Dengan perkembangan material komposit yang berkelanjutan, selain plastik yang diperkuat serat kaca, plastik yang diperkuat serat karbon, plastik yang diperkuat serat boron, dan lain-lain telah muncul. Komposit polimer yang diperkuat serat karbon (CFRP) adalah material ringan dan kuat yang digunakan untuk memproduksi banyak produk yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari. Ini adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan material komposit yang diperkuat serat yang menggunakan serat karbon sebagai komponen struktural utama.
Daftar Isi:
1. Struktur Polimer yang Diperkuat Serat Karbon
2. Metode Pencetakan Plastik yang Diperkuat Serat Karbon
3. Sifat-Sifat Polimer yang Diperkuat Serat Karbon
4. Keunggulan CFRP
5. Kekurangan CFRP
6. Penggunaan Plastik yang Diperkuat Serat Karbon
Struktur Polimer yang Diperkuat Serat Karbon
Plastik yang diperkuat serat karbon adalah material yang dibentuk dengan menyusun material serat karbon dalam arah tertentu dan menggunakan material polimer sebagai perekat. Diameter serat karbon sangat tipis, sekitar 7 mikron, tetapi kekuatannya sangat tinggi.
Unit penyusun paling dasar dari material komposit yang diperkuat serat karbon adalah filamen serat karbon. Bahan baku dasar filamen karbon adalah prepolimer poliakrilonitril (PAN), rayon, atau pitch minyak bumi. Filamen karbon kemudian diolah menjadi kain serat karbon melalui metode kimia dan mekanik untuk pembuatan komponen serat karbon.
Polimer pengikat biasanya berupa resin termoset seperti epoksi. Polimer termoset atau termoplastik lainnya terkadang digunakan, seperti polivinil asetat atau nilon. Selain serat karbon, komposit juga dapat mengandung aramid Q, polietilen dengan berat molekul sangat tinggi, aluminium, atau serat kaca. Sifat produk serat karbon akhir juga dapat dipengaruhi oleh jenis aditif yang dimasukkan ke dalam matriks pengikat.
Metode Pencetakan Plastik yang Diperkuat Serat Karbon
Produk serat karbon pada dasarnya berbeda karena proses pembuatannya yang berbeda. Ada banyak metode untuk membentuk material polimer yang diperkuat serat karbon.
1. Metode Hand Lay-up
Terbagi menjadi metode kering (dipersiapkan di bengkel) dan metode basah (kain serat dan resin direkatkan untuk digunakan). Metode hand lay-up juga digunakan untuk mempersiapkan prepreg untuk digunakan dalam proses pencetakan sekunder seperti pencetakan kompresi. Metode ini melibatkan laminasi lembaran kain serat karbon pada cetakan untuk membentuk produk akhir. Sifat kekuatan dan kekakuan material yang dihasilkan dioptimalkan dengan memilih penyelarasan dan anyaman serat kain. Cetakan kemudian diisi dengan epoksi dan dikeringkan dengan panas atau udara. Metode manufaktur ini sering digunakan untuk bagian yang tidak mengalami tekanan, seperti penutup mesin.
2. Metode Pembentukan Vakum
Untuk prepreg laminasi, perlu dilakukan tekanan melalui proses tertentu agar menempel erat pada cetakan dan agar dapat mengeras dan membentuknya di bawah suhu dan tekanan tertentu. Metode kantung vakum menggunakan pompa vakum untuk mengosongkan bagian dalam kantung pembentuk sehingga tekanan negatif antara kantung dan cetakan membentuk tekanan sehingga material komposit menempel erat pada cetakan.
Berdasarkan metode kantong vakum, metode pembentukan kantong vakum-autoklaf kemudian dikembangkan. Autoklaf memberikan tekanan yang lebih tinggi dan memanaskan bagian tersebut (bukan hanya pengeringan alami) dibandingkan metode kantong vakum saja. Bagian yang dihasilkan memiliki struktur yang lebih kompak, kualitas permukaan yang lebih baik, dapat secara efektif menghilangkan gelembung udara (gelembung akan sangat memengaruhi kekuatan bagian tersebut), dan kualitas keseluruhannya lebih tinggi. Sebenarnya, proses pembuatan kantong vakum mirip dengan proses pemasangan stiker pelindung ponsel. Menghilangkan gelembung udara adalah tugas utama.
3. Metode Pencetakan Kompresi
Pencetakan kompresiMetode pencetakan ini cocok untuk produksi massal. Cetakan biasanya terdiri dari bagian atas dan bawah, yang disebut cetakan jantan dan cetakan betina. Proses pencetakannya adalah dengan memasukkan lembaran prepreg ke dalam cetakan logam, dan di bawah pengaruh suhu dan tekanan tertentu, lembaran tersebut dipanaskan dan diplastisasi di dalam rongga cetakan, mengalir di bawah tekanan, dan mengisi rongga cetakan, kemudian dicetak dan dikeringkan untuk mendapatkan produk. Namun, metode ini memiliki biaya awal yang lebih tinggi daripada metode sebelumnya, karena cetakan membutuhkan pemesinan CNC dengan presisi sangat tinggi.
4. Cetakan Penggulung
Untuk bagian-bagian dengan bentuk kompleks atau berbentuk benda putar, mesin penggulung filamen dapat digunakan untuk membuat bagian tersebut dengan cara menggulung filamen pada mandrel atau inti. Setelah proses penggulungan selesai, mandrel dikeringkan dan dilepas. Misalnya, lengan sambungan tubular yang digunakan pada sistem suspensi dapat dibuat menggunakan metode ini.
5. Pencetakan Transfer Resin
Pencetakan transfer resin (RTM) adalah metode pencetakan yang relatif populer. Langkah-langkah dasarnya adalah:
1. Letakkan kain serat karbon yang sudah disiapkan di dalam cetakan dan tutup cetakan tersebut.
2. Suntikkan resin termosetting cair ke dalamnya, meresapi bahan penguat, dan lakukan proses pengerasan.
Sifat-Sifat Polimer yang Diperkuat Serat Karbon
(1) Kekuatan tinggi dan elastisitas yang baik.
Kekuatan spesifik (yaitu, rasio kekuatan tarik terhadap densitas) serat karbon adalah 6 kali lipat dari baja dan 17 kali lipat dari aluminium. Modulus spesifik (yaitu, rasio modulus Young terhadap densitas, yang merupakan tanda elastisitas suatu objek) lebih dari 3 kali lipat dari baja atau aluminium.
Dengan kekuatan spesifik yang tinggi, material ini mampu menahan beban kerja yang besar. Tekanan kerja maksimumnya dapat mencapai 350 kg/cm2. Selain itu, material ini lebih mudah dikompresi dan lebih elastis daripada F-4 murni dan jalinannya.
(2) Ketahanan lelah dan ketahanan aus yang baik.
Ketahanan lelahnya jauh lebih tinggi daripada resin epoksi dan lebih tinggi daripada material logam. Serat grafit bersifat melumasi sendiri dan memiliki koefisien gesekan yang kecil. Jumlah keausannya 5-10 kali lebih kecil daripada produk asbes umum atau jalinan F-4.
(3) Konduktivitas termal dan ketahanan panas yang baik.
Plastik yang diperkuat serat karbon memiliki konduktivitas termal yang baik, dan panas yang dihasilkan oleh gesekan mudah dihilangkan. Bagian dalamnya tidak mudah terlalu panas dan menyimpan panas, serta dapat digunakan sebagai bahan penyegel dinamis. Di udara, ia dapat bekerja stabil dalam kisaran suhu -120~350°C. Dengan pengurangan kandungan logam alkali dalam serat karbon, suhu penggunaannya dapat ditingkatkan lebih lanjut. Dalam gas inert, suhu adaptasinya dapat mencapai sekitar 2000°C, dan dapat menahan perubahan suhu dingin dan panas yang tajam.
(4) Ketahanan getaran yang baik.
Material ini tidak mudah beresonansi atau bergetar, dan juga merupakan material yang sangat baik untuk mengurangi getaran dan kebisingan.
Keunggulan CFRP
1. Ringan
Plastik yang diperkuat serat kaca tradisional menggunakan serat kaca kontinu dan 70% serat kaca (berat kaca/berat total) dan biasanya memiliki kepadatan 0,065 pon per inci kubik. Komposit CFRP dengan berat serat 70% yang sama biasanya memiliki kepadatan 0,055 pon per inci kubik.
2. Kekuatan Tinggi
Meskipun polimer yang diperkuat serat karbon ringan, komposit CFRP memiliki kekuatan dan kekakuan per satuan berat yang lebih tinggi daripada komposit serat kaca. Dibandingkan dengan material logam, keunggulan ini lebih jelas terlihat.
Kekurangan CFRP
1. Biaya Tinggi
Biaya produksi plastik yang diperkuat serat karbon sangat mahal. Harga serat karbon dapat bervariasi secara dramatis tergantung pada kondisi pasar saat ini (penawaran dan permintaan), jenis serat karbon (kelas kedirgantaraan vs. kelas komersial), dan ukuran bundel serat. Secara per satuan berat, serat karbon murni bisa 5 hingga 25 kali lebih mahal daripada serat kaca. Perbedaan ini bahkan lebih besar jika membandingkan baja dengan CFRP.
2. Konduktivitas
Inilah kelebihan dan kekurangan material komposit serat karbon. Hal ini bergantung pada aplikasinya. Serat karbon sangat konduktif dan serat kaca bersifat isolatif. Banyak produk menggunakan fiberglass sebagai pengganti serat karbon atau logam karena membutuhkan isolasi yang ketat. Dalam produksi utilitas, banyak produk membutuhkan penggunaan serat kaca.
Penggunaan Plastik yang Diperkuat Serat Karbon
Penerapan polimer yang diperkuat serat karbon sangat luas dalam kehidupan, mulai dari komponen mekanik hingga material militer.
(1)sebagai kemasan penyegel
Material PTFE yang diperkuat serat karbon dapat dibuat menjadi cincin penyegel atau kemasan yang tahan korosi, tahan aus, dan tahan suhu tinggi. Saat digunakan untuk penyegelan statis, masa pakainya lebih lama, lebih dari 10 kali lebih lama daripada kemasan asbes yang direndam oli pada umumnya. Material ini dapat mempertahankan kinerja penyegelan di bawah perubahan beban dan pendinginan serta pemanasan yang cepat. Dan karena material ini tidak mengandung zat korosif, tidak akan terjadi korosi pitting pada logam.
(2)sebagai bagian penggilingan
Dengan memanfaatkan sifat pelumasannya sendiri, bahan ini dapat digunakan sebagai bantalan, roda gigi, dan ring piston untuk keperluan khusus. Misalnya, bantalan tanpa pelumasan oli untuk instrumen penerbangan dan perekam pita, roda gigi tanpa pelumasan oli untuk lokomotif diesel transmisi listrik (untuk menghindari kecelakaan akibat kebocoran oli), ring piston tanpa pelumasan oli pada kompresor, dan lain-lain. Selain itu, bahan ini juga dapat digunakan sebagai bantalan geser atau segel dalam industri makanan dan farmasi dengan memanfaatkan karakteristiknya yang tidak beracun.
(3) Sebagai bahan struktural untuk industri kedirgantaraan, penerbangan, dan rudal. Bahan ini pertama kali digunakan dalam pembuatan pesawat terbang untuk mengurangi berat pesawat dan meningkatkan efisiensi penerbangan. Bahan ini juga digunakan dalam industri kimia, perminyakan, tenaga listrik, permesinan, dan industri lainnya sebagai segel dinamis putar atau bolak-balik atau berbagai bahan segel statis.
Zhengxi adalah seorang profesional.pabrik mesin pres hidrolik di Cina, menyediakan kualitas tinggimesin pres hidrolik komposituntuk membentuk produk CFRP.
Waktu posting: 25 Mei 2023
