S neustálým vývojem kompozitních materiálů se kromě plastů vyztužených skelnými vlákny objevily také plasty vyztužené uhlíkovými vlákny, plasty vyztužené borovými vlákny atd. Polymerní kompozity vyztužené uhlíkovými vlákny (CFRP) jsou lehké a pevné materiály, které se používají k výrobě mnoha produktů, které používáme v každodenním životě. Je to termín používaný k popisu vlákny vyztužených kompozitních materiálů, které používají uhlíková vlákna jako hlavní konstrukční složku.
Obsah:
1. Struktura z polymeru vyztuženého uhlíkovými vlákny
2. Metoda tváření plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny
3. Vlastnosti polymeru vyztuženého uhlíkovými vlákny
4. Výhody CFRP
5. Nevýhody CFRP
6. Použití plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny
Struktura z polymeru vyztuženého uhlíkovými vlákny
Plast vyztužený uhlíkovými vlákny je materiál vytvořený uspořádáním uhlíkových vláken v určitém směru a použitím spojených polymerních materiálů. Průměr uhlíkových vláken je extrémně tenký, asi 7 mikronů, ale jejich pevnost je extrémně vysoká.
Nejzákladnější složkou kompozitního materiálu vyztuženého uhlíkovými vlákny je uhlíkové vlákno. Základní surovinou pro uhlíkové vlákno je prepolymer polyakrylonitril (PAN), umělé hedvábí nebo ropná pryskyřice. Uhlíková vlákna se poté chemickými a mechanickými metodami zpracovávají na tkaniny z uhlíkových vláken pro díly z uhlíkových vláken.
Pojivovým polymerem je obvykle termosetová pryskyřice, například epoxidová pryskyřice. Někdy se používají i jiné termosety nebo termoplastické polymery, jako je polyvinylacetát nebo nylon. Kromě uhlíkových vláken mohou kompozity obsahovat také aramid Q, polyethylen s ultravysokou molekulovou hmotností, hliník nebo skleněná vlákna. Vlastnosti konečného produktu z uhlíkových vláken mohou být také ovlivněny typem přísad zavedených do pojivové matrice.
Metoda lisování plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny
Výrobky z uhlíkových vláken se liší především díky různým procesům. Existuje mnoho metod pro výrobu polymerních materiálů vyztužených uhlíkovými vlákny.
1. Metoda ručního pokládání
Dělí se na suchou metodu (předpřipravená dílna) a mokrou metodu (vláknitá tkanina a pryskyřice slepené před použitím). Ruční vrstvení se také používá k přípravě prepregů pro použití v sekundárních lisovacích procesech, jako je lisování kompresí. Při této metodě se listy uhlíkové tkaniny laminují na formě za vzniku konečného produktu. Pevnostní a tuhostní vlastnosti výsledného materiálu se optimalizují výběrem uspořádání a vazby vláken tkaniny. Forma se poté naplní epoxidem a vytvrdí teplem nebo vzduchem. Tato výrobní metoda se často používá pro nenamáhané díly, jako jsou kryty motoru.
2. Metoda vakuového tváření
U laminovaného prepregu je nutné aplikovat tlak pomocí určitého procesu, aby se dostal blízko formy, a aby se vytvrdil a tvaroval za určité teploty a tlaku. Metoda vakuového sáčku využívá vakuové čerpadlo k evakuaci vnitřku tvarovacího sáčku, takže podtlak mezi sáčkem a formou vytváří tlak, který zajišťuje, že kompozitní materiál je blízko formy.
Na základě metody vakuového sáčku byla později odvozena metoda tvarování ve vakuovém sáčku a autoklávu. Autoklávy poskytují vyšší tlaky a tepelné vytvrzování dílu (namísto přirozeného vytvrzování) než metody pouze s vakuovým sáčkem. Takový díl má kompaktnější strukturu, lepší kvalitu povrchu, dokáže účinně eliminovat vzduchové bubliny (bubliny výrazně ovlivňují pevnost dílu) a celková kvalita je vyšší. Proces vakuového sáčku je ve skutečnosti podobný procesu lepení fólie na mobilní telefon. Odstranění vzduchových bublin je důležitým úkolem.
3. Metoda lisování
Lisováníje metoda lisování, která vede k hromadné výrobě. Formy se obvykle vyrábějí z horní a spodní části, které nazýváme samčí forma a samičí forma. Proces lisování spočívá ve vložení rohože vyrobené z prepregů do kovové protiformy a působením určité teploty a tlaku se rohož v dutině formy zahřeje a změkčí, pod tlakem se rozteče a vyplní dutinu formy, načež se lisuje a vytvrzuje, čímž se získají výrobky. Tato metoda má však vyšší počáteční náklady než předchozí, protože forma vyžaduje velmi přesné CNC obrábění.
4. Vinuté formy
U dílů se složitými tvary nebo ve tvaru rotačního tělesa lze k výrobě dílu použít navíječ filamentu navinutím filamentu na trn nebo jádro. Po úplném vytvrzení navinutí se trn vyjme. Touto metodou lze například vyrobit trubková kloubová ramena používaná v závěsných systémech.
5. Transferové lisování pryskyřicí
Transferové vstřikování pryskyřice (RTM) je relativně populární metoda vstřikování. Její základní kroky jsou:
1. Vložte připravenou špatnou uhlíkovou tkaninu do formy a formu uzavřete.
2. Vstříkněte do něj tekutou termosetovou pryskyřici, impregnujte výztužný materiál a vytvrdněte.
Vlastnosti polymeru vyztuženého uhlíkovými vlákny
(1) Vysoká pevnost a dobrá elasticita.
Měrná pevnost (tj. poměr pevnosti v tahu k hustotě) uhlíkových vláken je 6krát větší než u oceli a 17krát větší než u hliníku. Měrný modul (tj. poměr Youngova modulu k hustotě, což je znak pružnosti objektu) je více než 3krát větší než u oceli nebo hliníku.
Díky vysoké specifické pevnosti snese velké pracovní zatížení. Jeho maximální pracovní tlak může dosáhnout 350 kg/cm2. Kromě toho je stlačitelnější a pružnější než čistý F-4 a jeho oplet.
(2) Dobrá odolnost proti únavě a opotřebení.
Jeho odolnost proti únavě je mnohem vyšší než u epoxidové pryskyřice a vyšší než u kovových materiálů. Grafitová vlákna jsou samomazná a mají malý koeficient tření. Míra opotřebení je 5–10krát menší než u běžných azbestových výrobků nebo opletení F-4.
(3) Dobrá tepelná vodivost a tepelná odolnost.
Plasty vyztužené uhlíkovými vlákny mají dobrou tepelnou vodivost a teplo generované třením se snadno odvádí. Vnitřní prostor se snadno nepřehřívá a akumuluje teplo a lze jej použít jako dynamický těsnicí materiál. Na vzduchu může stabilně fungovat v teplotním rozsahu -120~350 °C. Se snížením obsahu alkalických kovů v uhlíkových vláknech lze provozní teplotu dále zvýšit. V inertním plynu může jeho adaptabilní teplota dosáhnout přibližně 2000 °C a odolá prudkým změnám chladu a tepla.
(4) Dobrá odolnost proti vibracím.
Není snadné rezonovat ani třepotat se a je to také vynikající materiál pro snížení vibrací a hluku.
Výhody CFRP
1. Nízká hmotnost
Tradiční plasty vyztužené skelnými vlákny používají nepřetržitá skleněná vlákna a 70 % skleněných vláken (hmotnost skla/celková hmotnost) a obvykle mají hustotu 0,065 liber na krychlový palec. Kompozit CFRP se stejnými 70 % hmotnostními vláken má obvykle hustotu 0,055 liber na krychlový palec.
2. Vysoká pevnost
Přestože polymery vyztužené uhlíkovými vlákny jsou lehké, CFRP kompozity mají vyšší pevnost a vyšší tuhost na jednotku hmotnosti než kompozity ze skleněných vláken. Ve srovnání s kovovými materiály je tato výhoda zřetelnější.
Nevýhody CFRP
1. Vysoké náklady
Výrobní náklady na plast vyztužený uhlíkovými vlákny jsou neúnosné. Ceny uhlíkových vláken se mohou dramaticky lišit v závislosti na aktuálních tržních podmínkách (nabídka a poptávka), typu uhlíkových vláken (letecký a kosmický vs. komerční stupeň) a velikosti svazku vláken. V přepočtu na libru za libru může být panenské uhlíkové vlákno 5 až 25krát dražší než skleněné vlákno. Tento rozdíl je ještě větší při porovnání oceli s uhlíkovými vlákny (CFRP).
2. Vodivost
Toto je výhoda a nevýhoda kompozitních materiálů z uhlíkových vláken. Záleží na aplikaci. Uhlíková vlákna jsou extrémně vodivá a skleněná vlákna jsou izolační. Mnoho produktů používá sklolaminát místo uhlíkových vláken nebo kovu, protože vyžadují přísnou izolaci. Při výrobě užitkových materiálů mnoho produktů vyžaduje použití skleněných vláken.
Použití plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny
Aplikace polymeru vyztuženého uhlíkovými vlákny jsou v životě široké, od mechanických součástek až po vojenské materiály.
(1)jako těsnicí ucpávka
PTFE materiál vyztužený uhlíkovými vlákny lze použít k výrobě těsnicích kroužků nebo těsnění odolných proti korozi, opotřebení a vysokým teplotám. Při použití pro statické těsnění je jeho životnost delší, více než 10krát delší než u běžného azbestového těsnění ponořeného do oleje. Dokáže si zachovat těsnicí výkon i při změnách zatížení a rychlém ochlazování a rychlém ohřevu. A protože materiál neobsahuje korozivní látky, nedochází k bodové korozi kovu.
(2)jako brusné díly
Díky svým samomazným vlastnostem může být použit jako ložiska, ozubená kola a pístní kroužky pro speciální účely. Například bezolejově mazaná ložiska pro letecké přístroje a magnetofony, bezolejově mazaná ozubená kola pro elektrické dieselové lokomotivy (aby se zabránilo nehodám způsobeným únikem oleje), bezolejově mazané pístní kroužky kompresorů atd. Kromě toho může být také použit jako kluzná ložiska nebo těsnění v potravinářském a farmaceutickém průmyslu díky svým netoxickým vlastnostem.
(3) Jako konstrukční materiály pro letecký průmysl, letectví a rakety. Poprvé byl použit při výrobě letadel ke snížení hmotnosti letadla a zlepšení letové účinnosti. Používá se také v chemickém, ropném, energetickém, strojírenském a dalších průmyslových odvětvích jako rotační nebo vratné dynamické těsnění nebo různé statické těsnicí materiály.
Zhengxi je profesionáltovárna na hydraulické lisy v Číně, poskytující vysoce kvalitníkompozitní hydraulický lispro tváření CFRP výrobků.
Čas zveřejnění: 25. května 2023
