукти изискват използването на стъклени влакна.
Употреба на пластмаса, подсилена с въглеродни влакна
Приложенията на полимери, подсилени с въглеродни влакна, са широки в живота, от механични части до военни материали.
(1)като уплътнителна опаковка
PTFE материалът, подсилен с въглеродни влакна, може да се използва за уплътнителни пръстени или опаковки, устойчиви на корозия, износване и висока температура. Когато се използва за статично уплътняване, експлоатационният му живот е по-дълъг, повече от 10 пъти по-дълъг от този на обикновените азбестови опаковки, потопени в масло. Той може да поддържа уплътнителните си характеристики при промени в натоварването, бързо охлаждане и бързо нагряване. Тъй като материалът не съдържа корозивни вещества, върху метала не се образува точкова корозия.
(2)като шлифовъчни части
Използвайки самосмазващите се свойства, може да се използва като лагери, зъбни колела и бутални пръстени за специални цели. Например, безмаслено смазващи се лагери за авиационни инструменти и магнетофони, безмаслено смазващи се зъбни колела за дизелови локомотиви с електрическа трансмисия (за да се избегнат инциденти, причинени от изтичане на масло), безмаслено смазващи се бутални пръстени на компресори и др. Освен това, може да се използва и като плъзгащи лагери или уплътнения в хранително-вкусовата и фармацевтичната промишленост, като се възползва от нетоксичните си характеристики.
(3) Като структурни материали за аерокосмическата индустрия, авиацията и ракетите. За първи път е използван в самолетостроенето за намаляване на теглото на самолета и подобряване на ефективността на полета. Използва се също в химическата, петролната, електроенергийната, машиностроителната и други индустрии като ротационно или възвратно-постъпателно динамично уплътнение или различни статични уплътнителни материали.
Джънкси е професионалистфабрика за хидравлични преси в Китай, осигурявайки висококачественокомпозитна хидравлична пресаза формиране на CFRP продукти.
Време на публикуване: 25 май 2023 г.
