Komposiittimateriaalien jatkuvan kehityksen myötä lasikuituvahvisteisten muovien lisäksi on ilmestynyt hiilikuituvahvisteisia muoveja, boorikuituvahvisteisia muoveja jne. Hiilikuituvahvisteiset polymeerikomposiitit (CFRP) ovat kevyitä ja vahvoja materiaaleja, joita käytetään monien jokapäiväisessä elämässämme käyttämiemme tuotteiden valmistukseen. Se on termi, jota käytetään kuvaamaan kuituvahvisteisia komposiittimateriaaleja, joissa käytetään hiilikuituja päärakenneosana.
Sisällysluettelo:
1. Hiilikuituvahvisteinen polymeerirakenne
2. Hiilikuituvahvisteisen muovin muovausmenetelmä
3. Hiilikuituvahvisteisen polymeerin ominaisuudet
4. CFRP:n edut
5. CFRP:n haitat
6. Hiilikuituvahvisteisen muovin käyttötarkoitukset
Hiilikuituvahvisteinen polymeerirakenne
Hiilikuituvahvisteinen muovi on materiaali, joka on muodostettu järjestämällä hiilikuitumateriaaleja tiettyyn suuntaan ja käyttämällä toisiinsa sidottuja polymeerimateriaaleja. Hiilikuidun halkaisija on erittäin ohut, noin 7 mikronia, mutta sen lujuus on erittäin korkea.
Hiilikuituvahvisteisen komposiittimateriaalin perusosa on hiilikuitufilamentti. Hiilifillan perusraaka-aine on esipolymeeri polyakrylonitriili (PAN), viskoosi tai maaöljypiki. Hiilifillamenteista valmistetaan sitten kemiallisilla ja mekaanisilla menetelmillä hiilikuitukankaita hiilikuituosia varten.
Sideaine on yleensä lämpökovettuva hartsi, kuten epoksihartsi. Joskus käytetään myös muita lämpökovettuvia tai termoplastisia polymeerejä, kuten polyvinyyliasetaattia tai nailonia. Hiilikuitujen lisäksi komposiitit voivat sisältää myös aramidi Q:ta, erittäin korkean molekyylipainon omaavaa polyeteeniä, alumiinia tai lasikuituja. Lopullisen hiilikuitutuotteen ominaisuuksiin voivat vaikuttaa myös sidosmatriisiin lisätyt lisäaineet.
Hiilikuituvahvisteisen muovin muovausmenetelmä
Hiilikuitutuotteet eroavat toisistaan pääasiassa erilaisten prosessien vuoksi. Hiilikuituvahvisteisten polymeerimateriaalien valmistamiseksi on monia menetelmiä.
1. Käsin asettelu
Jaetaan kuivamenetelmään (esikäytetty työpaja) ja märkämenetelmään (kuitukangas ja hartsi liimataan käyttöön). Käsin lay-up-menetelmää käytetään myös prepregien valmistamiseen toissijaisia muovausprosesseja, kuten puristusmuovausta, varten. Tässä menetelmässä hiilikuitukangaslevyt laminoidaan muottiin lopputuotteen muodostamiseksi. Tuloksena olevan materiaalin lujuus- ja jäykkyysominaisuudet optimoidaan valitsemalla kankaan kuitujen suuntaus ja kudos. Muotti täytetään sitten epoksilla ja kovetetaan lämmöllä tai ilmalla. Tätä valmistusmenetelmää käytetään usein rasituksettomille osille, kuten moottorin suojille.
2. Tyhjiömuovausmenetelmä
Laminoitua prepregiä varten on tarpeen kohdistaa painetta tietyn prosessin kautta, jotta se saadaan lähelle muottia ja kovetetaan ja muotoillaan tietyssä lämpötilassa ja paineessa. Tyhjiöpussimenetelmässä käytetään tyhjiöpumppua muovauspussin sisäpuolen tyhjentämiseen, jotta pussin ja muotin välinen negatiivinen paine muodostaa paineen, jotta komposiittimateriaali on lähellä muottia.
Tyhjiöpussimenetelmän pohjalta johdettiin myöhemmin tyhjiöpussi-autoklaavimenetelmä. Autoklaavit tarjoavat korkeamman paineen ja lämpökovettavat osan (luonnollisen kovettumisen sijaan) kuin pelkät tyhjiöpussimenetelmät. Tällaisella osalla on kompaktimpi rakenne, parempi pinnanlaatu, se voi tehokkaasti poistaa ilmakuplat (kuplat vaikuttavat suuresti osan lujuuteen) ja yleinen laatu on korkeampi. Itse asiassa tyhjiöpussitusprosessi on samanlainen kuin matkapuhelimen kalvojen liimaus. Ilmakuplien poistaminen on tärkeä tehtävä.
3. Puristusmuovausmenetelmä
Puristusmuovauson muovausmenetelmä, joka edistää massatuotantoa ja massatuotantoa. Muotit valmistetaan yleensä ylä- ja alaosista, joita kutsutaan uros- ja naarasmuoteiksi. Muovausprosessissa prepregeistä valmistettu matto asetetaan metalliseen vastamuottiin, ja tietyn lämpötilan ja paineen vaikutuksesta matto kuumennetaan ja plastisoidaan muottipesässä, virtaa paineen alaisena ja täyttää muottipesän, ja sitten se muovataan ja kovetetaan tuotteiden saamiseksi. Tällä menetelmällä on kuitenkin korkeammat alkukustannukset kuin edellisillä, koska muotti vaatii erittäin tarkkaa CNC-työstöä.
4. Käämitysmuovaus
Monimutkaisten muotoisten tai pyörivän kappaleen muotoisten osien valmistukseen voidaan käyttää filamentin kelauslaitetta, joka kiertää filamenttia tuurnan tai sydämen ympärille. Kun kelaus on täysin kovettunut, tuurna poistetaan. Esimerkiksi jousitusjärjestelmissä käytettävät putkimaiset nivelvarret voidaan valmistaa tällä menetelmällä.
5. Hartsin siirtomuovaus
Hartsisiirtomuovaus (RTM) on suhteellisen suosittu muovausmenetelmä. Sen perusvaiheet ovat:
1. Aseta valmisteltu huonolaatuinen hiilikuitukangas muottiin ja sulje muotti.
2. Ruiskuta nestemäistä kovettuvaa hartsia siihen, kyllästä lujitemateriaali sillä ja koveta.
Hiilikuituvahvisteisen polymeerin ominaisuudet
(1) Suuri lujuus ja hyvä elastisuus.
Hiilikuidun ominaislujuus (eli vetolujuuden suhde tiheyteen) on kuusi kertaa suurempi kuin teräksen ja 17 kertaa suurempi kuin alumiinin. Ominaismoduuli (eli Youngin moduulin suhde tiheyteen, joka on merkki kappaleen elastisuudesta) on yli kolme kertaa suurempi kuin teräksen tai alumiinin.
Suuren ominaislujuutensa ansiosta se kestää suuren työkuorman. Sen suurin työpaine voi olla 350 kg/cm2. Lisäksi se on kokoonpuristuvampi ja joustavampi kuin puhdas F-4 ja sen punos.
(2) Hyvä väsymiskestävyys ja kulutuskestävyys.
Sen väsymiskestävyys on paljon suurempi kuin epoksihartsin ja metallimateriaalien. Grafiittikuidut ovat itsevoitelevia ja niillä on pieni kitkakerroin. Kuluminen on 5–10 kertaa pienempi kuin yleisillä asbestituotteilla tai F-4-punoksilla.
(3) Hyvä lämmönjohtavuus ja lämmönkestävyys.
Hiilikuituvahvisteisilla muoveilla on hyvä lämmönjohtavuus, ja kitkan synnyttämä lämpö haihtuu helposti. Sisäosa ei ole helposti ylikuumeneva eikä varastoi lämpöä, ja sitä voidaan käyttää dynaamisena tiivistysmateriaalina. Ilmassa se voi toimia vakaasti lämpötila-alueella -120–350 °C. Hiilikuidun alkalimetallipitoisuuden vähenemisen myötä käyttölämpötilaa voidaan edelleen nostaa. Inertissä kaasussa sen mukautuva lämpötila voi nousta noin 2000 °C:seen, ja se kestää äkillisiä kylmyyden ja kuumuuden vaihteluita.
(4) Hyvä tärinänkestävyys.
Se ei ole helppo resonoida tai lepattaa, ja se on myös erinomainen materiaali tärinänvaimennukseen ja melunvaimennukseen.
CFRP:n edut
1. Kevyt
Perinteisissä lasikuitulujitemuoveissa käytetään jatkuvia lasikuituja ja 70 % lasikuituja (lasin paino / kokonaispaino), ja niiden tiheys on tyypillisesti 0,065 paunaa kuutiotuumaa kohden. Saman 70 % kuitupainon omaavan CFRP-komposiitin tiheys on tyypillisesti 0,055 paunaa kuutiotuumaa kohden.
2. Korkea lujuus
Vaikka hiilikuituvahvisteiset polymeerit ovat kevyitä, CFRP-komposiiteilla on suurempi lujuus ja jäykkyys painoyksikköä kohden kuin lasikuitukomposiiteilla. Verrattuna metallimateriaaleihin tämä etu on selvempi.
CFRP:n haitat
1. Korkeat kustannukset
Hiilikuituvahvisteisen muovin tuotantokustannukset ovat kohtuuttomat. Hiilikuidun hinnat voivat vaihdella dramaattisesti riippuen vallitsevista markkinaolosuhteista (kysyntä ja tarjonta), hiilikuidun tyypistä (ilmailu- ja avaruusteollisuus) ja kuitukimpun koosta. Paunaa kohden laskettuna neitseellinen hiilikuitu voi olla 5–25 kertaa kalliimpaa kuin lasikuitu. Tämä ero on vielä suurempi verrattaessa terästä hiilikuituvahvisteiseen muoviin.
2. Johtavuus
Tämä on hiilikuitukomposiittimateriaalien etu ja haitta. Se riippuu sovelluksesta. Hiilikuidut ovat erittäin johtavia ja lasikuidut eristäviä. Monissa tuotteissa käytetään lasikuitua hiilikuidun tai metallin sijaan, koska ne vaativat tiukkaa eristystä. Yleishyödyllisten laitteiden tuotannossa monet tuotteet vaativat lasikuitujen käyttöä.
Hiilikuituvahvisteisen muovin käyttötarkoitukset
Hiilikuituvahvisteisen polymeerin käyttökohteet ovat laajat elämässä, mekaanisista osista sotilasmateriaaleihin.
(1)tiivistyspakkauksena
Hiilikuituvahvisteisesta PTFE-materiaalista voidaan valmistaa korroosionkestäviä, kulutusta ja korkeita lämpötiloja kestäviä tiivisterenkaita tai -pakkauksia. Staattiseen tiivistykseen käytettynä sen käyttöikä on pidempi, yli 10 kertaa pidempi kuin yleisen öljyyn upotetun asbestipakkauksen. Se säilyttää tiivistyskykynsä kuormituksen muutosten sekä nopean jäähdytyksen ja nopean kuumennuksen aikana. Ja koska materiaali ei sisällä syövyttäviä aineita, metalliin ei esiinny pistekorroosiota.
(2)hiontaosina
Itsevoitelevien ominaisuuksiensa ansiosta sitä voidaan käyttää laakereissa, hammaspyörissä ja männänrenkaissa erikoistarkoituksiin. Kuten öljyttömästi voideltuina laakereissa ilmailuinstrumenteissa ja nauhureissa, öljyttömästi voideltuina hammaspyörinä sähkövaihteistodieselmoottoreissa (öljyvuotojen aiheuttamien onnettomuuksien välttämiseksi), öljyttömästi voideltuina männänrenkaina kompressoreissa jne. Lisäksi sitä voidaan käyttää myös liukulaakereissa tai tiivisteissä elintarvike- ja lääketeollisuudessa hyödyntämällä sen myrkyttömiä ominaisuuksia.
(3) Ilmailu- ja avaruustekniikan sekä ohjusten rakennemateriaaleina. Sitä käytettiin ensimmäisen kerran lentokoneiden valmistuksessa lentokoneiden painon vähentämiseksi ja lentotehokkuuden parantamiseksi. Sitä käytetään myös kemian-, öljy-, sähkö-, kone- ja muilla teollisuudenaloilla pyörivänä tai edestakaisin liikkuvana dynaamisena tiivisteenä tai erilaisina staattisina tiivistemateriaaleina.
Zhengxi on ammattilainen.hydraulipuristimen tehdas Kiinassa, joka tarjoaa korkealaatuistakomposiitti hydraulinen puristinCFRP-tuotteiden muodostamiseen.
Julkaisun aika: 25.5.2023
