Με τη συνεχή ανάπτυξη των σύνθετων υλικών, εκτός από τα πλαστικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού, έχουν εμφανιστεί πλαστικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, πλαστικά ενισχυμένα με ίνες βορίου κ.λπ. Τα σύνθετα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (CFRP) είναι ελαφριά και ανθεκτικά υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πολλών προϊόντων που χρησιμοποιούμε στην καθημερινότητά μας. Είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες που χρησιμοποιούν ίνες άνθρακα ως κύριο δομικό συστατικό.
Πίνακας περιεχομένων:
1. Δομή πολυμερούς ενισχυμένης με ίνες άνθρακα
2. Η μέθοδος χύτευσης πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
3. Ιδιότητες πολυμερούς ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
4. Πλεονεκτήματα του CFRP
5. Μειονεκτήματα του CFRP
6. Χρήσεις πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
Δομή πολυμερούς ενισχυμένης με ίνες άνθρακα
Το πλαστικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα είναι ένα υλικό που σχηματίζεται με την τοποθέτηση υλικών από ίνες άνθρακα σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και χρησιμοποιώντας συνδεδεμένα πολυμερή υλικά. Η διάμετρος των ινών άνθρακα είναι εξαιρετικά λεπτή, περίπου 7 μικρά, αλλά η αντοχή τους είναι εξαιρετικά υψηλή.
Η πιο βασική συστατική μονάδα του σύνθετου υλικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα είναι το νήμα από ίνες άνθρακα. Η βασική πρώτη ύλη του νήματος άνθρακα είναι το προπολυμερές πολυακρυλονιτρίλιο (PAN), η ρεγιόν ή η πίσσα πετρελαίου. Τα νημάτια άνθρακα στη συνέχεια μετατρέπονται σε υφάσματα από ίνες άνθρακα με χημικές και μηχανικές μεθόδους για εξαρτήματα από ίνες άνθρακα.
Το συνδετικό πολυμερές είναι συνήθως μια θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη όπως η εποξική ρητίνη. Μερικές φορές χρησιμοποιούνται και άλλα θερμοσκληρυνόμενα ή θερμοπλαστικά πολυμερή, όπως ο οξικός πολυβινυλεστέρας ή το νάιλον. Εκτός από τις ίνες άνθρακα, τα σύνθετα υλικά μπορούν επίσης να περιέχουν αραμίδιο Q, πολυαιθυλένιο εξαιρετικά υψηλού μοριακού βάρους, αλουμίνιο ή ίνες γυαλιού. Οι ιδιότητες του τελικού προϊόντος ινών άνθρακα μπορούν επίσης να επηρεαστούν από τον τύπο των προσθέτων που εισάγονται στη συνδετική μήτρα.
Η μέθοδος χύτευσης πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
Τα προϊόντα από ανθρακονήματα διαφέρουν κυρίως λόγω των διαφορετικών διεργασιών. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την κατασκευή πολυμερών υλικών ενισχυμένων με ανθρακονήματα.
1. Μέθοδος χειροκίνητης τοποθέτησης
Χωρίζεται σε ξηρή μέθοδο (προετοιμασμένο εργαστήριο) και υγρή μέθοδο (υφάσματα από ίνες και ρητίνη κολλημένα για χρήση). Η χειροκίνητη τοποθέτηση χρησιμοποιείται επίσης για την προετοιμασία προεμποτισμάτων για χρήση σε δευτερογενείς διαδικασίες χύτευσης, όπως η χύτευση με συμπίεση. Αυτή η μέθοδος είναι όπου φύλλα υφάσματος από ανθρακονήματα ελασματοποιούνται σε ένα καλούπι για να σχηματίσουν το τελικό προϊόν. Οι ιδιότητες αντοχής και ακαμψίας του προκύπτοντος υλικού βελτιστοποιούνται επιλέγοντας την ευθυγράμμιση και την ύφανση των ινών του υφάσματος. Το καλούπι στη συνέχεια γεμίζεται με εποξειδική ρητίνη και σκληρύνεται με θερμότητα ή αέρα. Αυτή η μέθοδος κατασκευής χρησιμοποιείται συχνά για μη καταπονημένα μέρη, όπως καλύμματα κινητήρα.
2. Μέθοδος σχηματισμού κενού
Για το πολυστρωματικό προ-εμποτισμένο υλικό, είναι απαραίτητο να ασκηθεί πίεση μέσω μιας συγκεκριμένης διαδικασίας για να φτάσει κοντά στο καλούπι και να σκληρυνθεί και να διαμορφωθεί υπό μια ορισμένη θερμοκρασία και πίεση. Η μέθοδος της σακούλας κενού χρησιμοποιεί μια αντλία κενού για να εκκενώσει το εσωτερικό της σακούλας διαμόρφωσης έτσι ώστε η αρνητική πίεση μεταξύ της σακούλας και του καλουπιού να σχηματίζει μια πίεση έτσι ώστε το σύνθετο υλικό να βρίσκεται κοντά στο καλούπι.
Με βάση τη μέθοδο της σακούλας κενού, η μέθοδος σχηματισμού σακούλας κενού-αυτόκλειστου προέκυψε αργότερα. Τα αυτόκλειστα παρέχουν υψηλότερες πιέσεις και θερμική σκλήρυνση του εξαρτήματος (αντί για φυσική σκλήρυνση) από τις μεθόδους μόνο με σακούλα κενού. Ένα τέτοιο εξάρτημα έχει πιο συμπαγή δομή, καλύτερη ποιότητα επιφάνειας, μπορεί να εξαλείψει αποτελεσματικά τις φυσαλίδες αέρα (οι φυσαλίδες θα επηρεάσουν σημαντικά την αντοχή του εξαρτήματος) και η συνολική ποιότητα είναι υψηλότερη. Στην πραγματικότητα, η διαδικασία της συσκευασίας σε σακούλα κενού είναι παρόμοια με αυτή της κόλλησης μεμβράνης κινητού τηλεφώνου. Η εξάλειψη των φυσαλίδων αέρα είναι ένα σημαντικό έργο.
3. Μέθοδος χύτευσης με συμπίεση
χύτευση με συμπίεσηείναι μια μέθοδος χύτευσης που ευνοεί τη μαζική παραγωγή και τη μαζική παραγωγή. Τα καλούπια συνήθως κατασκευάζονται από άνω και κάτω μέρη, τα οποία ονομάζουμε αρσενικό καλούπι και θηλυκό καλούπι. Η διαδικασία χύτευσης είναι η τοποθέτηση του στρώματος από προεμποτίσματα στο μεταλλικό αντίθετο καλούπι και υπό την επίδραση μιας συγκεκριμένης θερμοκρασίας και πίεσης, το στρώμα θερμαίνεται και πλαστικοποιείται στην κοιλότητα του καλουπιού, ρέει υπό πίεση και γεμίζει την κοιλότητα του καλουπιού και στη συνέχεια χυτεύεται και σκληρύνεται για να ληφθούν προϊόντα. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος έχει υψηλότερο αρχικό κόστος από τις προηγούμενες, καθώς το καλούπι απαιτεί κατεργασία CNC πολύ υψηλής ακρίβειας.
4. Χύτευση με περιέλιξη
Για εξαρτήματα με σύνθετα σχήματα ή σε σχήμα σώματος περιστροφής, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια μηχανή περιέλιξης νήματος για την κατασκευή του εξαρτήματος περιελίσσοντας το νήμα σε έναν άξονα ή πυρήνα. Μετά την πλήρη περιέλιξη, σκληρύνετε και αφαιρέστε τον άξονα. Για παράδειγμα, οι σωληνωτοί βραχίονες σύνδεσης που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ανάρτησης μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας αυτήν τη μέθοδο.
5. Χύτευση με μεταφορά ρητίνης
Η χύτευση με μεταφορά ρητίνης (RTM) είναι μια σχετικά δημοφιλής μέθοδος χύτευσης. Τα βασικά της βήματα είναι:
1. Τοποθετήστε το προετοιμασμένο ύφασμα από ανθρακονήματα που έχει υποστεί ζημιά στο καλούπι και κλείστε το καλούπι.
2. Εγχύστε υγρή θερμοσκληρυνόμενη ρητίνη μέσα σε αυτό, εμποτίστε το ενισχυτικό υλικό και σκληρύνετε.
Ιδιότητες του πολυμερούς ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
(1) Υψηλή αντοχή και καλή ελαστικότητα.
Η ειδική αντοχή (δηλαδή, ο λόγος της αντοχής σε εφελκυσμό προς την πυκνότητα) των ινών άνθρακα είναι 6 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα και 17 φορές μεγαλύτερη από αυτή του αλουμινίου. Το ειδικό μέτρο ελαστικότητας (δηλαδή, ο λόγος του μέτρου Young προς την πυκνότητα, που είναι ένα σημάδι της ελαστικότητας ενός αντικειμένου) είναι περισσότερο από 3 φορές μεγαλύτερο από αυτόν του χάλυβα ή του αλουμινίου.
Με υψηλή ειδική αντοχή, μπορεί να αντέξει μεγάλο φορτίο λειτουργίας. Η μέγιστη πίεση λειτουργίας του μπορεί να φτάσει τα 350 kg/cm2. Επιπλέον, είναι πιο συμπιέσιμο και ανθεκτικό από το καθαρό F-4 και το πλεκτό του.
(2) Καλή αντοχή στην κόπωση και αντοχή στη φθορά.
Η αντοχή του στην κόπωση είναι πολύ υψηλότερη από αυτή της εποξειδικής ρητίνης και υψηλότερη από αυτή των μεταλλικών υλικών. Οι ίνες γραφίτη είναι αυτολιπαινόμενες και έχουν μικρό συντελεστή τριβής. Η ποσότητα φθοράς είναι 5-10 φορές μικρότερη από αυτή των γενικών προϊόντων αμιάντου ή των πλεξούδων F-4.
(3) Καλή θερμική αγωγιμότητα και αντοχή στη θερμότητα.
Τα πλαστικά ενισχυμένα με ίνες άνθρακα έχουν καλή θερμική αγωγιμότητα και η θερμότητα που παράγεται από την τριβή διαχέεται εύκολα. Το εσωτερικό δεν υπερθερμαίνεται εύκολα και δεν αποθηκεύει θερμότητα και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δυναμικό υλικό στεγανοποίησης. Στον αέρα, μπορεί να λειτουργήσει σταθερά στην περιοχή θερμοκρασιών -120~350°C. Με τη μείωση της περιεκτικότητας σε αλκαλικά μέταλλα στις ίνες άνθρακα, η θερμοκρασία λειτουργίας μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω. Σε ένα αδρανές αέριο, η προσαρμόσιμη θερμοκρασία του μπορεί να φτάσει περίπου τους 2000°C και μπορεί να αντέξει απότομες αλλαγές στο κρύο και τη θερμότητα.
(4) Καλή αντοχή σε κραδασμούς.
Δεν είναι εύκολο να αντηχεί ή να κυματίζει και είναι επίσης ένα εξαιρετικό υλικό για τη μείωση των κραδασμών και του θορύβου.
Πλεονεκτήματα του CFRP
1. Ελαφρύ βάρος
Τα παραδοσιακά πλαστικά ενισχυμένα με υαλονήματα χρησιμοποιούν συνεχείς υαλονήματα και 70% υαλονήματα (βάρος γυαλιού/συνολικό βάρος) και συνήθως έχουν πυκνότητα 0,065 λίβρες ανά κυβική ίντσα. Ένα σύνθετο CFRP με το ίδιο 70% βάρος ινών έχει συνήθως πυκνότητα 0,055 λίβρες ανά κυβική ίντσα.
2. Υψηλής αντοχής
Αν και τα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες άνθρακα είναι ελαφριά, τα σύνθετα υλικά CFRP έχουν μεγαλύτερη αντοχή και ακαμψία ανά μονάδα βάρους από τα σύνθετα υλικά από ίνες γυαλιού. Σε σύγκριση με τα μεταλλικά υλικά, αυτό το πλεονέκτημα είναι πιο προφανές.
Μειονεκτήματα του CFRP
1. Υψηλό κόστος
Το κόστος παραγωγής πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα είναι απαγορευτικό. Οι τιμές των ινών άνθρακα μπορεί να διαφέρουν δραματικά ανάλογα με τις τρέχουσες συνθήκες της αγοράς (προσφορά και ζήτηση), τον τύπο των ινών άνθρακα (αεροδιαστημική έναντι εμπορικής ποιότητας) και το μέγεθος της δέσμης ινών. Σε αναλογία λίβρας προς λίβρα, οι παρθένες ίνες άνθρακα μπορεί να είναι 5 έως 25 φορές ακριβότερες από τις ίνες γυαλιού. Αυτή η διαφορά είναι ακόμη μεγαλύτερη όταν συγκρίνεται ο χάλυβας με το CFRP.
2. Αγωγιμότητα
Αυτό είναι το πλεονέκτημα και το μειονέκτημα των σύνθετων υλικών από ανθρακονήματα. Εξαρτάται από την εφαρμογή. Οι ίνες άνθρακα είναι εξαιρετικά αγώγιμες και οι ίνες γυαλιού είναι μονωτικές. Πολλά προϊόντα χρησιμοποιούν υαλοβάμβακα αντί για ίνες άνθρακα ή μέταλλο, επειδή απαιτούν αυστηρή μόνωση. Στην παραγωγή υπηρεσιών κοινής ωφέλειας, πολλά προϊόντα απαιτούν τη χρήση ινών γυαλιού.
Χρήσεις πλαστικού ενισχυμένου με ίνες άνθρακα
Οι εφαρμογές του πολυμερούς ενισχυμένου με ίνες άνθρακα είναι πολυάριθμες, από μηχανικά μέρη έως στρατιωτικά υλικά.
(1)ως συσκευασία σφράγισης
Το υλικό PTFE ενισχυμένο με ίνες άνθρακα μπορεί να μετατραπεί σε δακτυλίους στεγανοποίησης ή παρεμβύσματα ανθεκτικά στη διάβρωση, τη φθορά και τις υψηλές θερμοκρασίες. Όταν χρησιμοποιείται για στατική σφράγιση, η διάρκεια ζωής του είναι μεγαλύτερη, περισσότερο από 10 φορές μεγαλύτερη από αυτή των γενικών παρεμβυσμάτων αμιάντου εμβαπτισμένων σε λάδι. Μπορεί να διατηρήσει την απόδοση στεγανοποίησης υπό αλλαγές φορτίου και ταχεία ψύξη και γρήγορη θέρμανση. Και επειδή το υλικό δεν περιέχει διαβρωτικές ουσίες, δεν θα εμφανιστεί διάβρωση με οπές στο μέταλλο.
(2)ως μέρη λείανσης
Αξιοποιώντας τις αυτολιπαινόμενες ιδιότητές του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ρουλεμάν, γρανάζια και δακτύλιοι εμβόλων για ειδικούς σκοπούς. Όπως ρουλεμάν με λίπανση χωρίς λάδι για αεροπορικά όργανα και μαγνητόφωνα, γρανάζια με λίπανση χωρίς λάδι για ηλεκτρικές ατμομηχανές ντίζελ (για την αποφυγή ατυχημάτων που προκαλούνται από διαρροή λαδιού), δακτύλιοι εμβόλων με λίπανση χωρίς λάδι σε συμπιεστές κ.λπ. Επιπλέον, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως συρόμενα ρουλεμάν ή στεγανοποιήσεις στις βιομηχανίες τροφίμων και φαρμακευτικών προϊόντων, εκμεταλλευόμενο τα μη τοξικά χαρακτηριστικά του.
(3) Ως δομικά υλικά για την αεροδιαστημική, την αεροπορία και τους πυραύλους. Χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στην κατασκευή αεροσκαφών για τη μείωση του βάρους του αεροσκάφους και τη βελτίωση της απόδοσης πτήσης. Χρησιμοποιείται επίσης στη χημική βιομηχανία, το πετρέλαιο, την ηλεκτρική ενέργεια, τα μηχανήματα και άλλες βιομηχανίες ως περιστροφική ή παλινδρομική δυναμική σφράγιση ή διάφορα στατικά υλικά σφράγισης.
Η Ζενγκσί είναι επαγγελματίας.εργοστάσιο υδραυλικής πρέσας στην Κίνα, παρέχοντας υψηλή ποιότητασύνθετη υδραυλική πρέσαγια τη διαμόρφωση προϊόντων CFRP.
Ώρα δημοσίευσης: 25 Μαΐου 2023
