با توسعه مداوم مواد کامپوزیت، علاوه بر پلاستیکهای تقویتشده با الیاف شیشه، پلاستیکهای تقویتشده با الیاف کربن، پلاستیکهای تقویتشده با الیاف بور و غیره نیز پدیدار شدهاند. کامپوزیتهای پلیمری تقویتشده با الیاف کربن (CFRP) موادی سبک و محکم هستند که برای ساخت بسیاری از محصولاتی که در زندگی روزمره خود استفاده میکنیم، استفاده میشوند. این اصطلاحی است که برای توصیف مواد کامپوزیتی تقویتشده با الیاف که از الیاف کربن به عنوان جزء اصلی سازه استفاده میکنند، به کار میرود.
فهرست مطالب:
۱. ساختار پلیمری تقویتشده با فیبر کربن
۲. روش قالبگیری پلاستیک تقویتشده با فیبر کربن
۳. خواص پلیمر تقویتشده با الیاف کربن
۴. مزایای CFRP
۵. معایب CFRP
۶. کاربردهای پلاستیک تقویتشده با فیبر کربن
ساختار پلیمری تقویتشده با فیبر کربن
پلاستیک تقویتشده با الیاف کربن، مادهای است که با چیدن مواد الیاف کربن در جهتی خاص و با استفاده از مواد پلیمری پیوند یافته تشکیل میشود. قطر الیاف کربن فوقالعاده نازک و حدود ۷ میکرون است، اما استحکام آن فوقالعاده بالاست.
اساسیترین واحد تشکیلدهنده مواد کامپوزیت تقویتشده با الیاف کربن، رشته الیاف کربن است. ماده اولیه اولیه رشته کربن، پلیاکریلو نیتریل (PAN)، ریون یا قیر نفتی است. سپس رشتههای کربنی با روشهای شیمیایی و مکانیکی به پارچههای الیاف کربن برای قطعات الیاف کربنی تبدیل میشوند.
پلیمر اتصالدهنده معمولاً یک رزین ترموست مانند اپوکسی است. گاهی اوقات از پلیمرهای ترموست یا ترموپلاستیک دیگری مانند پلیوینیل استات یا نایلون نیز استفاده میشود. علاوه بر الیاف کربن، کامپوزیتها میتوانند حاوی آرامید Q، پلیاتیلن با وزن مولکولی بسیار بالا، آلومینیوم یا الیاف شیشه نیز باشند. خواص محصول نهایی الیاف کربن همچنین میتواند تحت تأثیر نوع افزودنیهای وارد شده به ماتریس اتصال قرار گیرد.
روش قالبگیری پلاستیک تقویتشده با فیبر کربن
محصولات فیبر کربن عمدتاً به دلیل فرآیندهای مختلف متفاوت هستند. روشهای زیادی برای شکلدهی مواد پلیمری تقویتشده با فیبر کربن وجود دارد.
۱. روش لایه گذاری دستی
به روش خشک (از پیش آماده شده در کارگاه) و روش مرطوب (پارچه الیاف و رزین چسبانده شده برای استفاده) تقسیم میشود. لایه گذاری دستی همچنین برای آماده سازی پیش آغشتهها برای استفاده در فرآیندهای قالب گیری ثانویه مانند قالب گیری فشاری استفاده میشود. در این روش، ورقهای پارچه الیاف کربن روی قالب لمینت میشوند تا محصول نهایی تشکیل شود. خواص استحکام و سختی ماده حاصل با انتخاب تراز و بافت الیاف پارچه بهینه میشود. سپس قالب با اپوکسی پر شده و با گرما یا هوا پخت میشود. این روش تولید اغلب برای قطعات بدون تنش، مانند پوشش موتور، استفاده میشود.
۲. روش شکلدهی در خلاء
برای پیشپرگ چندلایه، لازم است از طریق یک فرآیند خاص فشار اعمال شود تا به قالب نزدیک شود و تحت دما و فشار خاصی پخت و شکل داده شود. روش کیسه خلاء از یک پمپ خلاء برای تخلیه داخل کیسه تشکیلدهنده استفاده میکند تا فشار منفی بین کیسه و قالب، فشاری ایجاد کند که ماده کامپوزیت را به قالب نزدیک کند.
بر اساس روش کیسه خلاء، روش شکلدهی کیسه خلاء-اتوکلاو بعداً ابداع شد. اتوکلاوها در مقایسه با روشهای فقط کیسه خلاء، فشار بیشتری ایجاد میکنند و قطعه را با حرارت (به جای پخت طبیعی) پخت میکنند. چنین قطعهای ساختار فشردهتری دارد، کیفیت سطح بهتری دارد، میتواند حبابهای هوا را به طور مؤثر از بین ببرد (حبابها تأثیر زیادی بر استحکام قطعه دارند) و کیفیت کلی بالاتر است. در واقع، فرآیند کیسه خلاء شبیه به چسباندن فیلم تلفن همراه است. از بین بردن حبابهای هوا یک کار اساسی است.
۳. روش قالبگیری فشاری
قالبگیری فشارییک روش قالبگیری است که برای تولید انبوه و تولید انبوه مفید است. قالبها معمولاً از قسمتهای بالایی و پایینی ساخته میشوند که ما آنها را قالب نر و قالب ماده مینامیم. فرآیند قالبگیری به این صورت است که حصیر ساخته شده از پیشآغشتهها را در قالب فلزی قرار میدهند و تحت تأثیر دما و فشار خاص، حصیر در حفره قالب گرم و پلاستیکی میشود، تحت فشار جریان مییابد و حفره قالب را پر میکند و سپس قالبگیری و پخت میشود تا محصولات به دست آیند. با این حال، این روش هزینه اولیه بالاتری نسبت به روشهای قبلی دارد، زیرا قالب به ماشینکاری CNC با دقت بسیار بالا نیاز دارد.
۴. قالبگیری با سیمپیچ
برای قطعاتی با اشکال پیچیده یا به شکل یک جسم دورانی، میتوان از دستگاه رشتهپیچ برای ساخت قطعه با پیچیدن رشته روی یک سنبه یا هسته استفاده کرد. پس از پیچیدن کامل، سنبه را جدا کرده و سفت کنید. به عنوان مثال، بازوهای اتصال لولهای مورد استفاده در سیستمهای تعلیق را میتوان با استفاده از این روش ساخت.
۵. قالبگیری انتقالی رزین
قالبگیری انتقالی رزین (RTM) یک روش قالبگیری نسبتاً محبوب است. مراحل اساسی آن عبارتند از:
۱. پارچه فیبر کربن بد آماده شده را در قالب قرار دهید و قالب را ببندید.
۲. رزین ترموست مایع را به داخل آن تزریق کنید، ماده تقویتکننده را آغشته کرده و عملآوری کنید.
خواص پلیمر تقویت شده با الیاف کربن
(1) استحکام بالا و خاصیت ارتجاعی خوب.
استحکام ویژه (یعنی نسبت استحکام کششی به چگالی) الیاف کربن ۶ برابر فولاد و ۱۷ برابر آلومینیوم است.مدول ویژه (یعنی نسبت مدول یانگ به چگالی که نشانه خاصیت ارتجاعی یک جسم است) بیش از ۳ برابر فولاد یا آلومینیوم است.
با استحکام ویژه بالا، میتواند بار کاری زیادی را تحمل کند. حداکثر فشار کاری آن میتواند به ۳۵۰ کیلوگرم بر سانتیمتر مربع برسد. علاوه بر این، نسبت به F-4 خالص و الیاف بافته شده آن، تراکمپذیرتر و انعطافپذیرتر است.
(2) مقاومت خوب در برابر خستگی و سایش.
مقاومت خستگی آن بسیار بالاتر از رزین اپوکسی و بالاتر از مواد فلزی است. الیاف گرافیت خود روان کننده هستند و ضریب اصطکاک کمی دارند. میزان سایش 5 تا 10 برابر کمتر از محصولات آزبست عمومی یا نوارهای F-4 است.
(3) رسانایی حرارتی خوب و مقاومت در برابر حرارت.
پلاستیکهای تقویتشده با فیبر کربن رسانایی حرارتی خوبی دارند و گرمای تولید شده توسط اصطکاک به راحتی دفع میشود. فضای داخلی به راحتی بیش از حد گرم نمیشود و گرما را ذخیره میکند و میتواند به عنوان یک ماده آببندی پویا مورد استفاده قرار گیرد. در هوا، میتواند به طور پایدار در محدوده دمایی -120 تا 350 درجه سانتیگراد کار کند. با کاهش محتوای فلز قلیایی در فیبر کربن، دمای کارکرد میتواند بیشتر افزایش یابد. در یک گاز بیاثر، دمای قابل تنظیم آن میتواند به حدود 2000 درجه سانتیگراد برسد و میتواند تغییرات شدید در سرما و گرما را تحمل کند.
(4) مقاومت خوب در برابر لرزش.
به راحتی دچار طنین یا لرزش نمیشود و همچنین مادهای عالی برای کاهش لرزش و نویز است.
مزایای CFRP
۱. وزن سبک
پلاستیکهای تقویتشده با الیاف شیشه سنتی از الیاف شیشه پیوسته و 70٪ الیاف شیشه (وزن شیشه/وزن کل) استفاده میکنند و معمولاً چگالی 0.065 پوند بر اینچ مکعب دارند. یک کامپوزیت CFRP با همان وزن 70٪ الیاف، معمولاً چگالی 0.055 پوند بر اینچ مکعب دارد.
2. استحکام بالا
اگرچه پلیمرهای تقویتشده با الیاف کربن سبک هستند، کامپوزیتهای CFRP در مقایسه با کامپوزیتهای الیاف شیشه، استحکام و سختی بالاتری در واحد وزن دارند. در مقایسه با مواد فلزی، این مزیت آشکارتر است.
معایب CFRP
۱. هزینه بالا
هزینه تولید پلاستیک تقویتشده با الیاف کربن بسیار بالاست. قیمت الیاف کربن بسته به شرایط فعلی بازار (عرضه و تقاضا)، نوع الیاف کربن (نوع هوافضا در مقابل نوع تجاری) و اندازه دسته الیاف میتواند به طرز چشمگیری متفاوت باشد. بر اساس پوند به پوند، الیاف کربن دستنخورده میتواند ۵ تا ۲۵ برابر گرانتر از الیاف شیشه باشد. این تفاوت در مقایسه فولاد با CFRP حتی بیشتر هم میشود.
۲. رسانایی
این مزایا و معایب مواد کامپوزیتی فیبر کربن است. این به کاربرد بستگی دارد. الیاف کربن بسیار رسانا هستند و الیاف شیشه عایق هستند. بسیاری از محصولات به جای الیاف کربن یا فلز از الیاف شیشه استفاده میکنند زیرا به عایقبندی دقیق نیاز دارند. در تولید لوازم خانگی، بسیاری از محصولات نیاز به استفاده از الیاف شیشه دارند.
کاربردهای پلاستیک تقویتشده با فیبر کربن
کاربردهای پلیمر تقویتشده با الیاف کربن در زندگی بسیار گسترده است، از قطعات مکانیکی گرفته تا مواد نظامی.
(1)به عنوان بسته بندی آب بندی
مواد PTFE تقویتشده با فیبر کربن را میتوان به حلقهها یا پکینگهای آببندی مقاوم در برابر خوردگی، سایش و دمای بالا تبدیل کرد. هنگامی که برای آببندی استاتیک استفاده میشود، عمر مفید آن طولانیتر میشود، بیش از 10 برابر بیشتر از پکینگهای آزبست غوطهور در روغن. این ماده میتواند عملکرد آببندی را تحت تغییرات بار و سرمایش و گرمایش سریع حفظ کند. و از آنجایی که این ماده حاوی مواد خورنده نیست، هیچ خوردگی حفرهای روی فلز رخ نخواهد داد.
(2)به عنوان قطعات سنگ زنی
با استفاده از خواص خود روانکاری آن، میتوان از آن به عنوان یاتاقان، چرخ دنده و حلقه پیستون برای اهداف خاص استفاده کرد. مانند یاتاقانهای روانکاری شده بدون روغن برای ابزارهای هوانوردی و ضبط صوت، چرخ دندههای روانکاری شده بدون روغن برای لوکوموتیوهای دیزلی انتقال الکتریکی (برای جلوگیری از حوادث ناشی از نشت روغن)، حلقههای پیستون روانکاری شده بدون روغن در کمپرسورها و غیره. علاوه بر این، با بهرهگیری از ویژگیهای غیرسمی آن، میتوان از آن به عنوان یاتاقانهای کشویی یا آببند در صنایع غذایی و دارویی نیز استفاده کرد.
(3) به عنوان مواد ساختاری برای هوافضا، هوانوردی و موشک. این ماده برای اولین بار در ساخت هواپیما برای کاهش وزن هواپیما و بهبود راندمان پرواز مورد استفاده قرار گرفت. همچنین در صنایع شیمیایی، نفت، برق، ماشین آلات و سایر صنایع به عنوان یک آب بند دینامیکی چرخشی یا رفت و برگشتی یا مواد مختلف آب بند استاتیک استفاده می شود.
ژنگشی یک حرفهای استکارخانه پرس هیدرولیک در چین، ارائه کیفیت بالاپرس هیدرولیک کامپوزیتبرای تشکیل محصولات CFRP.
زمان ارسال: ۲۵ مه ۲۰۲۳
